如何降低數(shù)據(jù)中心能耗?

由于目前經(jīng)濟不景氣，數(shù)據(jù)中心經(jīng)理不得不在有限的資金預(yù)算條件下滿足苛刻的業(yè)務(wù)需求。他們一直在千方百計的削減運營成本，目前數(shù)據(jù)中心運營成本中增長最快，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(tǒng)所消耗。

　　不幸的是，目前大多數(shù)高效的節(jié)能技術(shù)都需要相當(dāng)可觀的前期投資，并且在數(shù)年后才會帶來回報。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)看起來不切實際，或是過于極端。我們在以下為大家列出的8種節(jié)能方法已經(jīng)在實際的數(shù)據(jù)中心環(huán)境中測試過，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(tǒng)的IT資本支出回報率相比，獲得回報的周期要更短。

　　數(shù)據(jù)中心能源效率的衡量標(biāo)準(zhǔn)是能源利用率(PUE)，也就是數(shù)值越低越好，1.0是一個理想數(shù)值。PUE指數(shù)據(jù)中心總電力消耗量與轉(zhuǎn)化為有效計算任務(wù)的電力消耗的比值。2.0意味著輸入數(shù)據(jù)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(zhuǎn)化為了熱能，這導(dǎo)致傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心冷卻系統(tǒng)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，但是你可以通過檢查每月的賬單來評估它們的效率。節(jié)約資金才是真正的目的所在。

　　在我們列出的方法中，你找不到太陽能、風(fēng)能或是氫能源。因為這些替代能源需要對先進技術(shù)進行大量投資。在目前的經(jīng)濟危機中，這無疑無法馬上實現(xiàn)成本節(jié)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(fù)雜的技術(shù)。

　　這8種方法分別是：

　　極端節(jié)能方法1：調(diào)高溫度設(shè)置。你在今天下午就可以使用這種最簡單的節(jié)能方法：調(diào)高數(shù)據(jù)中心恒溫器的溫度設(shè)定值。傳統(tǒng)觀念認為數(shù)據(jù)中心溫度應(yīng)當(dāng)設(shè)定在華氏68度以下。通常人們認為，這種溫度設(shè)置能夠延長設(shè)備的使用壽命，萬一冷卻系統(tǒng)失靈，管理員也可以獲得更多的反應(yīng)時間。

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

　　在去年召開的GreenNet 會議上，谷歌的“綠色能源沙皇”Bill Weihl介紹了谷歌提高數(shù)據(jù)中心溫度設(shè)置的經(jīng)驗。他稱， 華氏80度是新的安全設(shè)置溫度。不過你的數(shù)據(jù)中心需要首先滿足一個簡單的先決條件：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，可以使用厚塑料門簾或是隔熱板。

　　盡管谷歌稱華氏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(shè)置的更高些。微軟在愛爾蘭都柏林的數(shù)據(jù)中心使用的是“無冷卻器”模式，它們用免費的外部空氣進行冷卻，服務(wù)器進風(fēng)口的溫度為華氏95度。需要注意的是，隨著設(shè)定溫度的提高，會出現(xiàn)一個收益遞減點，因為服務(wù)器風(fēng)扇轉(zhuǎn)速的增加將導(dǎo)致能源消耗增長。極端節(jié)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、硬盤和內(nèi)存休眠所帶來的節(jié)能優(yōu)勢。那么為什么不關(guān)閉整個服務(wù)器呢?讓服務(wù)器時刻處于準(zhǔn)備狀態(tài)所帶來的“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)器來說是這樣。不過，你首先需要面對的是那些異議人士提出的反對意見。

　　他們往往認為重新啟動會降低服務(wù)器的平均壽命，因為電壓會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：實際情況是，服務(wù)器的組件與汽車和醫(yī)療設(shè)備等一些頻繁啟動的設(shè)備所用的組件是相同的。沒有證據(jù)能夠證明頻繁啟動將降低服務(wù)器的MTBF(平均故障間隔時間)。

　　第二個錯誤認識是，服務(wù)器啟動需要很長時間。對于這種情況，你可以通過關(guān)閉啟動時的診斷檢查，從硬盤鏡像啟動，以及利用一些硬件具有的熱啟動功能縮短啟動時間。

　　第三種反對意見是：如果我們必須啟動一臺服務(wù)器以適應(yīng)增加的負載，這時用戶不希望等待——無論啟動速度有多快。然而，即使程序申請速度非常慢，大多數(shù)應(yīng)用架構(gòu)都不會拒絕新用戶，這樣一來，用戶根本意識不到他們是在等待服務(wù)器啟動。事實證明，當(dāng)應(yīng)用受到使用人數(shù)限制影響時，只要能夠向用戶發(fā)出“我們正在啟動更多的服務(wù)器以提高你的申請速度”這一信息，用戶是愿意進行等待的。

　　極端的節(jié)能方法3：使用免費的外部空氣進行冷卻。較高的數(shù)據(jù)中心溫度設(shè)置將為你使用第二種節(jié)能方法做好準(zhǔn)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源，不再需要昂貴的冷卻器，微軟設(shè)在愛爾蘭的數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)中心即可進行冷卻。

　　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(shù)據(jù)中心內(nèi)。此外，還需要安裝一些基本的安全設(shè)備，如空氣過濾器、干燥器、防火風(fēng)閘和溫度傳感器，以確保外部空氣不會損壞精密的電子設(shè)備。

　　在試驗中，英特爾通過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(tǒng)的冷卻器進行降溫，第二組使用外部空氣冷卻系統(tǒng)與冷卻器聯(lián)合冷卻方式，兩組服務(wù)器運行了十個月。其中，第二組服務(wù)器有91%的時間使用的是外部空氣冷卻。英特爾發(fā)現(xiàn)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(tǒng)除需要安裝大顆粒雜質(zhì)過濾器外，還需要安裝一個細顆粒雜質(zhì)過濾器。此外，由于需要頻繁更換過濾器，因此在實際使用中需要采用易清潔并可反復(fù)使用的過濾器。

　　盡管積灰嚴(yán)重，溫度變化范圍較大，但是英特爾發(fā)現(xiàn)使用外部空氣冷卻的服務(wù)器故障率并沒有增加。據(jù)此，以一個功率為10兆瓦數(shù)據(jù)中心為例，每年可節(jié)約冷卻成本300萬美元，以及7600萬加侖水，在某些地區(qū)水的價格非常高。

　　極端節(jié)能方法4：用數(shù)據(jù)中心冷卻后產(chǎn)生的熱空氣為辦公室供暖。你可以通過用數(shù)據(jù)中心冷卻后產(chǎn)生的熱空氣為辦公室供暖的辦法將節(jié)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(shù)據(jù)中心降溫。在天冷的時候，你可以獲得充足的暖氣。與此同時，數(shù)據(jù)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(tǒng)。也就是說，你不再需要一個一人多高的取暖爐。你也不用擔(dān)心數(shù)據(jù)中心電子設(shè)備在產(chǎn)生的熱量時會施放出有害物質(zhì)。如今符合《關(guān)于限制在電子電器設(shè)備中使用某些有害成分的指令》(RoHS)的服務(wù)器在生產(chǎn)時已經(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(diào)系統(tǒng)(HVAC )方面的經(jīng)驗：風(fēng)扇、通風(fēng)管道和恒溫器。你會發(fā)現(xiàn)你的數(shù)據(jù)中心可提供足夠的熱量，能夠替代傳統(tǒng)的取暖系統(tǒng)。IBM位于瑞士Uitikon的數(shù)據(jù)中心為當(dāng)?shù)胤骄用衩赓M供暖，節(jié)約的能源成本相當(dāng)于80戶居民的取暖費用。TelecityGroup Paris甚至將數(shù)據(jù)中心冷卻后產(chǎn)生的熱空氣常年供應(yīng)一些溫室以支持氣候變化研究。

　　重新布置你的取暖系統(tǒng)可能需要花費一周的時間，但是由于成本很低，你在一年內(nèi)，甚至更短的時間內(nèi)即可獲得收益。

　　極端節(jié)能方法5：為頻繁讀取的數(shù)據(jù)集配置SSD(固態(tài)硬盤)。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、可靠性低等缺點阻礙了其在服務(wù)器上的部署。幸運的是，SSD的價格在近兩年出現(xiàn)了大幅下降，數(shù)據(jù)中心可通過部署SSD實現(xiàn)快速節(jié)能，你只需將一些應(yīng)用存儲在SSD上即可。如果配置合理，SSD可大幅降低磁盤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無法克服的一個問題是寫入操作次數(shù)有限。目前適合服務(wù)器存儲的單層單元(SLC)固態(tài)硬盤的寫入次數(shù)約為500萬次。低成本的消費級多層單元(MLC)固態(tài)硬盤雖然容量比SLC固態(tài)硬盤要大，但是壽命僅為后者的十分之一。

　　好消息是，你可以從市面上買到接口兼容的固態(tài)硬盤，以替代現(xiàn)有的高能耗、高發(fā)熱量的機械硬盤。為了迅速降低能耗，可將一些通常只需要讀取的數(shù)據(jù)集存儲在SSD上，如流視頻文件。這樣就不會遇到SSD的寫入次數(shù)限制問題。除了降低能源和冷卻成本外，啟動速度也將大幅提升。

　　此外，在選擇固態(tài)硬盤時，應(yīng)當(dāng)選擇服務(wù)器專用固態(tài)硬盤，而不要選擇臺式機專用固態(tài)硬盤。服務(wù)器專用固態(tài)硬盤為了提高吞吐量，多采用多通道架構(gòu)。常用的SATA 2.0接口的固態(tài)硬盤傳輸速率為3Gbps，而日立與英特爾聯(lián)合推出的Ultrastar高端SAS固態(tài)硬盤的傳輸速率可達到6Gbps，容量可達400GB。盡管SSD 還存在一些設(shè)計缺陷，但這主要涉及到臺式機和筆記本電腦固態(tài)硬盤的BIOS密碼和加密問題，而服務(wù)器專用固態(tài)硬盤根本不存在這方面的問題極端節(jié)能方法6：在數(shù)據(jù)中心使用直流電。是的，重新使用直流電。道理很簡單：服務(wù)器在內(nèi)部使用的是直流電，這樣可能消除為服務(wù)器供電時將交流電轉(zhuǎn)換為直流電這一環(huán)節(jié)，實現(xiàn)迅速節(jié)能。

　　在21世紀(jì)初，直流電在數(shù)據(jù)中心中非常流行。因為當(dāng)時數(shù)據(jù)中心的服務(wù)器電源轉(zhuǎn)換效率僅為75%。但是隨著電源轉(zhuǎn)換效率的提高，數(shù)據(jù)中心開始采用效率更高的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，這要歸功于高電壓數(shù)據(jù)中心產(chǎn)品的出現(xiàn)。

　　在早期的數(shù)據(jù)中心當(dāng)中，電力公司輸出的 16000伏交流電先被轉(zhuǎn)換為440伏交流電，然后再轉(zhuǎn)換為220伏交流電，最后再轉(zhuǎn)換為110伏交流電后才提供給服務(wù)器。每一次變壓都會浪費一些電力，由于轉(zhuǎn)換率低于百分之百，損失的電力被轉(zhuǎn)化為熱能(由于需要冷卻系統(tǒng)將這些熱量散掉，因此將導(dǎo)致更多的電費開支)。直接轉(zhuǎn)換為 208 伏交流電可以減少一次變壓，當(dāng)時服務(wù)器內(nèi)置電源最大效率為95%。

　　到了2009年，新的數(shù)據(jù)中心設(shè)備可以將電力公司輸出的13000伏交流電直接轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)換時的效率都是老式AC 變壓技術(shù)的兩倍，并且轉(zhuǎn)化的熱量也更少。盡管廠商宣稱，可以節(jié)約50%的能耗，不過大多數(shù)專家認為節(jié)約能耗25%更為可信。

　　這種方法需要一些資金投入，不過所涉及的技術(shù)并不復(fù)雜，并且已經(jīng)被證實十分有效。一個潛在的隱性開銷是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(dǎo)線。

　　極端節(jié)能方法7：將熱量排入地下。在氣候比較溫暖的地區(qū)，外部空氣冷卻無法常年使用。比如，愛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行冷卻。

　　通常地下數(shù)英尺處的溫度相對較低，并且比較衡定。地下幾乎不會受到如下雨、酷暑等戶外天氣的影響。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行循環(huán)，這樣冷卻水的熱量就被周圍溫度較低的土壤所吸收。

　　雖然這一技術(shù)并不復(fù)雜，但是地溫冷卻需要大量的管道。與此同時，建立一個成功的地溫冷卻系統(tǒng)需要進行仔細的分析和計算。由于數(shù)據(jù)中心是持續(xù)產(chǎn)生熱量，單一的地溫冷卻槽將導(dǎo)致周圍土壤溫度飽和，進而導(dǎo)致冷卻系統(tǒng)失靈。你需要分析一下數(shù)據(jù)中心周邊土地的散熱能力，確定特定區(qū)域內(nèi)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，以及會對環(huán)境帶來什么影響。

　　極端節(jié)能方法8：通過管道將熱量排到大海里。與地溫冷卻系統(tǒng)不同，大?？梢詿o限地吸收數(shù)據(jù)中心排出的熱量。海水冷卻系統(tǒng)與地溫冷卻系統(tǒng)相似，不過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(shù)據(jù)中心的冷卻水是最為理想的情況。在濱海地區(qū)，通過熱交換器，海洋可為數(shù)據(jù)中心降溫。谷歌在2007年為此申請了專利。不過，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(shù)據(jù)中心緊鄰海邊、大型湖泊或是內(nèi)陸水道，那就情況就非常簡單。數(shù)十年來，核電站就一直在用海水或湖水降溫。“瑞典計算機”網(wǎng)站在去年秋天曾經(jīng)報道稱，谷歌在芬蘭Hamina將一個紙漿廠改造成了一個采用這種冷卻方式的數(shù)據(jù)中心。該數(shù)據(jù)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，這些海水還作為數(shù)據(jù)中心的緊急消防用水。谷歌的實踐證明該方案具有極高的可靠性。由于原紙漿廠已經(jīng)鋪設(shè)了用于從波羅的海抽取海水的直徑2英尺的管道，因此谷歌在改造時省去了不少開銷。

　　淡水湖也可以用于冷卻數(shù)據(jù)中心。美國康奈爾大學(xué)位于紐約伊薩卡的校區(qū)利用附近的卡尤加湖為其數(shù)據(jù)中心和整個校園提供冷卻用水。為此，該校區(qū)在2000年率先建立起了一個名為“湖水冷卻系統(tǒng)”的冷卻設(shè)施。該設(shè)施每小時可抽取3.5萬加侖水，并將這些華氏39度的湖水輸送至2.5英里處的校園內(nèi)。

　　無論淡水還是海水冷卻系統(tǒng)都需要一個昂貴的組件——用于冷卻數(shù)據(jù)中心的熱交換器。這種熱交換器可將用于直接冷卻數(shù)據(jù)中心的冷卻水與外部抽取過來的天然冷卻水隔離。這種隔離是必須的，萬一出現(xiàn)泄漏，既可保護環(huán)境，也可以保護精密的服務(wù)器設(shè)備。除了昂貴的熱交換器外，海水或湖水冷卻系統(tǒng)只需要一些普通的水管。

　　你希望節(jié)省多少資金呢?這些技術(shù)的價值在于它們并不互相排斥：你可以同時使用多種方法來實現(xiàn)你的短期目標(biāo)和長期目標(biāo)。你可以先采用最簡單的辦法——提高數(shù)據(jù)中心的溫度設(shè)置，然后再根據(jù)節(jié)約情況評估一下剩余的其它節(jié)能七種方法