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规划措施实施绿色数据中心

发布时间:2019-08-20 11:07:41 编辑:笔名

Neil Rasmussen,施耐德电气旗下的APC 高级创新副总裁

数据中心的电力成本是一项巨大的运营成本,这一成本可以管理,也应该加以管理。进行了降低能耗设计的数据中心还可以节约其他成本,例如与电源和冷却系统相关的投资成本和运营成本,同时还可节约空间。

施耐德电器旗下的APC(以下简称APC)研究数据表明,数据中心使用的能源只有大约一半甚至不足一半消耗在 IT 负载上。另一半消耗在包括电源设备、冷却设备和照明设施在内的数据中心物理基础设施 (DCPI) 设备上。需要注意的是,数据中心消耗的所有能源终都会以废热的形式排放到室外大气中。下图是根据采用 2N 电源设备和 N+1 冷却设备、在大约 30% 的额定容量下工作的典型数据中心。根据输入电能中实际消耗在 IT 负载上的比例,此数据中心的效率为 47%。

现有数据中心的电力消耗可以通过各种低成本方法加以降低,但主要还是通过迁移到更节能的计算平台这一手段。对于新的数据中心,在 IT 架构和 DCPI 架构方面还可有其他选择,从而获得更大的节约效果。

对数据中心“效率”的探讨即对“电能消耗(KW)”的探讨。通过降低能源消耗,可以降低能源成本以及与功率容量相关的成本,例如UPS 成本、发电机成本、空调设备成本和配电设备成本。也就是说,如果一种实施方法在许多情况下可以节约电能,则它也能够减少 DCPI 基础设施成本(主要由负载功率需求引发)。

IT 设备能源消耗的降低

[page] 数据中心的能耗主要来自 IT 设备的电能开销。IT 设备的能耗直接导致电费开支,并由于要求配备同样消耗相应电量的各种电源和冷却设备而导致间接的电费开支。目前,企业可以从运营和规划两方面入手,系统化地降低能耗。

运营措施:淘汰某些系统、以高效的方式使用现有系统,以及迁移到更节能的平台

规划措施:虚拟化和标准化

运营措施:淘汰某些 IT 系统

大多数数据中心仍有旧的技术平台处于运行中,供进行存档或研究之用。实际上,大多数数据中心都有一些应用服务器在运行,但根本没有用户。盘存这些系统并制定淘汰计划是很有用的。在许多情况下,即使系统没有实际淘汰,也可以使其脱机并关闭。

一种相应的方法是,将多个旧技术平台上的应用合并到新服务器上,从而大幅度减少服务器总数。这种类型的合并不需要虚拟化。一般情况下,这种方法可以降低多达 20% 的能耗。即使未减少占地面积,但因用户部署的 IT 设备密度更高,恢复的功率容量也非常可观。

运营措施:以高效的方式使用现有系统

如今,大多数新服务器都具有电源管理功能。也就是说,它们可以在计算负载下降时降低能耗。在可能的情况下,企业应在具有电源管理功能的所有设备上启用该功能。

[page] 电源管理功能可以降低总用电量,但不能降低功率容量需求。

运营措施:迁移到更节能的计算平台

迁移到电力效率更高的平台是降低能耗的另一种有效策略。大多数数据中心都有已投入使用 3 至5 年的所谓“低密度服务器”。通常,这些服务器每台消耗的电能与如今的刀片式服务器相当或更低,而每台的体积要大得多。从传统服务器逐台迁移到现代的刀片式服务器通常并不能降低总能耗,甚至有可能增加能耗。不过,这种迁移可以实现高得多的服务器组合密度。刀片式服务器产生的热量并不比同等的 1U 服务器多,但产生热量的面积更小,这会导致排热问题,因此会使人觉得刀片式服务器产生的热量过多。

在规划新服务器部署时,使用刀片式服务器而非其他形式的服务器通常会降低 20% 的能耗。这是因为通常刀片式服务器的电源效率更高,并且能够共享某些开销功能,如风扇。需要了解的是,与其他服务器形式相比,在新部署设备时选择刀片式服务器形式可以降低能耗,但刀片式服务器的能耗并不一定比旧服务器低。

通过上述讨论可以看出,迁移通常并不是降低能耗的有效手段。至于新服务器技术帮助降低能耗的主要方法,一是通过合并服务器上的应用来减少服务器总数,二是对服务器进行虚拟化。

规划措施:虚拟化

服务器虚拟化可大幅降低 IT 功率需求。虚拟化几乎总是能够大幅度减少所安装的服务器数量。消除一台服务器可以产生约 200 至 400 瓦的结构性节能,具体取决于所使用的技术。因此,每消除一台服务器,每年可节约能耗约为 380 美元,这一结构性节约在 10 年内节约的总 TCO 成本约为每台服务器 7,680 美元。这一节约数额明显大于服务器本身的成本。

规划措施:标准化

[page] 即使未使用虚拟化,对节能服务器实行标准化也是一种非常有效的方法。如今,刀片式服务器是电力效率的服务器形式。不过,一个刀片式服务器系统可以使用的刀片形式在性能和能耗方面差异巨大。基于服务器的应用的性能需求往往难以事先预测,因此,用户往往会以大量增加能耗为代价来指定尽可能高的性能。

如果服务器已经虚拟化,那么使用性能的服务器的策略一般是地降低总体能耗的途径。不过,如果根据应用来部署服务器,则应当使服务器的性能与应用需求相匹配,这样才可以做到节能。对于对刀片式服务器系统实行标准化并根据应用来部署服务器的用户,可以选择对两台刀片式服务器实行标准化,即一台高性能/高功率刀片式服务器和一台低性能/低功率刀片式服务器。能耗范围可以大于 2:1。合乎逻辑的策略是,默认情况下,在低性能刀片式服务器上部署应用,而仅在需要时,才迁移到高性能刀片式服务器上。刀片式服务器便于预配置,这使上述过程变得很容易。通过这种方式,典型的商业数据中心可以节约 10% 或更高的结构性 IT 负载能耗。

DCPI 设备能源消耗的降低

通过以下技术可以降低 DCPI 设备的能源消耗:根据负载适度规划 DCPI 系统的规模,使用高效的 DCPI 设备,以及设计节能的系统。

适度规划规模

在可供用户使用的所有方法中,根据负载适度规划 DCPI 系统的规模对 DCPI 的耗电量影响。

大多数用户都不知道,不管是否存在 IT 负载,电源和冷却系统中都存在固定的损耗,而且这些损耗与系统的总额定功率成正比。在典型安装中,这些固定损耗是 DCPI 耗电量的主要形式。在IT 负载很小的安装中,DCPI 设备的固定损耗通常会超过 IT 负载。一旦 DCPI 系统规模过大,固定损耗占总电费的比例就会提高。对于其负载仅为额定负载的 30% 的典型系统,每千瓦 IT 负载每年的电力成本约为 2,300 美元。如果根据负载适度规划系统的规模,每千瓦 IT 负载每年的电力成本降至大约 1,440 美元,电力成本节约 38%。

值得注意的还有电力成本节约之外,适度规划可以使花费在用于支持IT 负载的数据中心物理基础设施方面的投资和运营成本上每千瓦每年1,400 美元的节约,几乎能与电力成本的节约相媲美。

节能的系统设计

[page] 系统设计对数据中心的电力消耗具有巨大的影响,由相同设备组成的两个数据中心的电费开支可能会有明显的不同。因此,系统设计在决定数据中心效率方面所起的作用甚至超过了电源和冷却设备的选择。

使用高效的 DCPI 设备

尽管与 IT 架构、DCPI 适度规划或 DCPI 系统设计相比 DCPI 设备(比如电源和冷却设备)的选择对系统总耗电量的影响较小,但在设计节能高效的数据中心时,设备的选择仍然是一个重要因素。

即使是在相同条件下运行的相同类型的 DCPI 设备,彼此的电力损耗也存在巨大差异。例如,美国电力研究所 2005 年 12 月的一篇论文称,在 30% 额定负载条件下工作的不同 UPS 系统的损耗介于 4% 到 22% 之间,相差达 500%。

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