算力中心構(gòu)建與運營管理的優(yōu)化策略探討

摘要：探討了算力中心構(gòu)建與運營管理的優(yōu)化策略，包括一體化設(shè)計理念、模塊化與預(yù)制化建設(shè)、綠色節(jié)能技術(shù)和智能化運營管理。利用華為云數(shù)據(jù)中心和谷歌數(shù)據(jù)中心的案例，指導(dǎo)了智能監(jiān)控系統(tǒng)、自動化管理工具和可再生能源利用等技術(shù)的應(yīng)用，總結(jié)了這些策略的實施效果，需要深入優(yōu)化算力中心，使算力中心成本更低，運營效率更高。

關(guān)鍵詞：算力中心；運營優(yōu)化；數(shù)據(jù)；算力設(shè)計

一、前言

在現(xiàn)代信息技術(shù)體系中，算力中心通過提供高效、可靠的計算資源和服務(wù)，支撐各類計算任務(wù)。算力中心的構(gòu)建與運營管理涉及基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、硬件配置、資源管理、性能管理、能源管理和智能化管理的多個方面。研究旨在探討算力中心在構(gòu)建與運營管理中的優(yōu)化策略，通過華為和谷歌的案例，分析智能化管理和綠色節(jié)能技術(shù)的應(yīng)用及其效果。

二、算力中心的概述

算力中心即計算能力中心，主要是指為各類計算任務(wù)提供高效可靠計算資源和服務(wù)的基礎(chǔ)。算力中心的構(gòu)建與運營管理涉及多個方面，包括基礎(chǔ)建設(shè)、硬件配置、資源管理、性能管理、能源管理和智能化管理等。算力中心的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)包括算力中心的選址、建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計、供電系統(tǒng)和制冷系統(tǒng)。在算力中心建設(shè)中重點關(guān)注能源效率和冷卻效率，通過采用優(yōu)化的功能來避免處理器空閑時間的電能浪費，還需要根據(jù)算力需求選擇合適的硬件設(shè)備，并進行合理的資源分配。還有一種電源與性能管理的優(yōu)化解決方案，通過混合整數(shù)規(guī)劃模型，實現(xiàn)了電能比例化和性能保證。性能管理則通過優(yōu)化調(diào)度算法和負載均衡技術(shù)提高算力中心的性能和利用率[1]。在Hadoop集群中適應(yīng)DVFS設(shè)置對不同應(yīng)用的性能和能耗的影響，強調(diào)了在MapReduce環(huán)境中需要更具針對性的電源管理技術(shù)。上面各個部分的相輔相成組成了高效的算力中心。

三、算力中心構(gòu)建策略

（一）一體化設(shè)計理念

單層工業(yè)化數(shù)據(jù)中心主要考慮計算機系統(tǒng)、通信系統(tǒng)和存儲系統(tǒng)的需求，確保數(shù)據(jù)中心在任何情況下都能獲得穩(wěn)定的電力供應(yīng)，避免因電力中斷導(dǎo)致的系統(tǒng)故障。建立高效的數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)，確保數(shù)據(jù)在各個系統(tǒng)之間的快速傳輸。構(gòu)建適宜的溫度和濕度環(huán)境，保障設(shè)備的正常運行，同時配備完善的空調(diào)系統(tǒng)、電氣設(shè)備和消防系統(tǒng)。就結(jié)構(gòu)設(shè)計而言，單層設(shè)計的顯著優(yōu)勢在于其建設(shè)的高效性。單層數(shù)據(jù)中心的建筑結(jié)構(gòu)較為簡單，可以通過模塊化和預(yù)制化建設(shè)方法加快施工速度并降低建設(shè)成本。為了提高能源效率，單層數(shù)據(jù)中心通常采用高效的冷卻技術(shù)，如自然冷卻、液冷技術(shù)等。有效的冷卻系統(tǒng)不僅可以降低能耗，還能延長設(shè)備的使用壽命，降低運營成本。

多層鋼結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)中心采用鋼結(jié)構(gòu)建設(shè)的高層建筑形式，旨在利用垂直空間提高計算能力和資源密度。在設(shè)計結(jié)構(gòu)上，多層鋼結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)中心的設(shè)計需要考慮建筑物的穩(wěn)定性和抗震性[2]。Khonsari和Eskandaritorbaghan主要研究了分層鋼結(jié)構(gòu)建筑的三維行為，層次性大梁設(shè)計模型（LBDM）能夠有效提升多層鋼結(jié)構(gòu)建筑的穩(wěn)定性和抗震能力。鋼結(jié)構(gòu)組件可以在工廠預(yù)制，然后運至現(xiàn)場進行快速組裝，這種預(yù)制化建設(shè)方法不僅可以提高建設(shè)速度，利用箱形立柱和橫梁的設(shè)計增強了施工的自動化和勞動效率，降低了工人的勞動強度。在空間利用和擴展性上這種結(jié)構(gòu)主要是通過垂直擴展的方式來實現(xiàn)的，所以可以根據(jù)需求進行樓層的增加或減少，適應(yīng)未來的擴展需求。這種結(jié)構(gòu)顯著減少了建設(shè)時間和成本，鋼結(jié)構(gòu)建筑便于維護和更換，有助于提高數(shù)據(jù)中心的可靠性和可用性。

一體化設(shè)計理念中單層工業(yè)化數(shù)據(jù)中心和多層鋼結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)中心各自具有優(yōu)勢。單層工業(yè)化數(shù)據(jù)中心強調(diào)簡潔的結(jié)構(gòu)設(shè)計和高效的建設(shè)流程，它比較適合需要大面積空間的應(yīng)用場景。多層鋼結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)中心則通過垂直擴展和預(yù)制化建設(shè)方法，充分利用有限的土地資源，比較適合空間受限但需要高密度計算能力的場景。兩種設(shè)計方案在冷卻與能源效率方面均采用高效的技術(shù)手段，保障設(shè)備的穩(wěn)定運行和低能耗。結(jié)合這兩種設(shè)計方案的優(yōu)點可以在不同應(yīng)用場景下為現(xiàn)代數(shù)據(jù)中心的建設(shè)提供參考。

（二）模塊化與預(yù)制化

模塊化設(shè)計提升了數(shù)據(jù)中心的靈活性和可擴展性，由于每個模塊都是在控制條件下的工廠環(huán)境中預(yù)先制造的，不僅縮短了現(xiàn)場建設(shè)的時間，也極大減少了建設(shè)期間可能出現(xiàn)的錯誤和延誤。當(dāng)數(shù)據(jù)中心需要擴展或調(diào)整時，只需增加或減少相應(yīng)的模塊即可，而無需進行大規(guī)模的現(xiàn)場施工，這種快速擴展能力是傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心難以比擬的。模塊化數(shù)據(jù)中心在降低維護時間和成本方面也顯示出優(yōu)勢，維護工作可以局限于特定的模塊，而不會影響整個系統(tǒng)的運作，這種局部維護方式不僅減少了整體的維護成本，也減少了對數(shù)據(jù)中心運營的干擾。模塊化數(shù)據(jù)中心的建設(shè)和擴展過程對現(xiàn)場環(huán)境的干擾較小，使得數(shù)據(jù)中心的建設(shè)更加符合環(huán)境友好、可持續(xù)發(fā)展的趨勢。

預(yù)制化建設(shè)縮短了施工時間。主要組件和模塊在控制良好的工廠環(huán)境中生產(chǎn)，可以并行處理多個建設(shè)任務(wù)，而不受現(xiàn)場條件的限制。這樣的效率加速了整體建設(shè)進程，也使數(shù)據(jù)中心可以更快地投入運營和使用。預(yù)制化建設(shè)降低了現(xiàn)場施工的復(fù)雜性和風(fēng)險。傳統(tǒng)建設(shè)過程中的許多不確定因素，如惡劣天氣條件、現(xiàn)場安全問題和材料供應(yīng)鏈的不穩(wěn)定性，都可以通過工廠化生產(chǎn)得到有效控制。工廠的生產(chǎn)環(huán)境可以承受更嚴格的質(zhì)量控制，確保每個組件的制造都達到高標準，為整個項目的建設(shè)質(zhì)量和可靠性做保障。預(yù)制化方法還減少了對現(xiàn)場環(huán)境的影響，傳統(tǒng)的建筑工程常常涉及大規(guī)模的現(xiàn)場作業(yè)和長期的環(huán)境干擾，而預(yù)制化建設(shè)將這些活動轉(zhuǎn)移到工廠中，大大減輕了對建設(shè)現(xiàn)場周邊環(huán)境的影響，這一點對于位于城市或其他敏感環(huán)境中的項目尤為重要。預(yù)制化建設(shè)不僅提高了建設(shè)效率和項目質(zhì)量，也為數(shù)據(jù)中心的快速部署和靈活擴展提供了有效途徑。隨著技術(shù)的進步和建設(shè)方法的不斷優(yōu)化，預(yù)制化建設(shè)將繼續(xù)在未來的數(shù)據(jù)中心項目中發(fā)揮關(guān)鍵作用，支持業(yè)務(wù)的快速發(fā)展和創(chuàng)新需求。

四、算力中心運營管理優(yōu)化策略

（一）綠色節(jié)能技術(shù)

算力中心的綠色節(jié)能技術(shù)是實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵。在諸多優(yōu)化策略中，利用機器學(xué)習(xí)技術(shù)進行溫度優(yōu)化是一個有前景的方向。通過動態(tài)調(diào)整數(shù)據(jù)中心的溫度設(shè)定點，可以達到最佳的能效表現(xiàn)。例如，基于線性回歸的優(yōu)化技術(shù)已經(jīng)在實踐中證明可以顯著提高電源使用效率（PUE），從而減少冷卻系統(tǒng)的負荷。這種方法利用歷史數(shù)據(jù)建立溫度與能耗之間的線性關(guān)系模型，然后根據(jù)模型預(yù)測的結(jié)果實時調(diào)整溫度設(shè)定值，使之始終保持在最佳的能效點附近。與傳統(tǒng)的固定溫度控制方式相比，動態(tài)優(yōu)化策略可以在保證設(shè)備安全運行的前提下，最大限度地降低能源消耗。除了溫度優(yōu)化，使用數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施管理（DCIM）和計算流體動力學(xué)（CFD）技術(shù)也是提高算力中心運營效率的有效手段。DCIM系統(tǒng)可以全面監(jiān)控數(shù)據(jù)中心的能源使用情況，并提供可視化的能耗分析報告，幫助運營團隊及時發(fā)現(xiàn)和解決能效問題。DCIM與CFD軟件無縫集成，模擬不同設(shè)備布局和氣流組織方案對溫度場的影響，從而優(yōu)化數(shù)據(jù)中心的布局和氣流管理，通過合理布置IT設(shè)備和冷卻設(shè)備，調(diào)整冷熱通道的隔離措施，引導(dǎo)冷量精準送達熱源，顯著改善數(shù)據(jù)中心的溫度分布均勻性，避免局部過冷或過熱現(xiàn)象的發(fā)生，從而在保證設(shè)備可靠運行的同時，最小化冷卻能耗，提高整體能效水平。

近年來，聯(lián)合熱電冷三聯(lián)供技術(shù)在算力中心領(lǐng)域得到越來越多的應(yīng)用。這種技術(shù)通過吸收數(shù)據(jù)中心產(chǎn)生的廢熱，驅(qū)動吸收式制冷機組為數(shù)據(jù)中心提供冷量，同時將余熱用于供暖或者發(fā)電，實現(xiàn)了能源的梯級利用，大大提高了能源利用效率。與傳統(tǒng)的分離式供電供冷方案相比，熱電冷三聯(lián)供系統(tǒng)將數(shù)據(jù)中心的PUE值降低10%以上，不僅節(jié)約了運營成本，更是踐行了綠色低碳的理念。在具體實施過程中，需要針對數(shù)據(jù)中心的負荷特性和當(dāng)?shù)氐臍夂驐l件，合理設(shè)計三聯(lián)供系統(tǒng)的供熱制冷能力和運行參數(shù)，以達到電力和冷量的最佳平衡，實現(xiàn)整體能效的協(xié)同優(yōu)化。與硬件優(yōu)化措施相配套，軟件層面的節(jié)能策略也不容忽視，動態(tài)電源管理就是一個很好的例子。傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心電源系統(tǒng)往往采用恒定的供電電壓，而實際IT設(shè)備的用電負載卻是動態(tài)變化的，導(dǎo)致了能源浪費。動態(tài)電源管理策略根據(jù)實時的負載需求，動態(tài)調(diào)整電源模塊的輸出電壓和供電方式，減少不必要的能耗損失。例如，在負載較低時，選擇高效的單一供電模式，關(guān)閉不需要的電源模塊；而在負載較高時，則切換到冗余供電模式，提高供電可靠性。這種按需供電的策略不僅可以節(jié)約電能，還能延長電源設(shè)備的使用壽命，通過對非關(guān)鍵性負載實施峰值負載抑制（Peak Shaving）等措施，削減高峰用電需求，在降低運營成本的同時，減輕電網(wǎng)的調(diào)峰壓力[3]。

（二）智能化運營管理

隨著算力中心規(guī)模和復(fù)雜度的不斷增長，傳統(tǒng)的人工運維方式已經(jīng)難以滿足高效率、高可靠、低成本的要求。因此，引入智能化的運營管理技術(shù)和手段成為算力中心優(yōu)化的必然選擇。先進的智能監(jiān)控系統(tǒng)和自動化管理工具，顯著提升算力中心的運營效率，降低人力成本，減少因人為失誤導(dǎo)致的故障風(fēng)險，同時還能增強系統(tǒng)的可靠性和安全性。在眾多智能化運營管理的優(yōu)化策略中，構(gòu)建一個集成的監(jiān)控與管理平臺是至關(guān)重要的基礎(chǔ)。這個平臺需要能夠覆蓋數(shù)據(jù)中心的各個方面，包括IT設(shè)備、環(huán)境設(shè)施、電力系統(tǒng)、安防系統(tǒng)等，實現(xiàn)對各類設(shè)備和環(huán)境參數(shù)的實時采集、展示、分析和控制。通過數(shù)據(jù)的綜合集成和關(guān)聯(lián)分析，智能監(jiān)控平臺準確評估當(dāng)前的資源利用狀況、能耗水平、健康度等關(guān)鍵運營指標，并通過可視化的儀表盤和報表，直觀地向運維人員呈現(xiàn)，從而支撐管理決策。同時，平臺還應(yīng)具備異常檢測和智能告警的能力，主動識別各種潛在的故障隱患，并采取自動化的應(yīng)對措施，及時處置突發(fā)事件，最大限度地降低故障導(dǎo)致的損失。

在算力中心的海量監(jiān)測數(shù)據(jù)中往往存在大量的噪聲和冗余，給實時分析和決策帶來挑戰(zhàn)。因此，智能監(jiān)控系統(tǒng)還需要引入復(fù)雜事件處理（CEP）技術(shù)，對各類監(jiān)測數(shù)據(jù)和事件流進行實時過濾、關(guān)聯(lián)、聚合和模式匹配，快速甄別有價值的信息，實現(xiàn)從數(shù)據(jù)到?jīng)Q策的自動化流程。CEP引擎通過用戶自定義的規(guī)則，靈活設(shè)置各種閾值條件和觸發(fā)動作，自動響應(yīng)不同的監(jiān)測事件。例如，當(dāng)環(huán)境溫度或者設(shè)備能耗超過預(yù)設(shè)的安全范圍時，系統(tǒng)自動觸發(fā)空調(diào)或者休眠等控制指令，及時降低風(fēng)險，CEP通過多個事件的時序關(guān)聯(lián)，智能診斷問題的根本原因，減少人工分析的工作量[4]。

五、算力中心運營管理案例分析

（一）國內(nèi)外典型算力中心案例

華為云數(shù)據(jù)中心是中國領(lǐng)先的云計算和數(shù)據(jù)中心解決方案提供商之一，他們采用了先進的智能化運營管理系統(tǒng)，以確保數(shù)據(jù)中心的高效、可靠運行。對華為云數(shù)據(jù)中心運營管理進行了詳細分析，使用了eSight ICT統(tǒng)一管理系統(tǒng)實時監(jiān)控和管理數(shù)據(jù)中心的各種環(huán)境參數(shù)，如溫度、濕度、供電情況等。通過這套集成的智能化運營管理平臺，華為能夠?qū)崟r監(jiān)控、優(yōu)化環(huán)境參數(shù)，確保數(shù)據(jù)中心在最佳條件下運行，減少能耗和運營成本，可視化管理簡化運營流程。華為云數(shù)據(jù)中心還采用了先進的自動化管理工具，自動化控制系統(tǒng)用于監(jiān)控和調(diào)整數(shù)據(jù)中心的冷卻系統(tǒng)和電力系統(tǒng)，實現(xiàn)最優(yōu)性能。例如，通過自動化控制系統(tǒng)可以動態(tài)調(diào)整空調(diào)的工作狀態(tài)，確保溫度和濕度在設(shè)定范圍內(nèi)，降低能源消耗。采用模塊化的數(shù)據(jù)中心設(shè)計，使得數(shù)據(jù)中心能夠快速響應(yīng)業(yè)務(wù)需求的變化，提高靈活性和可擴展性。這種設(shè)計不僅簡化了數(shù)據(jù)中心的建設(shè)和擴展過程，還提高了維護和管理的便捷性。華為還使用了Stratus everRun軟件，通過冗余設(shè)計和故障轉(zhuǎn)移機制確保業(yè)務(wù)的連續(xù)性和數(shù)據(jù)的完整性。在能源優(yōu)化方面，華為采用了Cold Logik和RDHx解決方案，顯著降低了能源和冷卻成本。利用先進的冷卻技術(shù)使得華為能夠在不增加物理空間的情況下增加更多的服務(wù)器，滿足不斷增長的業(yè)務(wù)需求。在陜西省財政廳的金融管理信息化建設(shè)中，華為云平臺通過共享服務(wù)平臺提高了組織架構(gòu)的清晰度和員工的工作效率，推動了財政向價值創(chuàng)造的轉(zhuǎn)型。

谷歌的數(shù)據(jù)中心是全球最先進和最知名的算力中心之一，采用了一系列智能化運營管理和綠色節(jié)能技術(shù)，使數(shù)據(jù)中心保持高效和可持續(xù)運行。谷歌使用了高度智能化的監(jiān)控系統(tǒng)，實時監(jiān)控和管理所有關(guān)鍵設(shè)備和環(huán)境參數(shù)。這些系統(tǒng)使用先進的傳感器和數(shù)據(jù)分析工具，允許實時檢測和預(yù)測設(shè)備故障，優(yōu)化資源配置。他們利用機器學(xué)習(xí)和人工智能技術(shù)優(yōu)化數(shù)據(jù)中心的能耗管理。通過分析傳感器數(shù)據(jù)優(yōu)化冷卻系統(tǒng)的運行，從而降低能耗，提高能源效率。據(jù)研究，谷歌通過這一方法實現(xiàn)了40%的冷卻能耗節(jié)省。谷歌與艾倫·麥克阿瑟基金會合作，致力于在數(shù)據(jù)中心實施循環(huán)經(jīng)濟原則，最大限度地利用和再利用所有材料。他們的主要策略包括維護、翻新、再利用和回收。例如，谷歌定期對服務(wù)器和其他設(shè)備進行翻新和再利用。當(dāng)服務(wù)器部件需要更換時，谷歌優(yōu)先使用翻新部件，這些部件從之前的谷歌服務(wù)器中回收而來。谷歌是全球最大的企業(yè)級可再生能源購買者之一，所有數(shù)據(jù)中心都使用100%可再生能源供電，不僅減少了碳足跡，還大大降低了運營成本，實現(xiàn)數(shù)據(jù)中心的高效運行和環(huán)境保護的雙贏目標。

（二）案例中的優(yōu)化策略應(yīng)用

華為和谷歌的優(yōu)化策略使用eSight ICT統(tǒng)一管理系統(tǒng)，減少能耗和運營成本，提高管理效率；使用自動化控制系統(tǒng)監(jiān)控和調(diào)整冷卻系統(tǒng)和電力系統(tǒng)，模塊化設(shè)計快速響應(yīng)業(yè)務(wù)需求；使用Stratus everRun軟件，減少停機時間和保障數(shù)據(jù)安全；采用Cold Logik和RDHx解決方案優(yōu)化冷卻系統(tǒng)，降低能源和冷卻成本，增加服務(wù)器容量[5]。這里面值得大家借鑒的智能化管理與實時監(jiān)控顯著提高了數(shù)據(jù)中心的運營效率和可靠性；使用可再生能源和遵守循環(huán)經(jīng)濟原則，實現(xiàn)了高效運行和環(huán)境保護的雙贏目標；模塊化設(shè)計和冗余系統(tǒng)確保了數(shù)據(jù)中心能夠快速響應(yīng)業(yè)務(wù)需求變化，保障業(yè)務(wù)連續(xù)性。

六、未來發(fā)展方向與挑戰(zhàn)

現(xiàn)在發(fā)展的AI和機器學(xué)習(xí)未來廣泛應(yīng)用于數(shù)據(jù)中心的監(jiān)控和管理中。利用AI技術(shù)數(shù)據(jù)中心可以實現(xiàn)自我優(yōu)化、自我修復(fù)和預(yù)防性維護。機器人可以提供服務(wù)器的自動化安裝和維護，減少人工干預(yù)，從而提高效率。區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)中心可以實現(xiàn)高度安全的分布式數(shù)據(jù)管理和透明的資源調(diào)度。太陽能、風(fēng)能等可再生能源結(jié)合能源存儲技術(shù)，可以使數(shù)據(jù)中心不停電。

就未來的挑戰(zhàn)而言，專業(yè)人才的短缺現(xiàn)象日益嚴重，技術(shù)的不斷迭代需要現(xiàn)有人員持續(xù)培訓(xùn)和技能更新，以適應(yīng)新技術(shù)和工具。IT設(shè)備在技術(shù)的快速發(fā)展下，數(shù)據(jù)中心需要頻繁更新和更換設(shè)備，增加了管理復(fù)雜性和成本。通過不斷的創(chuàng)新和優(yōu)化管理策略，這些挑戰(zhàn)可以得到有效應(yīng)對，為算力中心的持續(xù)發(fā)展提供保障。

七、結(jié)語

本文探討了算力中心的構(gòu)建與運營管理是現(xiàn)代信息技術(shù)發(fā)展的重要環(huán)節(jié)。通過采用先進的智能化管理系統(tǒng)和綠色節(jié)能技術(shù)，數(shù)據(jù)中心能夠?qū)崿F(xiàn)高效、可靠和可持續(xù)的運營。利用華為云數(shù)據(jù)中心和谷歌數(shù)據(jù)中心的案例，看到了模塊化設(shè)計、預(yù)制化建設(shè)、一體化管理、自動化控制、AI與機器學(xué)習(xí)優(yōu)化能耗管理等策略的實施效果。未來算力中心將繼續(xù)在智能化、綠色節(jié)能和靈活設(shè)計方面進行探索和創(chuàng)新，讓新技術(shù)和政策的結(jié)合應(yīng)對能源效率、數(shù)據(jù)安全、技術(shù)更新和人才短缺等挑戰(zhàn)，推動算力中心的持續(xù)發(fā)展和優(yōu)化。不斷的技術(shù)創(chuàng)新和管理優(yōu)化將能夠更好地支持各種復(fù)雜計算任務(wù)與滿足不斷增長的業(yè)務(wù)需求。

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作者單位：重慶純智信息技術(shù)有限公司

■ 責(zé)任編輯：王穎振、楊惠娟