如何降低數據中心能耗? - 全文

　　由于目前經濟不景氣，數據中心經理不得不在有限的資金預算條件下滿足苛刻的業(yè)務需求。他們一直在千方百計的削減運營成本，目前數據中心運營成本中增長最快，所占份額最大的部分是能源成本，而然這些能源中的大部分被服務器和冷卻系統所消耗。

　　不幸的是，目前大多數高效的節(jié)能技術都需要相當可觀的前期投資，并且在數年后才會帶來回報。然而人們卻忽視了一些幾乎不需要什么成本的技術，原因在于這些技術看起來不切實際，或是過于極端。我們在以下為大家列出的8種節(jié)能方法已經在實際的數據中心環(huán)境中測試過，并且被證明十分有效。其中一些方法幾乎不需要任何投資，大家可以立即采用，另外一些方法可能需要一些資金，但是與傳統的IT資本支出回報率相比，獲得回報的周期要更短。

　　數據中心能源效率的衡量標準是能源利用率(PUE)，也就是數值越低越好，1.0是一個理想數值。PUE指數據中心總電力消耗量與轉化為有效計算任務的電力消耗的比值。2.0意味著輸入數據中心的2瓦電力中只有1瓦輸入到服務器，損失的電力轉化為了熱能，這導致傳統的數據中心冷卻系統需要消耗電力去散熱。

　　以下這些技術或許并不能降低你的 PUE值，但是你可以通過檢查每月的賬單來評估它們的效率。節(jié)約資金才是真正的目的所在。

　　在我們列出的方法中，你找不到太陽能、風能或是氫能源。因為這些替代能源需要對先進技術進行大量投資。在目前的經濟危機中，這無疑無法馬上實現成本節(jié)約。相比之下，以下這8種方法除了風扇、通風和管道外均不需要任何其他復雜的技術。

　　這8種方法分別是：

　　極端節(jié)能方法1：調高溫度設置。你在今天下午就可以使用這種最簡單的節(jié)能方法：調高數據中心恒溫器的溫度設定值。傳統觀念認為數據中心溫度應當設定在華氏68度以下。通常人們認為，這種溫度設置能夠延長設備的使用壽命，萬一冷卻系統失靈，管理員也可以獲得更多的反應時間。

　　但是經驗告訴我們，服務器組件如果發(fā)生故障，尤其是硬盤發(fā)生故障將會導致運行溫度上升。但是近些年來，IT經濟已經跨越了一個重要閾值：服務器運營成本通常會超過購置成本。這使得削減運營成本的優(yōu)先權要高于硬件保護。

　　在去年召開的GreenNet 會議上，谷歌的“綠色能源沙皇”Bill Weihl介紹了谷歌提高數據中心溫度設置的經驗。他稱， 華氏80度是新的安全設置溫度。不過你的數據中心需要首先滿足一個簡單的先決條件：盡可能地將冷卻用的冷空氣與冷卻后產生的熱空氣相隔離，如果需要，可以使用厚塑料門簾或是隔熱板。

　　盡管谷歌稱華氏80度是安全的溫度，但是微軟的經驗告訴我們可以將溫度設置的更高些。微軟在愛爾蘭都柏林的數據中心使用的是“無冷卻器”模式，它們用免費的外部空氣進行冷卻，服務器進風口的溫度為華氏95度。需要注意的是，隨著設定溫度的提高，會出現一個收益遞減點，因為服務器風扇轉速的增加將導致能源消耗增長。

　　極端節(jié)能方法2：關閉不使用的服務器。虛擬化為我們展示了讓不使用的處理器、硬盤和內存休眠所帶來的節(jié)能優(yōu)勢。那么為什么不關閉整個服務器呢?讓服務器時刻處于準備狀態(tài)所帶來的“商業(yè)靈活性”是否與它們消耗的能源成本等值呢?你是否已經找到了一些可以關閉服務器的情況，如果關閉了服務器，那么你將獲得最低的能源消耗值——0，至少對于服務器來說是這樣。不過，你首先需要面對的是那些異議人士提出的反對意見。

　　他們往往認為重新啟動會降低服務器的平均壽命，因為電壓會加載在主板電容器等一些非熱拔插組件上。這種想法已經被證明是錯誤的：實際情況是，服務器的組件與汽車和醫(yī)療設備等一些頻繁啟動的設備所用的組件是相同的。沒有證據能夠證明頻繁啟動將降低服務器的MTBF(平均故障間隔時間)。

　　第二個錯誤認識是，服務器啟動需要很長時間。對于這種情況，你可以通過關閉啟動時的診斷檢查，從硬盤鏡像啟動，以及利用一些硬件具有的熱啟動功能縮短啟動時間。

　　第三種反對意見是：如果我們必須啟動一臺服務器以適應增加的負載，這時用戶不希望等待——無論啟動速度有多快。然而，即使程序申請速度非常慢，大多數應用架構都不會拒絕新用戶，這樣一來，用戶根本意識不到他們是在等待服務器啟動。事實證明，當應用受到使用人數限制影響時，只要能夠向用戶發(fā)出“我們正在啟動更多的服務器以提高你的申請速度”這一信息，用戶是愿意進行等待的。

　　極端的節(jié)能方法3：使用免費的外部空氣進行冷卻。較高的數據中心溫度設置將為你使用第二種節(jié)能方法做好準備，即所謂的免費空氣冷卻。這將方法將溫度較低的外部空氣作為冷卻空氣來源，不再需要昂貴的冷卻器，微軟設在愛爾蘭的數據中心使用的就是這種方法。如果你試圖將溫度維持在華氏80度，而外部空氣只有華氏70度，只需將外部空氣吹入數據中心即可進行冷卻。

　　與方法1相比，這種方法需要花費一些精力。你必須重新布置通風管道，以讓外部空氣吹入數據中心內。此外，還需要安裝一些基本的安全設備，如空氣過濾器、干燥器、防火風閘和溫度傳感器，以確保外部空氣不會損壞精密的電子設備。

　　在試驗中，英特爾通過使用外部空氣冷卻方法成功的降低了74%的能源消耗。在兩組服務器中，第一組使用傳統的冷卻器進行降溫，第二組使用外部空氣冷卻系統與冷卻器聯合冷卻方式，兩組服務器運行了十個月。其中，第二組服務器有91%的時間使用的是外部空氣冷卻。英特爾發(fā)現使用外部空氣冷卻的服務器上積有大量灰塵，這表明該系統除需要安裝大顆粒雜質過濾器外，還需要安裝一個細顆粒雜質過濾器。此外，由于需要頻繁更換過濾器，因此在實際使用中需要采用易清潔并可反復使用的過濾器。

　　盡管積灰嚴重，溫度變化范圍較大，但是英特爾發(fā)現使用外部空氣冷卻的服務器故障率并沒有增加。據此，以一個功率為10兆瓦數據中心為例，每年可節(jié)約冷卻成本300萬美元，以及7600萬加侖水，在某些地區(qū)水的價格非常高。

　　極端節(jié)能方法4：用數據中心冷卻后產生的熱空氣為辦公室供暖。你可以通過用數據中心冷卻后產生的熱空氣為辦公室供暖的辦法將節(jié)能效果提高一倍。同樣，你也可以使用辦公室里溫度相對低的空氣為數據中心降溫。在天冷的時候，你可以獲得充足的暖氣。與此同時，數據中心額外的冷卻空氣需求可以完全從外部中獲取。

　　與外部空氣冷卻不同，你可能不再需要目前的取暖系統。也就是說，你不再需要一個一人多高的取暖爐。你也不用擔心數據中心電子設備在產生的熱量時會施放出有害物質。如今符合《關于限制在電子電器設備中使用某些有害成分的指令》(RoHS)的服務器在生產時已經不再使用污染環(huán)境的鎘、鉛、水銀和多溴化合物等材料。

　　與外部空氣冷卻方法一樣，你需要的唯一技術是采暖通風與空調系統(HVAC )方面的經驗：風扇、通風管道和恒溫器。你會發(fā)現你的數據中心可提供足夠的熱量，能夠替代傳統的取暖系統。IBM位于瑞士Uitikon的數據中心為當地方居民免費供暖，節(jié)約的能源成本相當于80戶居民的取暖費用。TelecityGroup Paris甚至將數據中心冷卻后產生的熱空氣常年供應一些溫室以支持氣候變化研究。

　　重新布置你的取暖系統可能需要花費一周的時間，但是由于成本很低，你在一年內，甚至更短的時間內即可獲得收益。

　　極端節(jié)能方法5：為頻繁讀取的數據集配置SSD(固態(tài)硬盤)。由于讀取速度快、功耗低、發(fā)熱量小，因此SSD在上網本、平板電腦和筆記本電腦上非常流行。SSD也可以使用在服務器上，但是其成本高、可靠性低等缺點阻礙了其在服務器上的部署。幸運的是，SSD的價格在近兩年出現了大幅下降，數據中心可通過部署SSD實現快速節(jié)能，你只需將一些應用存儲在SSD上即可。如果配置合理，SSD可大幅降低磁盤陣列的能源和冷卻成本。其大約可以減少50%的電力消耗，發(fā)熱量幾乎為零。

　　SSD無法克服的一個問題是寫入操作次數有限。目前適合服務器存儲的單層單元(SLC)固態(tài)硬盤的寫入次數約為500萬次。低成本的消費級多層單元(MLC)固態(tài)硬盤雖然容量比SLC固態(tài)硬盤要大，但是壽命僅為后者的十分之一。

　　好消息是，你可以從市面上買到接口兼容的固態(tài)硬盤，以替代現有的高能耗、高發(fā)熱量的機械硬盤。為了迅速降低能耗，可將一些通常只需要讀取的數據集存儲在SSD上，如流視頻文件。這樣就不會遇到SSD的寫入次數限制問題。除了降低能源和冷卻成本外，啟動速度也將大幅提升。

　　此外，在選擇固態(tài)硬盤時，應當選擇服務器專用固態(tài)硬盤，而不要選擇臺式機專用固態(tài)硬盤。服務器專用固態(tài)硬盤為了提高吞吐量，多采用多通道架構。常用的SATA 2.0接口的固態(tài)硬盤傳輸速率為3Gbps，而日立與英特爾聯合推出的Ultrastar高端SAS固態(tài)硬盤的傳輸速率可達到6Gbps，容量可達400GB。盡管SSD 還存在一些設計缺陷，但這主要涉及到臺式機和筆記本電腦固態(tài)硬盤的BIOS密碼和加密問題，而服務器專用固態(tài)硬盤根本不存在這方面的問題。

　　極端節(jié)能方法6：在數據中心使用直流電。是的，重新使用直流電。道理很簡單：服務器在內部使用的是直流電，這樣可能消除為服務器供電時將交流電轉換為直流電這一環(huán)節(jié)，實現迅速節(jié)能。

　　在21世紀初，直流電在數據中心中非常流行。因為當時數據中心的服務器電源轉換效率僅為75%。但是隨著電源轉換效率的提高，數據中心開始采用效率更高的208伏交流電。到2007年，直流電已經不再流行。然而在2009年，直流電又重新流行起來，這要歸功于高電壓數據中心產品的出現。

　　在早期的數據中心當中，電力公司輸出的 16000伏交流電先被轉換為440伏交流電，然后再轉換為220伏交流電，最后再轉換為110伏交流電后才提供給服務器。每一次變壓都會浪費一些電力，由于轉換率低于百分之百，損失的電力被轉化為熱能(由于需要冷卻系統將這些熱量散掉，因此將導致更多的電費開支)。直接轉換為 208 伏交流電可以減少一次變壓，當時服務器內置電源最大效率為95%。

　　到了2009年，新的數據中心設備可以將電力公司輸出的13000伏交流電直接轉換為575 伏直流電輸入到服務器機架上。服務器機架將575 伏直流電一次性轉換為48 伏直流電后直接為機架上的服務器供電。每一次轉換時的效率都是老式AC 變壓技術的兩倍，并且轉化的熱量也更少。盡管廠商宣稱，可以節(jié)約50%的能耗，不過大多數專家認為節(jié)約能耗25%更為可信。

　　這種方法需要一些資金投入，不過所涉及的技術并不復雜，并且已經被證實十分有效。一個潛在的隱性開銷是48伏 直流電傳輸需要較粗的銅電纜。焦耳定律告訴我們，在功率相同的情況下，由于電流更大，低電壓比高電壓需要更粗的導線。

　　極端節(jié)能方法7：將熱量排入地下。在氣候比較溫暖的地區(qū)，外部空氣冷卻無法常年使用。比如，愛荷華州冬天的氣溫不是非常低，但是夏天的溫度卻非常高，空氣的溫度在華氏90至100度左右，這種溫度不適合使用外部空氣進行冷卻。

　　通常地下數英尺處的溫度相對較低，并且比較衡定。地下幾乎不會受到如下雨、酷暑等戶外天氣的影響。如果將管道埋至地表深處，吸收了服務器熱量的冷卻水將在地下進行循環(huán)，這樣冷卻水的熱量就被周圍溫度較低的土壤所吸收。

　　雖然這一技術并不復雜，但是地溫冷卻需要大量的管道。與此同時，建立一個成功的地溫冷卻系統需要進行仔細的分析和計算。由于數據中心是持續(xù)產生熱量，單一的地溫冷卻槽將導致周圍土壤溫度飽和，進而導致冷卻系統失靈。你需要分析一下數據中心周邊土地的散熱能力，確定特定區(qū)域內能夠吸收多少熱量，地下含水層是否能夠提高散熱能力。此外，還需要確定這一方法是否，以及會對環(huán)境帶來什么影響。

　　極端節(jié)能方法8：通過管道將熱量排到大海里。與地溫冷卻系統不同，大?？梢詿o限地吸收數據中心排出的熱量。海水冷卻系統與地溫冷卻系統相似，不過你需要有充足的水源，如位于美國與加拿大邊境的五大湖可以作為冷卻水源。

　　將海水作為數據中心的冷卻水是最為理想的情況。在濱海地區(qū)，通過熱交換器，海洋可為數據中心降溫。谷歌在2007年為此申請了專利。不過，谷歌的海水散熱方案并不適合我們，因為在谷歌的方案中首先要擁有一座島嶼。

　　如果你的數據中心緊鄰海邊、大型湖泊或是內陸水道，那就情況就非常簡單。數十年來，核電站就一直在用海水或湖水降溫。“瑞典計算機”網站在去年秋天曾經報道稱，谷歌在芬蘭Hamina將一個紙漿廠改造成了一個采用這種冷卻方式的數據中心。該數據中心將冰冷的波羅的海海水作為唯一的冷卻方式。與此同時，這些海水還作為數據中心的緊急消防用水。谷歌的實踐證明該方案具有極高的可靠性。由于原紙漿廠已經鋪設了用于從波羅的海抽取海水的直徑2英尺的管道，因此谷歌在改造時省去了不少開銷。

　　淡水湖也可以用于冷卻數據中心。美國康奈爾大學位于紐約伊薩卡的校區(qū)利用附近的卡尤加湖為其數據中心和整個校園提供冷卻用水。為此，該校區(qū)在2000年率先建立起了一個名為“湖水冷卻系統”的冷卻設施。該設施每小時可抽取3.5萬加侖水，并將這些華氏39度的湖水輸送至2.5英里處的校園內。

　　無論淡水還是海水冷卻系統都需要一個昂貴的組件——用于冷卻數據中心的熱交換器。這種熱交換器可將用于直接冷卻數據中心的冷卻水與外部抽取過來的天然冷卻水隔離。這種隔離是必須的，萬一出現泄漏，既可保護環(huán)境，也可以保護精密的服務器設備。除了昂貴的熱交換器外，海水或湖水冷卻系統只需要一些普通的水管。

　　你希望節(jié)省多少資金呢?這些技術的價值在于它們并不互相排斥：你可以同時使用多種方法來實現你的短期目標和長期目標。你可以先采用最簡單的辦法——提高數據中心的溫度設置，然后再根據節(jié)約情況評估一下剩余的其它節(jié)能七種方法