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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本文根據數據中心節能(neng)方面(mian)目(mu)前的發展情況，提出(chu)一(yi)些(xie)技術使企業數據中心實現節能(neng)。使用這些(xie)技術，不(bu)僅可節約大(da)量電費支出(chu)和延長設備壽(shou)命，同時減少數據中心對環(huan)境的影響，為企業樹立環(huan)保的形象。
引言
隨著(zhu)信息全球(qiu)化，在全世(shi)界范圍內數據中(zhong)(zhong)心(xin)被大量建立，數據中(zhong)(zhong)心(xin)的能(neng)耗及所(suo)產生(sheng)環境(jing)問題成為人們關(guan)心(xin)的重點。據報告，一個典型數據中(zhong)(zhong)心(xin)所(suo)需要能(neng)量可供3萬(wan)個家庭(ting)使用。最近就有(you)人指責，在google中(zhong)每進行兩次搜索就(jiu)會生(sheng)產15克二氧化碳，所消耗能量大約與燒開一(yi)壺(hu)水能量相(xiang)當，但據google稱，每(mei)做(zuo)一次(ci)搜索會產生0. 2克(ke)的二氧化碳。從數據調查情況來看，從2006到2007年(nian)數據中心能耗增長了超過13% ，其費用支出從2000年(nian)以來增加了(le)一(yi)倍，預計(ji)到2012將達(da)到(dao)40萬億。
隨(sui)(sui)著全球氣候變(bian)化，人(ren)們越來越重視對(dui)環境的保護，對(dui)各種產品(pin)（汽車、空調、冰箱等(deng)）的能耗(hao)標(biao)準都有(you)明確(que)要(yao)求，但數(shu)據中(zhong)(zhong)心能耗(hao)標(biao)準還(huan)沒有(you)制定，企業只是感覺到數(shu)據中(zhong)(zhong)心所消(xiao)耗(hao)電能越來越多，維護數(shu)據中(zhong)(zhong)心成(cheng)本(ben)在增(zeng)加(jia)。隨(sui)(sui)著2008年全球出(chu)現金融(rong)危機，許多企業都(dou)在大幅(fu)度壓縮成本和(he)減(jian)少開支(zhi)，與此(ci)形成隨(sui)著全球氣候(hou)變化，人們越(yue)來(lai)越(yue)重視(shi)對(dui)環(huan)境(jing)的保護，對(dui)各種產品（汽車、空(kong)調、冰箱等）的能耗(hao)標準(zhun)都(dou)有明確要求，但(dan)數(shu)(shu)據中(zhong)(zhong)心(xin)能耗(hao)標準(zhun)還(huan)沒(mei)有制定(ding)，企業只是感覺到數(shu)(shu)據中(zhong)(zhong)心(xin)所消耗(hao)電(dian)能越(yue)來(lai)越(yue)多，維護數(shu)(shu)據中(zhong)(zhong)心(xin)成本在增加(jia)。隨(sui)著2008年全球出現(xian)金融(rong)危機，許多(duo)企(qi)業(ye)都(dou)在大幅度壓縮成本(ben)和減少(shao)開支，與此形(xing)(xing)成鮮明對比(bi)的(de)是數(shu)據(ju)(ju)中心(xin)海量的(de)數(shu)據(ju)(ju)增長速度對存儲(chu)、能(neng)(neng)(neng)耗提出了要求。如(ru)何實(shi)現(xian)數(shu)據(ju)(ju)中心(xin)節(jie)能(neng)(neng)(neng)降耗成為(wei)(wei)企(qi)業(ye)、廠(chang)商共(gong)同(tong)目標，許多(duo)廠(chang)商都(dou)把節(jie)能(neng)(neng)(neng)產品作(zuo)為(wei)(wei)銷售產品時的(de)一個(ge)亮點，企(qi)業(ye)則將節(jie)能(neng)(neng)(neng)降耗作(zuo)為(wei)(wei)降低(di)成本(ben)和樹(shu)立企(qi)業(ye)形(xing)(xing)象重要內容。廠(chang)商、企(qi)業(ye)要實(shi)現(xian)節(jie)能(neng)(neng)(neng)降耗不僅依靠技術的(de)創新，更(geng)需要用戶優化數(shu)據(ju)(ju)中心(xin)設計(ji)。因此設計(ji)、建造并啟用高性能(neng)(neng)(neng)、低(di)能(neng)(neng)(neng)耗的(de)數(shu)據(ju)(ju)中心(xin)已成為(wei)(wei)一項重要工作(zuo)。
1 基礎設施(shi)的(de)節能降(jiang)耗問題
據統計，大(da)多數數據中心(xin)超過50%的電(dian)力資源(yuan)被UPS、空調等(deng)(deng)機房基礎(chu)設施消耗。剩余能源才被服務(wu)器、存儲、網絡等(deng)(deng)IT設備消(xiao)耗。目(mu)前(qian)，國(guo)際(ji)上采用PUE通行的指標來衡量數據中心的電力使用率(lv)PUE=數據中心(xin)的總(zong)功耗/IT設(she)備的總功(gong)耗。國(guo)外先進機房(fang)的PUE值(zhi)可(ke)以達(da)到1. 7，而我國數據中心的PUE的平(ping)均值在2. 5以上。
降低PUE值，必須在IT設備總量不變的情況(kuang)下，降低空調、UPS等(deng)基礎設施(shi)的電力消耗(hao)。
（1）降低數據中心的(de)制(zhi)冷能(neng)耗
降低制冷能(neng)(neng)耗是減少數據中心總能(neng)(neng)耗的(de)關鍵，由于傳(chuan)統的(de)數據中心沒有根據空氣(qi)動力學來設計(ji)通風(feng)系(xi)統，通常出現局(ju)部溫(wen)(wen)度(du)過高(gao)，空調制冷并未達到預期的(de)目的(de)，不僅能(neng)(neng)耗上有損失，且溫(wen)(wen)度(du)控(kong)制效(xiao)果(guo)不理(li)想。隨(sui)著局(ju)部溫(wen)(wen)度(du)的(de)升(sheng)高(gao)，IT硬件的(de)可靠性大幅降低，據估(gu)計，溫度每升高10℃，電子設備的長期可靠性降低50%。通常(chang)的(de)(de)做法是，調低數據中心機(ji)房(fang)空調設定溫度(du)（過度(du)制(zhi)冷），但(dan)隨著設備的(de)(de)增(zeng)長，制(zhi)冷方面的(de)(de)能(neng)耗也不斷增(zeng)長，從而造(zao)成一種惡性循環。
事實上，根據ASH-RAE，機柜溫度達(da)到(dao)華氏77°F（攝氏25℃）是(shi)沒有(you)問(wen)題的，只要各個位置(zhi)的溫度保持相(xiang)對一致。數據中心可能(neng)通過智(zhi)能(neng)PDU溫度傳感器放置在機加(jia)冷空氣(qi)人口的底部(bu)、中間和(he)頂部(bu)，IT管理(li)員不(bu)僅可以(yi)確定(ding)系統有(you)沒有(you)對服務(wu)器(qi)過(guo)度冷卻，還能(neng)確定(ding)冷空氣是否在(zai)高效(xiao)地通過(guo)這些地方。溫度傳感器(qi)也可以(yi)放置在(zai)機(ji)架的尾(wei)部(bu)或熱空氣出(chu)(chu)口，以(yi)監測排出(chu)(chu)空氣的溫度，為(wei)制定(ding)更加合理(li)制冷方案(an)提供依據，從(cong)而(er)有(you)效(xiao)降低(di)制冷的能(neng)耗。
（2）提高UPS性能
一般(ban)數(shu)據中(zhong)心都不是(shi)一步到(dao)位，都會考慮(lv)未(wei)來幾年的(de)需(xu)求，但是(shi)UPS一般都是一步到(dao)位，一次上了(le)幾套大(da)功(gong)率的UPS并機(ji)，結果初期(qi)負載只(zhi)有10%~20%，沒等待到(dao)規(gui)劃的負載就(jiu)進入(ru)了設(she)備淘汰期，不僅造成投資的浪(lang)費(fei)，而且也(ye)無法使UPS運行在(zai)較高的(de)效率點，造成(cheng)電能(neng)的(de)浪費。
盡量采購效(xiao)率(lv)更高(gao)的(de)UPS。當然(ran)UPS效(xiao)率(lv)高不僅(jin)僅(jin)要是(shi)滿載效(xiao)率(lv)高，同(tong)時也必需具(ju)備一個(ge)較高的效(xiao)率(lv)曲線，特別是(shi)在(zai)1+1并機(ji)系統時，根據(ju)系統規劃，每臺UPS容量不得大(da)于(yu)50%，如果此次效率僅為(wei)90%以(yi)下，就算滿載效率達到95%以(yi)上，也是沒有意義(yi)的，所以(yi)要求UPS必需(xu)采用一下(xia)措施優(you)化效(xiao)率(lv)虛線，使UPS效(xiao)率在(zai)較低負載時能達到較高(gao)的(de)效(xiao)率。
（3）減少外(wai)部和(he)內部環境對(dui)數(shu)據中心的能耗(hao)影響
內、外部(bu)環境(jing)(jing)對數(shu)據中心能耗影響十分重要(yao)(yao)。數(shu)據中心機房盡量選用節能材料，數(shu)據中心機房要(yao)(yao)避免外面環境(jing)(jing)對其內部(bu)溫(wen)度(du)的(de)影響，過熱的(de)外部(bu)環境(jing)(jing)都會使數(shu)據中心機房產生不必要(yao)(yao)的(de)制冷能耗。同時數(shu)據中心機房內部(bu)可以采用節能燈進行(xing)照明，關閉不必要(yao)(yao)的(de)外部(bu)附屬(shu)沒備如顯示器等方式來實現降低(di)能耗。
2硬件設(she)備節能(neng)的問題(ti)
（1）服(fu)務(wu)器(qi)節能(neng)技術(shu)
服(fu)務(wu)器是數據中心(xin)的(de)核心(xin)設備，其能耗問題(ti)也(ye)要引起注意，服(fu)務(wu)器每產生1w的熱量(liang)都需要制冷系統啟動以達到(dao)恒溫。2007年以(yi)后服(fu)務(wu)器節能(neng)技(ji)(ji)(ji)術(shu)(shu)將趨(qu)于成熟，節能(neng)逐漸(jian)成為了服(fu)務(wu)器技(ji)(ji)(ji)術(shu)(shu)的關(guan)鍵詞。在芯片級的節能(neng)技(ji)(ji)(ji)術(shu)(shu)方面(mian)，如Intel的EIST（ Enhanced Intel Speedstep Technology）省(sheng)電技術、AMD的PowerNow！ IBM的高熱傳導界(jie)面芯(xin)片冷卻(que)技術等。研究表明，采用節能技術的服務器大約(yue)節約(yue)30%能(neng)耗，因(yin)此(ci)購(gou)買節(jie)能(neng)性(xing)服(fu)務器是十(shi)分必要。
根據(ju)摩爾(er)定律，“每18個(ge)月(yue)處理器(qi)性能提高(gao)一(yi)倍，而價格下降一(yi)倍”，也(ye)就意味著“用一個美元所能買(mai)到的電(dian)腦(nao)性(xing)能，每隔(ge)18個月就(jiu)翻兩番(fan)”。因(yin)此(ci)對于一些(xie)使用多年性能差、體(ti)積大的服(fu)務(wu)器應采(cai)用淘汰方式處理。一臺新型服(fu)務(wu)器性能上面可以替代4一5臺(tai)老式服(fu)務(wu)(wu)(wu)器，且耗能(neng)(neng)卻是(shi)(shi)比一(yi)臺(tai)老式服(fu)務(wu)(wu)(wu)器還(huan)少，產(chan)(chan)生(sheng)的熱量也(ye)少。目前刀(dao)片式服(fu)務(wu)(wu)(wu)器產(chan)(chan)品(pin)在(zai)多(duo)核、低功耗技(ji)術的推動下將從最初(chu)追求高密度的刀(dao)片服(fu)務(wu)(wu)(wu)器，發展到強(qiang)調整體(ti)綜合性能(neng)(neng)、高生(sheng)產(chan)(chan)力的新(xin)一(yi)代(dai)的刀(dao)片產(chan)(chan)品(pin)，也(ye)是(shi)(shi)值得關注。
（2）存儲技術節(jie)能問題
根據IDC的一項(xiang)調查顯示，全球數據量在未來十年，將以(yi)每年50. 6%的(de)(de)綜合增(zeng)長(chang)(chang)率迅速膨脹。面對海量的(de)(de)存儲需求，數(shu)據(ju)中心只有通過購買更多的(de)(de)存儲設備來增(zeng)加(jia)空間，與此(ci)增(zeng)長(chang)(chang)不僅(jin)是(shi)設備采購費(fei)用增(zeng)加(jia)，能(neng)(neng)(neng)耗(hao)也(ye)隨之(zhi)增(zeng)加(jia)，只要實現高效存儲數(shu)據(ju)，減少機器及磁(ci)盤數(shu)量，就能(neng)(neng)(neng)解決急速增(zeng)長(chang)(chang)的(de)(de)能(neng)(neng)(neng)源(yuan)消耗(hao)問(wen)題。
由于目(mu)前絕大(da)部(bu)分(fen)用(yong)戶采(cai)用(yong)的是開(kai)放系統(tong)，其外掛存儲占有目(mu)前磁盤(pan)存儲市場的70%以上，外掛(gua)存(cun)儲(chu)分為(wei)直(zhi)連式存(cun)儲(chu)和(he)網(wang)絡化存(cun)儲(chu)，直(zhi)連式存(cun)儲(chu)（DAS）依(yi)賴服務(wu)器主機操(cao)作系統進行數據(ju)的IO讀(du)寫(xie)和(he)存儲維護管理，數據備份(fen)和(he)恢復要求占用服務(wu)器主(zhu)機資源（包括CPU、系(xi)統IO等），直(zhi)連式存(cun)儲的(de)數據量(liang)越大，備份(fen)和恢(hui)復的(de)時間(jian)就越長，對服務器硬件的(de)依賴性和影響就越大。網絡(luo)化存(cun)儲（FAS）通過網(wang)(wang)絡交換(huan)機連(lian)(lian)接存(cun)儲(chu)系統和服務(wu)(wu)器主機，建(jian)立(li)專用于(yu)數據存(cun)儲(chu)的區域網(wang)(wang)絡。網(wang)(wang)絡化存(cun)儲(chu)不(bu)需(xu)要提(ti)供(gong)專門服務(wu)(wu)，且可以(yi)通過網(wang)(wang)絡通道將信息(xi)迅速進(jin)行存(cun)儲(chu)，存(cun)儲(chu)空間大小與(yu)所連(lian)(lian)服務(wu)(wu)器性能無關，具有明顯節能優勢。
3軟件節能(neng)問題
（1）虛擬化(hua)技術
虛擬(ni)化是(shi)一個(ge)廣(guang)義的(de)術語，在(zai)計(ji)算(suan)機方面通(tong)常是(shi)指計(ji)算(suan)元件在(zai)虛擬(ni)的(de)基礎(chu)上而不是(shi)真實的(de)基礎(chu)上運行(xing)。虛擬(ni)化技術可以(yi)擴大硬件的(de)容量(liang)，簡化軟(ruan)件的(de)重新(xin)配置(zhi)過(guo)程(cheng)。CPU的(de)虛擬(ni)化技術可以(yi)單CPU模擬多(duo)CPU并行(xing)，允許一個平臺同時(shi)運行(xing)多個操(cao)作系統，并且應用程(cheng)序都可以在相(xiang)互獨立的(de)空間內運行(xing)而(er)互不影響，從(cong)而(er)顯(xian)著提高計算(suan)機(ji)的(de)工作效(xiao)率(lv)。
在傳統模(mo)式下，一(yi)臺(tai)服務(wu)器只能運行單一(yi)任務(wu)，其CPU利(li)用(yong)(yong)率無法得到充分利(li)用(yong)(yong)，而(er)采用(yong)(yong)虛(xu)擬(ni)化技(ji)術可(ke)(ke)以實現在一臺服(fu)(fu)務(wu)(wu)器實現多臺虛(xu)擬(ni)主機功能(neng)，且每臺虛(xu)擬(ni)機都使用(yong)(yong)獨立(li)、安全平(ping)臺進行運行，可(ke)(ke)以大(da)量節約服(fu)(fu)務(wu)(wu)器采購費用(yong)(yong)，同時也節約服(fu)(fu)務(wu)(wu)器運行的能(neng)耗。研究(jiu)表明，虛(xu)擬(ni)化可(ke)(ke)以整合其(qi)資(zi)源池和(he)實現計算(suan)機的高可(ke)(ke)用(yong)(yong)性，通常可(ke)(ke)以節省50%到70%的IT（硬件）總成本。
（2）云計算技術
云計算（Cloud Computing）是分(fen)布(bu)式(shi)處理（Dis-trihuted Computing）、并行處理（Parallel Computing）和(he)網格計算(suan)（Grid Computing）的發展。云計(ji)算(suan)的基(ji)本原理(li)是，使計(ji)算(suan)任務分(fen)布在(zai)大量的分(fen)布式計(ji)算(suan)機上，使各種應用系統能夠根據需求(qiu)獲(huo)取(qu)計(ji)算(suan)力、存儲空間和(he)各種軟件(jian)服務，數據中(zhong)心的運行將與互聯網(wang)相似。
采(cai)用云計算技術(shu)可(ke)以(yi)允分利用高性能計算機，使整(zheng)個數據中(zhong)心資(zi)源得到充分整(zheng)合。一臺性能低的服(fu)務(wu)器(qi)通過(guo)云計算技術(shu)可(ke)以(yi)實現更多的功(gong)能。
（3 ）Node Manager工具
Node Manager是采用Java編寫的實用工具Node Manager可以(yi)注冊為Windows服務(wu)或(huo)Unix守護(hu)程(cheng)序，因(yin)此當機(ji)器啟動或(huo)重啟時，它能夠自動啟動計算機(ji)上(shang)的Managed Server。每一(yi)臺Managed Server運(yun)行(xing)的主機(ji)上能(neng)夠運(yun)行(xing)一個Node Manager進程。NodeManager與(yu)該主機上(shang)的每個Managed Server保持一個socket連接，并使用該連接監視(shi)Managed Server的狀態。如果(guo)Managed Server進程意外(wai)故(gu)障(zhang)或(huo)WehLogic確(que)定該進程活著但處在(zai)失敗(bai)或掛起(qi)狀態，那么NodeManager能夠自動重啟Managed Servero Node Manager還具有遠(yuan)程控制(zhi)功能，因此(ci)管理員能夠通(tong)過WehLogic Administration Console或WehLogic Admin工具啟(qi)動或(huo)停止單(dan)個(ge)或(huo)所有Managed Server。在每(mei)個Managed Server主機上，Node Manager在(zai)配置的端口上(shang)監聽(ting)服務器(qi)遠程控制(zhi)命令。
通過對(dui)數據中心(xin)的應用服務(wu)器進行分類，將一些夜間或節日訪(fang)問量少或無訪(fang)問的服務(wu)器，采用Node Manger技術在這(zhe)些時間(jian)段(duan)將其(qi)關閉，以減少(shao)能源消(xiao)耗。
（4）購買(mai)支(zhi)持多線(xian)程技術(shu)的(de)軟件
在單(dan)線程的工作模式下，如果把CPU看作是(shi)一共有(you)100個時間片的話(hua)，CPU可能一(yi)直都只是花了其中的(de)10個時間片來處理(li)當前進程所(suo)要做的事情，只是(shi)用到了CPU的10%的(de)時間片，而其他時間都白白浪(lang)費了，當然，實(shi)際上(shang)CPU的工作(zuo)模(mo)式還是做(zuo)完(wan)一(yi)件事以后再去(qu)做(zuo)另一(yi)件事，只是CPU的(de)處理速度非常快，很快就處理完成所請求(qiu)的(de)事情。為了提高(gao)CPU的使用率(lv)，采(cai)用多線程的方式去同時完成幾件事(shi)情(qing)而互不干(gan)擾，如當前進程要(yao)完成3件事情1 ，2 ，3，那么CPU會分別用10%的(de)時間來同時處理這(zhe)3件事情，從(cong)而讓CPU的使用(yong)率達到(dao)30%，大(da)大(da)地提高了CPU的利用率。
在數(shu)據(ju)中心采購軟(ruan)(ruan)件時盡可能使用支持(chi)(chi)多(duo)(duo)線程技術的軟(ruan)(ruan)件，同時還需(xu)要確認該軟(ruan)(ruan)件是否支持(chi)(chi)多(duo)(duo)核CPU（多(duo)核(he)CPU已相當普(pu)遍）運算，這樣(yang)的軟件執行(xing)速度效率(lv)很高，可(ke)以節約大量(liang)運算時間，大大降低(di)了服務器CPU運算能耗。
4結束(shu)語
數(shu)據中(zhong)心(xin)(xin)節能問題并不(bu)能依靠某項單一(yi)技術實現，而是貫穿數(shu)據中(zhong)心(xin)(xin)建(jian)設、維(wei)(wei)護全過程中(zhong)。因(yin)(yin)數(shu)據中(zhong)心(xin)(xin)維(wei)(wei)護成(cheng)本占(zhan)數(shu)據中(zhong)心(xin)(xin)總成(cheng)本絕(jue)大部(bu)分，因(yin)(yin)此許多企業都可以建(jian)立獨(du)立數(shu)據中(zhong)心(xin)(xin)，但面(mian)對巨額(e)維(wei)(wei)護資金顯得十(shi)分尷尬。只有通過數(shu)據中(zhong)心(xin)(xin)內(nei)部(bu)節能降耗減少(shao)其運行成(cheng)本。
目前，世界各國(guo)正(zheng)在加緊能(neng)源方面的立(li)法研究，鼓勵企業(ye)使用清潔能(neng)源（風能(neng)、太陽能(neng)等(deng)），減(jian)少(shao)CO2的排放，通過加大對(dui)使用不可再生資源、高能耗尤其高污染(ran)企業(ye)的稅(shui)收(shou)等調控手(shou)段，促(cu)使企業(ye)自(zi)覺地進行(xing)內部節能降耗工作，從而達到(dao)保(bao)護環境的目標。
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