云計(jì)算數(shù)據(jù)中心節(jié)能關(guān)鍵技術(shù)的研究

楊馥寧

為了提升云計(jì)算數(shù)據(jù)中心發(fā)展水平，打造規(guī)模化、虛擬化和平衡化的節(jié)能體系，要從智能轉(zhuǎn)型角度出發(fā)，促進(jìn)云計(jì)算項(xiàng)目能獲取更加科學(xué)的運(yùn)算成本，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益和社會效益的雙贏。本文從基礎(chǔ)運(yùn)營成本和電力消耗成本2個(gè)方面分析了云計(jì)算數(shù)據(jù)中心節(jié)能對象，并對關(guān)鍵技術(shù)內(nèi)容展開討論。

伴隨著信息化技術(shù)的全面發(fā)展進(jìn)步，云計(jì)算和新型節(jié)能技術(shù)受到了廣泛關(guān)注，如何在發(fā)揮云計(jì)算數(shù)據(jù)中心優(yōu)勢的同時(shí)減少能源損耗是相關(guān)工作落實(shí)的關(guān)鍵。

云計(jì)算數(shù)據(jù)中心節(jié)能對象

云計(jì)算數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)運(yùn)營成本

要想更好地了解基礎(chǔ)運(yùn)營成本內(nèi)容，就要結(jié)合最新先進(jìn)技術(shù)方案落實(shí)相關(guān)工作，從而維持計(jì)算分析工作的合理性。在云計(jì)算技術(shù)應(yīng)用體系內(nèi)，一般會采取施耐德公司提供的數(shù)據(jù)中心，將其視為成本核算工具，設(shè)定中心總額定功率為100 kW、生命周期為10年、功率密度為500 W/m2、平均機(jī)柜功率為1 500 W，有效對傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心總成本予以測定評估，如圖1所示。

由圖1可知，在成本內(nèi)容中，電力系統(tǒng)成本支出數(shù)據(jù)最多，要想減少云計(jì)算數(shù)據(jù)中心運(yùn)營成本，就要核心控制電能消耗，滿足成本管理要求。

云計(jì)算數(shù)據(jù)中心電力系統(tǒng)能耗

依據(jù)科智咨詢發(fā)布的《2019-2020年中國IDC產(chǎn)業(yè)發(fā)展研究報(bào)告》數(shù)據(jù)顯示，預(yù)計(jì)2022年，我國IDC業(yè)務(wù)市場的規(guī)模將在3 200.5億元以上，迎來新一輪的爆發(fā)期，依據(jù)數(shù)據(jù)中心規(guī)劃內(nèi)容可知，華東地區(qū)、華北地區(qū)以及華南地區(qū)數(shù)據(jù)中心將新增總機(jī)柜超出50萬架，這對于電力管理提出了新的要求。其中，空調(diào)系統(tǒng)、電源管理、供配電系統(tǒng)等，都是較為巨大的成本支出項(xiàng)目。因此，要量化PUE數(shù)值（如表1所示），從而明確對應(yīng)的能耗要求。

云計(jì)算數(shù)據(jù)中心節(jié)能關(guān)鍵內(nèi)容

在明確電力能耗要點(diǎn)的基礎(chǔ)上，就要結(jié)合相關(guān)系統(tǒng)建立對應(yīng)的分析和控制機(jī)制，從而更好地提升云計(jì)算數(shù)據(jù)中心節(jié)能管理效果，維持環(huán)保效益和經(jīng)濟(jì)效益的平衡，減少能耗造成的不良影響。

云計(jì)算數(shù)據(jù)中心機(jī)房選址

結(jié)合我國數(shù)據(jù)中心對相關(guān)數(shù)據(jù)的分析可知，我國PUE數(shù)值較高，并且在通信業(yè)十二五規(guī)劃中明確指出，要進(jìn)一步提升云計(jì)算數(shù)據(jù)中心節(jié)能處理效果，將PUE數(shù)值控制在1.5以下。那么，就要從數(shù)據(jù)中心機(jī)房的選址方案入手，從源頭提升節(jié)能基礎(chǔ)管控工作的便捷性。值得一提的是，在數(shù)據(jù)中心選址工作中，不僅要綜合分析數(shù)據(jù)中心的安全問題和交通問題，也要將地區(qū)經(jīng)濟(jì)水平、政策傾向、人力資源及電力供應(yīng)狀態(tài)等多方面因素展開討論，維持綜合效率。例如，愛爾蘭都柏林Facebook數(shù)據(jù)中心就建立在北歐地區(qū)，地區(qū)溫度濕度較為適中，形成天然的冷卻系統(tǒng)，有效減少了服務(wù)器制冷方面的支出。

而在我國云計(jì)算數(shù)據(jù)中心選址工作中，內(nèi)蒙古地區(qū)是首選，不僅電力資源充沛，且地區(qū)冬季時(shí)間較長，氣候條件適宜，因此，我國主要的電信運(yùn)營商都將大型云計(jì)算數(shù)據(jù)中心建立在此處。

云計(jì)算數(shù)據(jù)中心制冷系統(tǒng)

在對云計(jì)算數(shù)據(jù)中心能耗類型和內(nèi)容予以分析后可知，制冷系統(tǒng)等能耗數(shù)值也較高，為了維持其整體效果，就要從數(shù)據(jù)中心高溫化、冷熱通道以及自然冷卻-水冷空調(diào)等方面予以分析。

1.數(shù)據(jù)中心的高溫化狀態(tài)

高溫化處理模式是近幾年受到廣泛關(guān)注的技術(shù)方案，可打造更加合理的運(yùn)行環(huán)境，確保數(shù)據(jù)中心能在高溫環(huán)境中工作，從而節(jié)省制冷系統(tǒng)產(chǎn)生的成本。谷歌比利時(shí)數(shù)據(jù)中心的PUE數(shù)值為1.16，整體運(yùn)行節(jié)能效果較好，其數(shù)據(jù)中心內(nèi)服務(wù)器的基礎(chǔ)運(yùn)行環(huán)境為27℃，在處理高溫化問題時(shí)主要采取的是服務(wù)器設(shè)備崩潰點(diǎn)分析和精準(zhǔn)的溫度調(diào)控機(jī)制。只有解決內(nèi)存結(jié)構(gòu)和硬盤設(shè)備高溫環(huán)境運(yùn)行問題，才能有效調(diào)控其運(yùn)行趨勢。例如，Intel公司從處理器、數(shù)據(jù)中心等系列化技術(shù)層面開展相關(guān)研究，匹配智能功耗節(jié)點(diǎn)管理單元、高溫環(huán)境數(shù)據(jù)中心管理單元以及電池備份解決方案等，從而更好地提升服務(wù)器工作效率，確保服務(wù)器能在31℃環(huán)境中運(yùn)行，而在溫度升高到34℃后，對應(yīng)數(shù)據(jù)中心運(yùn)行PUE能降低到1.14。

2.數(shù)據(jù)中心自然冷卻-水冷空調(diào)

為了保證數(shù)據(jù)中心相關(guān)設(shè)施運(yùn)行環(huán)境的合理性，一些云計(jì)算數(shù)據(jù)中心會采取冬季夏季區(qū)別化管理方案，在夏季，因?yàn)橐M(jìn)行能量的交換處理，所以一般會減少空調(diào)的運(yùn)行時(shí)長，確保其能在低負(fù)荷狀態(tài)下運(yùn)行。而在冬季，則要利用冷空氣循環(huán)的方式將冷空氣抽入機(jī)房內(nèi)部，匹配相應(yīng)的過濾操作，確保設(shè)備得以降溫。目前，應(yīng)用最為廣泛的是水冷精密空調(diào)，相較于傳統(tǒng)的風(fēng)冷精密空調(diào)能提升制冷量，并克服了風(fēng)冷空調(diào)除濕和加濕產(chǎn)生的能耗。

在室外溫度降低后，技術(shù)部門就可以關(guān)閉水冷空調(diào)系統(tǒng)的制冷機(jī)組，然后匹配換熱器實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)性換熱分析，達(dá)到自然冷卻的狀態(tài)。也就是說，水冷空調(diào)和自然冷卻的有效匹配，能大大降低制冷系統(tǒng)能耗數(shù)值，從而打造節(jié)能環(huán)保的應(yīng)用環(huán)境。

3.冷熱通道控制

一般而言，不僅要配合技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)制冷處理，也要對設(shè)備的擺放位置、功耗環(huán)境等因素予以關(guān)注。利用背對背的方式安放處理器，實(shí)現(xiàn)前端冷風(fēng)吸入、后端熱風(fēng)排出的循環(huán)模式，能提升冷空氣通道應(yīng)用的合理性。與此同時(shí)，機(jī)柜的位置也要結(jié)合實(shí)際情況采取相向布置的方式，匹配冷熱通道的應(yīng)用要求，合理性隔離熱通道，就能避免能耗造成的經(jīng)濟(jì)損失。

云計(jì)算數(shù)據(jù)中心電源系統(tǒng)

為了保證電源系統(tǒng)能耗的平衡性和合理性，新型高頻UPS是首選，能建立電源轉(zhuǎn)換應(yīng)用模式，大大提升功率因數(shù)，并且，新型高頻UPS設(shè)備的體積較小，減少了空間占比。在其實(shí)際應(yīng)用過程中，它能實(shí)現(xiàn)電源轉(zhuǎn)換效率和負(fù)載率的平衡。例如，我國主要的電信運(yùn)營商都在積極應(yīng)用高壓直流UPS，不僅能避免逆變問題，還能大大提升電源轉(zhuǎn)換率，維持較好的應(yīng)用可靠性和安全性。

除此之外，國外還在積極推進(jìn)去除中心式UPS方案，能在提升應(yīng)用效率的同時(shí)減少能耗。

云計(jì)算數(shù)據(jù)中心IT設(shè)備

對于云計(jì)算數(shù)據(jù)中心而言，IT設(shè)備是非常關(guān)鍵的設(shè)備機(jī)組，要想維持能耗管理方案的規(guī)范性和合理性，就要對IT設(shè)備的應(yīng)用工作予以重視，確保對應(yīng)服務(wù)器管控工作滿足標(biāo)準(zhǔn)。

1. IT設(shè)備中聚合微服務(wù)器

在眾多IT設(shè)備中，聚合微服務(wù)器的應(yīng)用價(jià)值較高，主要采取的是聚合類ARM處理設(shè)備和分布式架構(gòu)應(yīng)用模式，能搭建基于云計(jì)算分析要求的節(jié)點(diǎn)堆疊框架，不僅符合互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用需求，還能有效處理高并發(fā)問題，是云計(jì)算聚合型技術(shù)發(fā)展的必然趨勢。在高密度微服務(wù)器應(yīng)用后，整體云計(jì)算數(shù)據(jù)中心IT設(shè)備能耗能達(dá)到40 %。

盡管ARM微服務(wù)器自身的應(yīng)用性能以及軟件應(yīng)用控制支持效果略低于Intel，但是，處理器自身的價(jià)格優(yōu)勢非常突出，且能實(shí)現(xiàn)低能耗運(yùn)行，這對于節(jié)能降耗工作而言具有重要的意義。其性能參數(shù)對比，如表2所示。

2.虛擬切分服務(wù)器

近幾年，對相關(guān)技術(shù)的研究在不斷深入和拓展，針對x86服務(wù)器虛擬機(jī)管理的分布式電源系統(tǒng)也受到了廣泛關(guān)注，是在傳統(tǒng)技術(shù)體系上的動態(tài)升級，搭建更加合理的負(fù)載模式，從而避免物理服務(wù)器負(fù)載超標(biāo)造成的能耗超標(biāo)。并且，能更好地維持服務(wù)器工作運(yùn)行狀態(tài)，減少不必要服務(wù)器運(yùn)行產(chǎn)生的消耗，在物理資源匹配狀態(tài)下開啟服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)智能化感應(yīng)處理，滿足連續(xù)性、環(huán)保性要求。

另外，更多的研發(fā)企業(yè)將關(guān)注點(diǎn)落在新型芯片的研發(fā)方面，其中，Intel研發(fā)的Atom芯片能應(yīng)用低能耗技術(shù)建立智能處理系統(tǒng)，在減少能耗支出的同時(shí)，提供充沛的電力環(huán)境，維持計(jì)算能力和應(yīng)用效果的平衡。

總而言之，在節(jié)能降耗的發(fā)展趨勢下，云計(jì)算數(shù)據(jù)中心積極推進(jìn)節(jié)能關(guān)鍵技術(shù)具有重要的時(shí)代意義，要結(jié)合網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)要求、客戶資源等要點(diǎn)落實(shí)完善的方案，保證各個(gè)系統(tǒng)都能滿足節(jié)能要求，實(shí)現(xiàn)大規(guī)模云計(jì)算數(shù)據(jù)中心布局合理且運(yùn)行穩(wěn)定的發(fā)展目標(biāo)，促進(jìn)云計(jì)算數(shù)據(jù)分析業(yè)務(wù)可持續(xù)健康發(fā)展。