全太陽(yáng)能數據中心整體技術(shù)方案與實(shí)踐

　數據中心集中安裝了十萬(wàn)臺的服務(wù)器，２４小時(shí)不間斷地運行，其能耗問(wèn)題越來(lái)越突出，用電量占據了數據中心經(jīng)營(yíng)成本的５０%以上，數據中心行業(yè)成為了高能耗單位。尤其是近年來(lái)“云計算”概念興起，催生各地都在建設大型的云計算數據中心（IDC），而隨著(zhù)數據中心規模的擴大，能源消耗問(wèn)題更加突出，巨大的用電量成為數據中心進(jìn)一步發(fā)展的最大難題[1]。
數據中心的總耗電包括以下幾部分：IT設備耗電、空調耗電以及其他設備的電能損耗。而機房中的IT設備和降溫空調用電占數據中心耗電總量的大部分（75%以上），其中IT設備的耗電量又主要集中在服務(wù)器機群中[2]，如圖1所示。

　針對數據中心的能耗評測標準，由工業(yè)和信息化部、國家發(fā)改委指導，云計算發(fā)展與政策論壇編制，在2012年４月份發(fā)布了《數據中心能效測評指南》。其中指出了4個(gè)數據中心能效關(guān)鍵指標，分別為：電能利用效率（PUE）、局部PUE（pPUE）、制冷/供電負載系數（CLF/PLF）和可再生能源（RER）利用率等[3]，以此來(lái)規范綠色數據中心的建設標準。
1 整體技術(shù)方案
　目前在建設數據中心時(shí)，為了減少降溫空調的用電量，從而降低PUE值，國內業(yè)界提出了很多解決方案，并嘗試過(guò)諸如空調下送風(fēng)降溫數據中心方案、集裝箱密封降溫的高密度數據中心解決方案等。業(yè)界甚至提議，利用南極和北極的天然冰山的優(yōu)勢，將數據中心建在南極和北極上，從而實(shí)現無(wú)電降溫用電。最近又出現了“高溫機房”的概念，即不給機房降溫，以使空調用電降至為零。
　在研究數據中心能耗時(shí)不難發(fā)現，需要空調降溫的原因歸根結底是服務(wù)器耗電量大，耗電最終轉化為熱量。因此在建設數據中心時(shí)，只是單純地想方設法提高空調降溫效率，而不把重點(diǎn)放在如何降低服務(wù)器能耗的核心問(wèn)題上來(lái)，始終是治標不治本。PUE值也只是反映IT設備用電量的比值，并沒(méi)有指出直接降低IT設備用電量本身。而降低服務(wù)器機群的用電量，才是降低降溫用電量、降低機房總體用電量的根本之策。
因此，本文在綜合研究了數據中心耗電的核心問(wèn)題的基礎上，提出了全太陽(yáng)能數據中心整體技術(shù)方案：（1）針對數據中心耗電的根源（服務(wù)器耗電），制定根治數據中心能耗的技術(shù)路線(xiàn)，從減少服務(wù)器耗電著(zhù)手，進(jìn)而減少服務(wù)器電能轉化成熱能的數量，從而使得空調降溫用電同比減少，最終從根本上解決數據中心的耗電問(wèn)題；（2）在此基礎上，有效地采用清潔、可再生能源——太陽(yáng)能，使傳統能源的消耗降至最低水平，成為后備電源，而太陽(yáng)能成為數據中心的主供電源；（3）由于太陽(yáng)能光伏發(fā)電是直流電，因此，高壓直流配電系統是適應太陽(yáng)能主供電而設計的配電系統；（4）為保證蓄能和不間斷供電，本文還采用了分布式、內嵌式UPS電源技術(shù)，把小型嵌入到服務(wù)器的電源模塊，設計出適應交流和直流同時(shí)使用的電源模塊（即異種電源雙回路不間斷服務(wù)器專(zhuān)用電源模塊）?？傊?，這四大專(zhuān)項技術(shù)緊密接合，創(chuàng )新組合，是建設全太陽(yáng)能數據中心的核心技術(shù)。
2 四大專(zhuān)項技術(shù)介紹
2.1 微服務(wù)器集群
　服務(wù)器主板的功耗主要集中在CPU芯片上，因此要有效地解決數據中心的能耗問(wèn)題，就必須設計出更低功耗的CPU芯片。參考文獻[4]中指出：“芯片級每降低1 W的功耗，由此而帶來(lái)的電源轉換、配電系統、UPS、制冷系統和變壓器等一系列設備的功耗降低，將會(huì )達到2.68~2.84 W”。這些都表明了，從芯片級入手，研究超低功耗的CPU，才是實(shí)現綠色節能的首要措施。
　CPU芯片是數據中心計算能力的動(dòng)力來(lái)源，當前有兩種提高CPU計算能力的方法：其一是提高CPU主頻；其二是增加CPU（核）的數量。根據研究顯示，如果采用第一種方法來(lái)解決計算能力，其功耗將以指數（主頻的三次方）迅速增加。而第二種方法的基本原理是為服務(wù)器安裝更多的CPU或者增加單個(gè)CPU的內核，以提高服務(wù)器的計算能力。這條路線(xiàn)在提高處理能力的同時(shí)，功耗僅僅是同比線(xiàn)性增加。
　因此，本文采用嵌入式SoC作主芯片，配合最少的外圍芯片，僅由Flash作ROM內存，構成一個(gè)超低功耗的計算節點(diǎn)（也稱(chēng)“云計算節點(diǎn)”），多個(gè)計算節點(diǎn)構成一臺“微服務(wù)器”，微服務(wù)器集群式應用，構成數據中心最基礎的硬件平臺。由于微服務(wù)器的超低功耗特性，最終實(shí)現了在提高計算能力的同時(shí)，又不會(huì )大幅度地增加功耗。采用本文方法，可以像“高溫機房”那樣，免去強制降溫用電，數據中心的用電量可減少到原來(lái)的25%。
2.2 太陽(yáng)能光伏發(fā)電作為主電源
　太陽(yáng)能光伏發(fā)電是目前最佳的清潔能源選擇。但對于太陽(yáng)能光伏發(fā)電本身而言，存在兩個(gè)難點(diǎn)問(wèn)題：一是單位發(fā)電場(chǎng)所發(fā)出的電量不高；二是發(fā)電時(shí)間不均勻。而且不論并網(wǎng)輸送，還是離網(wǎng)應用，都需要增加太陽(yáng)能光伏蓄能設備，大大提高了發(fā)電成本。
　但由于本方案采用超低功耗的微服務(wù)器作為數據中心的服務(wù)器設備，因此，完全可以使用太陽(yáng)能作為數據中心的主供電源，交流電僅是在陽(yáng)光照射的有效時(shí)間低于設計值時(shí)，作為補充性輔助電源使用。而且可充分利用機房樓頂、鄰近空地，就地取材，因地制宜，無(wú)需太大空余場(chǎng)地，取得經(jīng)濟和工程上的可行性。同時(shí)，數據中心的UPS設備可充當太陽(yáng)能發(fā)電的蓄能設施，減少了設備投入。而且太陽(yáng)能光伏發(fā)電所產(chǎn)生的是直流電，這樣在給蓄電池充電時(shí)不需要進(jìn)行整流，減少了部分整流設備的損耗，提高了電能的利用率。
2.3 創(chuàng )新高壓直流供配電技術(shù)
　由于太陽(yáng)能作為主供電源，因此數據中心供配電系統采用創(chuàng )新性的高壓直流供配電。這種創(chuàng )新性貫穿在整個(gè)供配電系統中，從DC 240 V的太陽(yáng)能光伏發(fā)電到DC 240 V的蓄電池儲能，再到DC 240 V的服務(wù)器電源輸入，最后到服務(wù)器主板的低壓直流，整個(gè)供電、配電、變換過(guò)程都是直流電，僅一次DC-DC變換，把供配電損耗控制在8%以下，大大提高了能源的利用率。DC 240 V高壓直流標準可以兼容目前大部分常規服務(wù)器和數據交換機的電源接口。
2.4 UPS嵌入式電源模塊
　本文采用UPS嵌入式電源模塊，并對其進(jìn)行了特殊設計：
?。?）異種電源雙回路輸入。一路來(lái)自太陽(yáng)能高壓直流（DC 240 V），一路來(lái)自市電高壓交流（AC 220 V）。
?。?）小型分布式的UPS。電源模塊嵌入鎳氫電池或鋰電池，既可以實(shí)現異種電源雙回路的在線(xiàn)切換，又可以充分使用太陽(yáng)能。
　本方案由于每臺微服務(wù)器自帶了小型UPS，數據中心集中配備的UPS模組可以使用數量較少的蓄電池，減少了一次性的投資；同時(shí)還采取提高數據中心的可管理性、穩定性與系統規模及結構等變化時(shí)的高度適應性。
3 全太陽(yáng)能數據中心實(shí)踐
　采用這4項技術(shù)進(jìn)行創(chuàng )新性組合，與中國聯(lián)通公司合作，建立了中國第一個(gè)以太陽(yáng)能為主供電源、微服務(wù)器集群架構、全高壓直流配電、異種電源雙回路不間斷服務(wù)器專(zhuān)用電源模塊為整體解決方案的全太陽(yáng)能數據中心，其節能效果和采用綠色能源比例等指標達到國際領(lǐng)先水平。全太陽(yáng)能數據中心的整體框架如圖2所示。

　在應用方面，則采用混合MIPS和X86兩種不同的云計算節點(diǎn)進(jìn)行應用。而出租經(jīng)營(yíng)方面，則有兩種方式，可以包年出租微服務(wù)器，也可以對資源進(jìn)行計時(shí)出租。
　經(jīng)過(guò)長(cháng)期的實(shí)際運行與測試，對全太陽(yáng)能數據中心與同等規模的普通數據中心的電能消耗情況進(jìn)行了對比，其結果如表2所示。

　社會(huì )效益方面，全太陽(yáng)能數據中心在大幅降低耗電量的同時(shí)，進(jìn)而采用清潔的太陽(yáng)能，大大減少了傳統電能的使用，約節省3億度傳統電能，節能減排效果顯著(zhù)，經(jīng)計算，相當于節約燃煤100萬(wàn)噸/年（按照1噸煤可以發(fā)電3 000度）、減少的碳排放為245萬(wàn)噸/年（一噸標準煤會(huì )帶來(lái)2.456 7噸的二氧化碳排放量），這相當于6 700公頃森林一年所吸收的二氧化碳。
　在實(shí)際運行的過(guò)程，由中國聯(lián)通數據中心提供的數據，本文對常規服務(wù)器機柜出租情況進(jìn)行了詳細的分析。分析情況如下：按照聯(lián)通公司提供原來(lái)服務(wù)器機群條件的經(jīng)營(yíng)數據，代入新的微服務(wù)器集群參數后計算得到