數據中心能耗降低的八種方法

由于目前經(jīng)濟不景氣，數據中心經(jīng)理不得不在有限的資金預算條件下滿(mǎn)足苛刻的業(yè)務(wù)需求。他們一直在千方百計的削減運營(yíng)成本，目前數據中心運營(yíng)成本中增長(cháng)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(wù)器和冷卻系統所消耗。

　　不幸的是，目前大多數高效的節能技術(shù)都需要相當可觀(guān)的前期投資，并且在數年后才會(huì )帶來(lái)回報。然而人們卻忽視了一些幾乎不需要什么成本的技術(shù)，原因在于這些技術(shù)看起來(lái)不切實(shí)際，或是過(guò)于極端。我們在以下為大家列出的8種節能方法已經(jīng)在實(shí)際的數據中心環(huán)境中測試過(guò)，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(gè)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(wù)的電力消耗的比值。2.0意味著(zhù)輸入數據中心的2瓦電力中只有1瓦輸入到服務(wù)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(shù)或許并不能降低你的 PUE值，但是你可以通過(guò)檢查每月的賬單來(lái)評估它們的效率。節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(yáng)能、風(fēng)能或是氫能源。因為這些替代能源需要對先進(jìn)技術(shù)進(jìn)行大量投資。在目前的經(jīng)濟危機中，這無(wú)疑無(wú)法馬上實(shí)現成本節約。相比之下，以下這8種方法除了風(fēng)扇、通風(fēng)和管道外均不需要任何其他復雜的技術(shù)。

　　這8種方法分別是：

　　極端節能方法1 ：調高溫度設置。你在今天下午就可以使用這種最簡(jiǎn)單的節能方法：調高數據中心恒溫器的溫度設定值。傳統觀(guān)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(cháng)設備的使用壽命，萬(wàn)一冷卻系統失靈，管理員也可以獲得更多的反應時(shí)間。

　　但是經(jīng)驗告訴我們，服務(wù)器組件如果發(fā)生故障，尤其是硬盤(pán)發(fā)生故障將會(huì )導致運行溫度上升。但是近些年來(lái)，IT經(jīng)濟已經(jīng)跨越了一個(gè)重要閾值：服務(wù)器運營(yíng)成本通常會(huì )超過(guò)購置成本。這使得削減運營(yíng)成本的優(yōu)先權要高于硬件保護。

　　在去年召開(kāi)的GreenNet 會(huì )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(jīng)驗。他稱(chēng)， 華氏80度是新的安全設置溫度。不過(guò)你的數據中心需要首先滿(mǎn)足一個(gè)簡(jiǎn)單的先決條件：盡可能地將冷卻用的冷空氣與冷卻后產(chǎn)生的熱空氣相隔離，如果需要，可以使用厚塑料門(mén)簾或是隔熱板。

　　盡管谷歌稱(chēng)華氏80度是安全的溫度，但是微軟的經(jīng)驗告訴我們可以將溫度設置的更高些。微軟在愛(ài)爾蘭都柏林的數據中心使用的是“無(wú)冷卻器”模式，它們用免費的外部空氣進(jìn)行冷卻，服務(wù)器進(jìn)風(fēng)口的溫度為華氏95度。需要注意的是，隨著(zhù)設定溫度的提高，會(huì )出現一個(gè)收益遞減點(diǎn)，因為服務(wù)器風(fēng)扇轉速的增加將導致能源消耗增長(cháng)。

極端節能方法2 ：關(guān)閉不使用的服務(wù)器。虛擬化為我們展示了讓不使用的處理器、硬盤(pán)和內存休眠所帶來(lái)的節能優(yōu)勢。那么為什么不關(guān)閉整個(gè)服務(wù)器呢?讓服務(wù)器時(shí)刻處于準備狀態(tài)所帶來(lái)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(jīng)找到了一些可以關(guān)閉服務(wù)器的情況，如果關(guān)閉了服務(wù)器，那么你將獲得最低的能源消耗值——0，至少對于服務(wù)器來(lái)說(shuō)是這樣。不過(guò)，你首先需要面對的是那些異議人士提出的反對意見(jiàn)。

　　他們往往認為重新啟動(dòng)會(huì )降低服務(wù)器的平均壽命，因為電壓會(huì )加載在主板電容器等一些非熱拔插組件上。這種想法已經(jīng)被證明是錯誤的：實(shí)際情況是，服務(wù)器的組件與汽車(chē)和醫療設備等一些頻繁啟動(dòng)的設備所用的組件是相同的。沒(méi)有證據能夠證明頻繁啟動(dòng)將降低服務(wù)器的MTBF(平均故障間隔時(shí)間)。

　　第二個(gè)錯誤認識是，服務(wù)器啟動(dòng)需要很長(cháng)時(shí)間。對于這種情況，你可以通過(guò)關(guān)閉啟動(dòng)時(shí)的診斷檢查，從硬盤(pán)鏡像啟動(dòng)，以及利用一些硬件具有的熱啟動(dòng)功能縮短啟動(dòng)時(shí)間。

　　第三種反對意見(jiàn)是：如果我們必須啟動(dòng)一臺服務(wù)器以適應增加的負載，這時(shí)用戶(hù)不希望等待——無(wú)論啟動(dòng)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(huì )拒絕新用戶(hù)，這樣一來(lái)，用戶(hù)根本意識不到他們是在等待服務(wù)器啟動(dòng)。事實(shí)證明，當應用受到使用人數限制影響時(shí)，只要能夠向用戶(hù)發(fā)出“我們正在啟動(dòng)更多的服務(wù)器以提高你的申請速度”這一信息，用戶(hù)是愿意進(jìn)行等待的。

　　極端的節能方法3 ：使用免費的外部空氣進(jìn)行冷卻。較高的數據中心溫度設置將為你使用第二種節能方法做好準備，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(lái)源，不再需要昂貴的冷卻器，微軟設在愛(ài)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(jìn)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(fēng)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(guò)濾器、干燥器、防火風(fēng)閘和溫度傳感器，以確保外部空氣不會(huì )損壞精密的電子設備。

　　在試驗中，英特爾通過(guò)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(wù)器中，第一組使用傳統的冷卻器進(jìn)行降溫，第二組使用外部空氣冷卻系統與冷卻器聯(lián)合冷卻方式，兩組服務(wù)器運行了十個(gè)月。其中，第二組服務(wù)器有91%的時(shí)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(wù)器上積有大量灰塵，這表明該系統除需要安裝大顆粒雜質(zhì)過(guò)濾器外，還需要安裝一個(gè)細顆粒雜質(zhì)過(guò)濾器。此外，由于需要頻繁更換過(guò)濾器，因此在實(shí)際使用中需要采用易清潔并可反復使用的過(guò)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(wù)器故障率并沒(méi)有增加。據此，以一個(gè)功率為10兆瓦數據中心為例，每年可節約冷卻成本300萬(wàn)美元，以及7600萬(wàn)加侖水，在某些地區水的價(jià)格非常高。

　　極端節能方法4 ：用數據中心冷卻后產(chǎn)生的熱空氣為辦公室供暖。你可以通過(guò)用數據中心冷卻后產(chǎn)生的熱空氣為辦公室供暖的辦法將節能效果提高一倍。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(shí)候，你可以獲得充足的暖氣。與此同時(shí)，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(shuō)，你不再需要一個(gè)一人多高的取暖爐。你也不用擔心數據中心電子設備在產(chǎn)生的熱量時(shí)會(huì )施放出有害物質(zhì)。如今符合《關(guān)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(wù)器在生產(chǎn)時(shí)已經(jīng)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(shù)是采暖通風(fēng)與空調系統(HVAC )方面的經(jīng)驗：風(fēng)扇、通風(fēng)管道和恒溫器。你會(huì )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，節約的能源成本相當于80戶(hù)居民的取暖費用。TelecityGroup Paris甚至將數據中心冷卻后產(chǎn)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(shí)間，但是由于成本很低，你在一年內，甚至更短的時(shí)間內即可獲得收益。

　　極端節能方法5 ：為頻繁讀取的數據集配置SSD(固態(tài)硬盤(pán))。由于讀取速度快、功耗低、發(fā)熱量小，因此SSD在上網(wǎng)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(wù)器上，但是其成本高、可靠性低等缺點(diǎn)阻礙了其在服務(wù)器上的部署。幸運的是，SSD的價(jià)格在近兩年出現了大幅下降，數據中心可通過(guò)部署SSD實(shí)現快速節能，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(pán)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(wú)法克服的一個(gè)問(wèn)題是寫(xiě)入操作次數有限。目前適合服務(wù)器存儲的單層單元(SLC)固態(tài)硬盤(pán)的寫(xiě)入次數約為500萬(wàn)次。低成本的消費級多層單元(MLC)固態(tài)硬盤(pán)雖然容量比SLC固態(tài)硬盤(pán)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(mǎi)到接口兼容的固態(tài)硬盤(pán)，以替代現有的高能耗、高發(fā)熱量的機械硬盤(pán)。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(huì )遇到SSD的寫(xiě)入次數限制問(wèn)題。除了降低能源和冷卻成本外，啟動(dòng)速度也將大幅提升。

　　此外，在選擇固態(tài)硬盤(pán)時(shí)，應當選擇服務(wù)器專(zhuān)用固態(tài)硬盤(pán)，而不要選擇臺式機專(zhuān)用固態(tài)硬盤(pán)。服務(wù)器專(zhuān)用固態(tài)硬盤(pán)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(pán)傳輸速率為3Gbps，而日立與英特爾聯(lián)合推出的Ultrastar高端SAS固態(tài)硬盤(pán)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(pán)的BIOS密碼和加密問(wèn)題，而服務(wù)器專(zhuān)用固態(tài)硬盤(pán)根本不存在這方面的問(wèn)題。

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

　　在21世紀初，直流電在數據中心中非常流行。因為當時(shí)數據中心的服務(wù)器電源轉換效率僅為75%。但是隨著(zhù)電源轉換效率的提高，數據中心開(kāi)始采用效率更高的208伏交流電。到2007年，直流電已經(jīng)不再流行。然而在2009年，直流電又重新流行起來(lái)，這要歸功于高電壓數據中心產(chǎn)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(wù)器。每一次變壓都會(huì )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(kāi)支)。直接轉換為 208 伏交流電可以減少一次變壓，當時(shí)服務(wù)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(wù)器機架上。服務(wù)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(wù)器供電。每一次轉換時(shí)的效率都是老式AC 變壓技術(shù)的兩倍，并且轉化的熱量也更少。盡管廠(chǎng)商宣稱(chēng)，可以節約50%的能耗，不過(guò)大多數專(zhuān)家認為節約能耗25%更為可信。

　　這種方法需要一些資金投入，不過(guò)所涉及的技術(shù)并不復雜，并且已經(jīng)被證實(shí)十分有效。一個(gè)潛在的隱性開(kāi)銷(xiāo)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(xiàn)。

　　極端節能方法7 ：將熱量排入地下。在氣候比較溫暖的地區，外部空氣冷卻無(wú)法常年使用。比如，愛(ài)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(jìn)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(huì )受到如下雨、酷暑等戶(hù)外天氣的影響。如果將管道埋至地表深處，吸收了服務(wù)器熱量的冷卻水將在地下進(jìn)行循環(huán)，這樣冷卻水的熱量就被周?chē)鷾囟容^低的土壤所吸收。

　　雖然這一技術(shù)并不復雜，但是地溫冷卻需要大量的管道。與此同時(shí)，建立一個(gè)成功的地溫冷卻系統需要進(jìn)行仔細的分析和計算。由于數據中心是持續產(chǎn)生熱量，單一的地溫冷卻槽將導致周?chē)寥罍囟蕊柡?，進(jìn)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(huì )對環(huán)境帶來(lái)什么影響。

　極端節能方法8 ：通過(guò)管道將熱量排到大海里。與地溫冷卻系統不同，大?？梢詿o(wú)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(guò)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，通過(guò)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(zhuān)利。不過(guò)，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(jiǎn)單。數十年來(lái)，核電站就一直在用海水或湖水降溫?！叭鸬溆嬎銠C”網(wǎng)站在去年秋天曾經(jīng)報道稱(chēng)，谷歌在芬蘭Hamina將一個(gè)紙漿廠(chǎng)改造成了一個(gè)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(shí)，這些海水還作為數據中心的緊急消防用水。谷歌的實(shí)踐證明該方案具有極高的可靠性。由于原紙漿廠(chǎng)已經(jīng)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(shí)省去了不少開(kāi)銷(xiāo)。

　　淡水湖也可以用于冷卻數據中心。美國康奈爾大學(xué)位于紐約伊薩卡的校區利用附近的卡尤加湖為其數據中心和整個(gè)校園提供冷卻用水。為此，該校區在2000年率先建立起了一個(gè)名為“湖水冷卻系統”的冷卻設施。該設施每小時(shí)可抽取3.5萬(wàn)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(wú)論淡水還是海水冷卻系統都需要一個(gè)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(guò)來(lái)的天然冷卻水隔離。這種隔離是必須的，萬(wàn)一出現泄漏，既可保護環(huán)境，也可以保護精密的服務(wù)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。

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