節能減排技術在數據中心的應用研究
2012-03-15
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IT商業新聞網 編輯：sam
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本文根據(ju)數據(ju)中心節能方面目前的發展情況，提出(chu)一些技(ji)術使(shi)企業數據(ju)中心實(shi)現節能。使(shi)用這些技(ji)術，不僅可節約(yue)大量電費(fei)支出(chu)和延長設(she)備(bei)壽命(ming)，同時減少數據(ju)中心對環境的影響，為(wei)企業樹立環保(bao)的形象。
引言
隨著信息全(quan)球化(hua)，在全(quan)世(shi)界范圍內數(shu)(shu)據中(zhong)(zhong)心(xin)被大量(liang)建立，數(shu)(shu)據中(zhong)(zhong)心(xin)的能(neng)耗(hao)及所產生(sheng)環境問題成(cheng)為人們(men)關(guan)心(xin)的重點。據報告，一個典(dian)型數(shu)(shu)據中(zhong)(zhong)心(xin)所需要能(neng)量(liang)可供3萬個家(jia)庭使用。最(zui)近就有人指責，在google中(zhong)每進行兩次(ci)搜索就會生產(chan)15克二氧化碳，所消耗(hao)能量(liang)大(da)約與燒開(kai)一壺(hu)水(shui)能量(liang)相當，但據google稱，每做一次(ci)搜索會產生0. 2克的二氧化碳。從數據調查情況來看，從2006到2007年數據中心(xin)能耗增長了超過13% ，其(qi)費用支出從2000年以(yi)來(lai)增加了一倍(bei)，預計到2012將達到40萬億。
隨著全球氣候變化，人們越(yue)(yue)來越(yue)(yue)重視對(dui)環境的(de)保護，對(dui)各種產品（汽(qi)車、空調、冰箱等）的(de)能耗(hao)標(biao)準(zhun)都(dou)有明確要(yao)求，但數(shu)據中心能耗(hao)標(biao)準(zhun)還沒有制定，企業(ye)只是感覺到數(shu)據中心所消耗(hao)電能越(yue)(yue)來越(yue)(yue)多，維(wei)護數(shu)據中心成(cheng)本在增加(jia)。隨著2008年全(quan)球出現金(jin)融危機，許多企業(ye)都(dou)在大幅(fu)度壓縮(suo)成本和(he)減少開支，與此形成隨著全(quan)球氣候變化，人們越(yue)來(lai)(lai)越(yue)重視(shi)對環境的保(bao)護，對各種產品（汽(qi)車、空調、冰箱等(deng)）的能耗標準(zhun)都(dou)有(you)明確要求，但數據(ju)中(zhong)心能耗標準(zhun)還沒有(you)制定，企業(ye)只是感(gan)覺到數據(ju)中(zhong)心所消耗電能越(yue)來(lai)(lai)越(yue)多，維(wei)護數據(ju)中(zhong)心成本在增加。隨著2008年(nian)全球出(chu)現金融危機，許(xu)多企(qi)業(ye)(ye)都(dou)在(zai)大(da)幅度壓縮成(cheng)本和減(jian)少開支，與此(ci)形成(cheng)鮮明對比的(de)(de)(de)是數(shu)據中(zhong)心(xin)海量的(de)(de)(de)數(shu)據增長速(su)度對存儲(chu)、能(neng)耗(hao)提出(chu)了要(yao)(yao)求。如(ru)何實現數(shu)據中(zhong)心(xin)節(jie)能(neng)降(jiang)耗(hao)成(cheng)為(wei)企(qi)業(ye)(ye)、廠(chang)商共同目標，許(xu)多廠(chang)商都(dou)把節(jie)能(neng)產(chan)品(pin)作為(wei)銷售產(chan)品(pin)時的(de)(de)(de)一個亮點，企(qi)業(ye)(ye)則(ze)將節(jie)能(neng)降(jiang)耗(hao)作為(wei)降(jiang)低(di)成(cheng)本和樹(shu)立企(qi)業(ye)(ye)形象(xiang)重要(yao)(yao)內容(rong)。廠(chang)商、企(qi)業(ye)(ye)要(yao)(yao)實現節(jie)能(neng)降(jiang)耗(hao)不僅依靠(kao)技術的(de)(de)(de)創新，更需要(yao)(yao)用(yong)戶(hu)優化(hua)數(shu)據中(zhong)心(xin)設(she)計(ji)。因(yin)此(ci)設(she)計(ji)、建造并啟用(yong)高性(xing)能(neng)、低(di)能(neng)耗(hao)的(de)(de)(de)數(shu)據中(zhong)心(xin)已(yi)成(cheng)為(wei)一項重要(yao)(yao)工(gong)作。
1 基礎設施的節(jie)能降耗(hao)問題
據統(tong)計，大(da)多數數據中心(xin)超過50%的(de)電力(li)資源被UPS、空調等機房基礎設施消(xiao)耗。剩(sheng)余能(neng)源才(cai)被服務器、存(cun)儲、網絡等IT設(she)備消(xiao)耗。目(mu)前，國際上采(cai)用PUE通行的(de)指標來衡(heng)量數據中心的(de)電力使用率(lv)PUE=數據中(zhong)心的總功耗/IT設(she)備的總功耗(hao)。國外(wai)先進機房的PUE值可以(yi)達到(dao)1. 7，而我國(guo)數據中心的(de)PUE的平均值(zhi)在2. 5以上(shang)。
降低PUE值，必須在IT設備總(zong)量不變的情況下，降低空調、UPS等(deng)基礎設施的電力消耗。
（1）降低數(shu)據中心的(de)制冷(leng)能耗
降低制(zhi)(zhi)冷能耗是減少數(shu)據(ju)中(zhong)心總能耗的(de)(de)關鍵，由于傳統的(de)(de)數(shu)據(ju)中(zhong)心沒(mei)有(you)根據(ju)空(kong)氣動力(li)學來設計通風系統，通常出(chu)現局部溫(wen)(wen)度(du)(du)過(guo)高，空(kong)調(diao)制(zhi)(zhi)冷并未達到預期的(de)(de)目的(de)(de)，不僅能耗上有(you)損失，且溫(wen)(wen)度(du)(du)控制(zhi)(zhi)效果不理(li)想。隨著局部溫(wen)(wen)度(du)(du)的(de)(de)升(sheng)高，IT硬件(jian)的(de)可靠(kao)性大幅(fu)降低(di)，據估計，溫度每升高10℃，電子(zi)設(she)備的(de)長期可靠(kao)性降低(di)50%。通常的做法是，調低數據中心機房空調設定溫度(du)（過度(du)制(zhi)冷），但隨(sui)著(zhu)設備(bei)的增長(chang)，制(zhi)冷方面的能耗也不斷增長(chang)，從而造成一種惡(e)性循(xun)環。
事實上，根據ASH-RAE，機柜(ju)溫(wen)度達到華氏77°F（攝氏25℃）是沒有問(wen)題的，只要各個位置(zhi)的溫度(du)保持相對一致(zhi)。數據(ju)中(zhong)心可(ke)能(neng)通(tong)過(guo)智能(neng)PDU溫度傳感器(qi)放置在機加(jia)冷(leng)空氣人口的底(di)部、中(zhong)間(jian)和頂部，IT管(guan)理員不僅可以(yi)確定系統有(you)沒有(you)對(dui)服(fu)務(wu)器過度冷卻，還(huan)能(neng)確定冷空氣(qi)是否在高效地通過這些地方。溫度傳感器也可以(yi)放置(zhi)在機架(jia)的(de)(de)尾部(bu)或熱空氣(qi)出口(kou)，以(yi)監(jian)測排出空氣(qi)的(de)(de)溫度，為制(zhi)定更(geng)加合理制(zhi)冷方案提供依(yi)據，從而(er)有(you)效降低制(zhi)冷的(de)(de)能(neng)耗。
（2）提高UPS性能
一般數據中心都不是(shi)一步(bu)到位，都會考慮未來(lai)幾年(nian)的需求，但(dan)是(shi)UPS一般(ban)都是一步(bu)到位，一次上(shang)了幾套大(da)功率(lv)的UPS并機(ji)，結果初期負載只有(you)10%~20%，沒(mei)等待到規劃的負載就(jiu)進入(ru)了設備淘汰期，不僅造成投資(zi)的浪費，而且也(ye)無法使(shi)UPS運行在(zai)較高的效率點，造(zao)成電能的浪(lang)費。
盡量(liang)采購效率更(geng)高的UPS。當然UPS效(xiao)率高不(bu)僅僅要是滿載效(xiao)率高，同時(shi)也(ye)必需具備一個較(jiao)高的效(xiao)率曲(qu)線(xian)，特別是在1+1并(bing)機(ji)系統(tong)時，根據系統(tong)規劃，每臺(tai)UPS容(rong)量不得大于50%，如果此次效率僅(jin)為90%以下，就算滿載效率達到(dao)95%以上，也(ye)是沒有意義的(de)，所以要求UPS必需采用一下措施(shi)優化效(xiao)率(lv)虛線(xian)，使UPS效(xiao)率(lv)在較低負載時能達到較高的效(xiao)率(lv)。
（3）減少外(wai)部和(he)內(nei)部環境對數(shu)據(ju)中心的能耗影(ying)響
內、外部(bu)環(huan)(huan)境對數據(ju)(ju)中(zhong)心能耗影響十分(fen)重要(yao)。數據(ju)(ju)中(zhong)心機(ji)房盡量選用節能材料，數據(ju)(ju)中(zhong)心機(ji)房要(yao)避(bi)免外面環(huan)(huan)境對其內部(bu)溫度(du)的影響，過熱的外部(bu)環(huan)(huan)境都會(hui)使數據(ju)(ju)中(zhong)心機(ji)房產生不必要(yao)的制冷(leng)能耗。同時數據(ju)(ju)中(zhong)心機(ji)房內部(bu)可以采用節能燈進行照明，關閉不必要(yao)的外部(bu)附屬沒備(bei)如顯示器(qi)等方式來(lai)實(shi)現降低能耗。
2硬件設備節(jie)能的問(wen)題
（1）服務器節能(neng)技術
服務器是數據中心的核心設備，其能耗問(wen)題也(ye)要引起注意，服務器每(mei)產生1w的熱量都需要制冷系統啟動以達到恒(heng)溫。2007年(nian)以(yi)后服務器節(jie)能技術將趨于成(cheng)熟，節(jie)能逐漸(jian)成(cheng)為(wei)了服務器技術的關鍵(jian)詞。在芯(xin)片級(ji)的節(jie)能技術方面，如Intel的(de)EIST（ Enhanced Intel Speedstep Technology）省電技術、AMD的PowerNow！ IBM的高熱傳導界(jie)面芯片(pian)冷(leng)卻技(ji)術(shu)等。研(yan)究表明，采用節能(neng)技(ji)術(shu)的服務器大約節約30%能耗，因此購買節能性服務器是十(shi)分必(bi)要(yao)。
根據摩(mo)爾定律，“每18個月處(chu)理(li)器性能提高一(yi)倍，而價格下降一(yi)倍”，也就意味著“用一個美元所能買到的電(dian)腦性能，每隔18個月就翻(fan)兩番”。因(yin)此對于一(yi)些(xie)使用多年性能差、體積大(da)的服(fu)務(wu)器(qi)應(ying)采用淘汰方式處理。一(yi)臺(tai)新型(xing)服(fu)務(wu)器(qi)性能上面(mian)可以替代4一(yi)5臺老式(shi)服(fu)(fu)務器(qi)，且耗(hao)能卻是比一臺老式(shi)服(fu)(fu)務器(qi)還少(shao)，產(chan)生(sheng)的(de)熱量也少(shao)。目(mu)前刀(dao)片式(shi)服(fu)(fu)務器(qi)產(chan)品在多核、低功耗(hao)技術的(de)推動下將從最初追求高密度(du)的(de)刀(dao)片服(fu)(fu)務器(qi)，發展到強(qiang)調整體綜(zong)合性(xing)能、高生(sheng)產(chan)力的(de)新一代的(de)刀(dao)片產(chan)品，也是值(zhi)得關(guan)注。
（2）存儲(chu)技(ji)術節能問(wen)題
根據IDC的一項調(diao)查顯示，全球數據量在未來十年，將以(yi)每年50. 6%的(de)(de)綜合(he)增(zeng)(zeng)(zeng)長率迅(xun)速膨(peng)脹。面對海量的(de)(de)存(cun)儲(chu)需(xu)求，數據中心只有(you)通(tong)過購買(mai)更多的(de)(de)存(cun)儲(chu)設備來增(zeng)(zeng)(zeng)加空(kong)間，與此增(zeng)(zeng)(zeng)長不(bu)僅是(shi)設備采購費用增(zeng)(zeng)(zeng)加，能(neng)耗(hao)也隨之增(zeng)(zeng)(zeng)加，只要實現高效存(cun)儲(chu)數據，減少機器及磁盤數量，就(jiu)能(neng)解決急速增(zeng)(zeng)(zeng)長的(de)(de)能(neng)源消耗(hao)問題。
由于目(mu)前絕大部分用(yong)戶采用(yong)的(de)是開放系統(tong)，其外掛存儲(chu)占有(you)目(mu)前磁盤存儲(chu)市場的(de)70%以上，外掛存儲分(fen)為直(zhi)連式(shi)存儲和網(wang)絡化存儲，直(zhi)連式(shi)存儲（DAS）依賴(lai)服務器主機(ji)操(cao)作系(xi)統進(jin)行數據(ju)的IO讀(du)寫和(he)存儲維護(hu)管理(li)，數據備份和(he)恢復要求占用服務(wu)器(qi)主機資(zi)源（包括CPU、系(xi)統IO等），直連式存(cun)儲的(de)數(shu)據量越大，備(bei)份和(he)恢復的(de)時間就越長，對服務器硬件的(de)依(yi)賴性和(he)影響就越大。網(wang)絡化存(cun)儲（FAS）通(tong)過(guo)網絡交換機連(lian)接存儲(chu)系統和服(fu)(fu)務(wu)器(qi)主機，建(jian)立專(zhuan)用于數據存儲(chu)的區(qu)域網絡。網絡化(hua)存儲(chu)不需要提(ti)供(gong)專(zhuan)門服(fu)(fu)務(wu)，且(qie)可(ke)以通(tong)過(guo)網絡通(tong)道將信息迅速進(jin)行(xing)存儲(chu)，存儲(chu)空間大小與所連(lian)服(fu)(fu)務(wu)器(qi)性能(neng)無關，具有明顯(xian)節(jie)能(neng)優勢(shi)。
3軟件節能問題
（1）虛擬(ni)化技術
虛擬化是一個廣(guang)義的(de)術語，在(zai)計(ji)算機方面通常是指計(ji)算元件(jian)(jian)在(zai)虛擬的(de)基(ji)礎上而不是真實(shi)的(de)基(ji)礎上運行。虛擬化技術可以擴大硬件(jian)(jian)的(de)容(rong)量，簡化軟件(jian)(jian)的(de)重(zhong)新配置過程。CPU的虛擬化技術可以單CPU模擬多CPU并行，允許一個平臺同時運行多個操(cao)作系(xi)統，并且(qie)應(ying)用程序都可以(yi)在(zai)相互(hu)(hu)獨立的(de)空間內運行而互(hu)(hu)不影(ying)響，從(cong)而顯(xian)著提高計算機(ji)的(de)工作效率。
在傳(chuan)統(tong)模式下，一臺服務器只能運行單一任務，其CPU利用率(lv)無法(fa)得(de)到(dao)充分利用，而采用虛擬化技術可以實(shi)現在一臺服(fu)務器(qi)實(shi)現多(duo)臺虛擬主機功能，且每(mei)臺虛擬機都使用獨立(li)、安全(quan)平臺進行運(yun)行，可以大量節(jie)約服(fu)務器(qi)采購費用，同時(shi)也節(jie)約服(fu)務器(qi)運(yun)行的能耗。研究表明(ming)，虛擬化可以整合其資源池和實(shi)現計算機的高可用性，通(tong)常(chang)可以節(jie)省50%到70%的IT（硬件）總(zong)成本。
（2）云計算技術
云計算(suan)（Cloud Computing）是分(fen)布(bu)式處(chu)理（Dis-trihuted Computing）、并行處理(li)（Parallel Computing）和網格計(ji)算（Grid Computing）的(de)(de)(de)發展。云計(ji)算的(de)(de)(de)基本(ben)原理是，使(shi)計(ji)算任(ren)務分布在大量的(de)(de)(de)分布式計(ji)算機(ji)上(shang)，使(shi)各種應(ying)用系統(tong)能夠(gou)根據需求獲取計(ji)算力(li)、存儲空間和各種軟件服務，數(shu)據中心的(de)(de)(de)運(yun)行將與互聯網(wang)相似。
采用(yong)云計(ji)(ji)算技(ji)術可以允分利用(yong)高性能(neng)計(ji)(ji)算機，使整(zheng)個(ge)數(shu)據(ju)中心資源得到充(chong)分整(zheng)合。一臺(tai)性能(neng)低的服務器通過云計(ji)(ji)算技(ji)術可以實現(xian)更多(duo)的功能(neng)。
（3 ）Node Manager工具(ju)
Node Manager是采用Java編寫的實用(yong)工具Node Manager可以(yi)注(zhu)冊為Windows服務或Unix守護程序，因此當機(ji)器啟(qi)動或重啟(qi)時(shi)，它能夠自動啟(qi)動計(ji)算機(ji)上的Managed Server。每一臺Managed Server運行的主機上(shang)能(neng)夠運行一個Node Manager進程。NodeManager與該主(zhu)機上的每個Managed Server保(bao)持一個socket連(lian)接(jie)，并使用該連(lian)接(jie)監視Managed Server的狀態。如果Managed Server進(jin)程意外故障或WehLogic確定該進程(cheng)活著但處在(zai)失敗或掛起狀態，那么NodeManager能夠(gou)自動重(zhong)啟Managed Servero Node Manager還具有(you)遠程(cheng)控(kong)制(zhi)功能，因(yin)此管(guan)理員能夠(gou)通過WehLogic Administration Console或WehLogic Admin工具啟動或停(ting)止(zhi)單(dan)個(ge)或所有Managed Server。在(zai)每(mei)個Managed Server主(zhu)機上，Node Manager在配置的端口上(shang)監(jian)聽服務器遠程(cheng)控制命令。
通過對(dui)數據中心的應(ying)用服(fu)務器進行分類，將一些夜(ye)間(jian)或節(jie)日訪(fang)問量少或無訪(fang)問的服(fu)務器，采(cai)用Node Manger技術在這(zhe)些時間(jian)段將(jiang)其關(guan)閉，以(yi)減少(shao)能源(yuan)消耗(hao)。
（4）購買支(zhi)持多線程(cheng)技術(shu)的軟件
在(zai)單線程的工作模式(shi)下(xia)，如果把CPU看(kan)作是(shi)一共(gong)有(you)100個(ge)時間片(pian)的話，CPU可能一直都只(zhi)是花(hua)了其中的10個時(shi)間片(pian)來處(chu)理當前(qian)進程所(suo)要做的事情，只(zhi)是(shi)用到了(le)CPU的10%的時間(jian)片(pian)，而其他(ta)時間(jian)都白(bai)白(bai)浪費了，當然，實際上(shang)CPU的(de)工作模式(shi)還是做(zuo)完(wan)一件事以(yi)后再(zai)去(qu)做(zuo)另一件事，只是CPU的(de)處理速度非(fei)常快，很快就處理完成所請求(qiu)的(de)事情。為了提高(gao)CPU的(de)使用(yong)(yong)率，采用(yong)(yong)多線(xian)程的(de)方式去(qu)同時(shi)完(wan)(wan)成幾件(jian)事情而互不干擾，如當前進程要完(wan)(wan)成3件事情1 ，2 ，3，那么CPU會分別用10%的時(shi)間來(lai)同時(shi)處理(li)這3件(jian)事(shi)情，從而(er)讓CPU的使(shi)用率達到30%，大大地提高(gao)了CPU的利(li)用(yong)率(lv)。
在(zai)數據(ju)中(zhong)心采購軟件時盡可能使(shi)用支持(chi)多線程技術的(de)軟件，同(tong)時還需要確認該軟件是否支持(chi)多核CPU（多(duo)核CPU已相當普遍）運算，這(zhe)樣的軟件執行速度效率(lv)很高，可以節(jie)約(yue)大量運算時(shi)間，大大降低(di)了服務器CPU運(yun)算能耗(hao)。
4結束語
數(shu)據(ju)中(zhong)心節(jie)能問(wen)題并不能依靠某(mou)項單一技術實現，而是貫穿數(shu)據(ju)中(zhong)心建設、維(wei)護(hu)全過程中(zhong)。因數(shu)據(ju)中(zhong)心維(wei)護(hu)成(cheng)本占數(shu)據(ju)中(zhong)心總成(cheng)本絕大部(bu)分(fen)，因此許多(duo)企業都可以建立獨立數(shu)據(ju)中(zhong)心，但面對巨額維(wei)護(hu)資金顯得十分(fen)尷尬(ga)。只有通過數(shu)據(ju)中(zhong)心內(nei)部(bu)節(jie)能降耗減少(shao)其運行成(cheng)本。
目前，世界各國正(zheng)在加(jia)緊能(neng)源方(fang)面的立法研究，鼓勵(li)企(qi)業使用清(qing)潔能(neng)源（風能(neng)、太陽能(neng)等），減少CO2的(de)排放，通過加大對使用(yong)不可再生資源、高能(neng)耗尤其(qi)高污染企業(ye)的(de)稅收(shou)等調控(kong)手段，促(cu)使企業(ye)自(zi)覺地進行內(nei)部節(jie)能(neng)降(jiang)耗工作，從而(er)達到保(bao)護環境(jing)的(de)目標。
010-62227852