低碳能效型水利数据中心的规划与建设

马泽生，徐静保

（淮河水利委员会水文局（信息中心），安徽 蚌埠 233001）

0 引言

随着中国经济社会的不断进步、信息技术的迅猛发展和水利事业的全面推进，水利信息化逐步深入。特别是 2003年第1次全国水利信息化工作会议以来，全国水利系统坚持以水利信息化带动水利现代化，紧紧围绕水利中心工作，认真组织实施全国水利信息化规划，初步形成了由基础设施、应用系统和保障环境组成的水利信息化综合体系，有力推动了传统水利向现代水利、可持续发展水利转变。

水利数据中心是水利信息化的重要基础设施之一，对于开发信息资源，实现资源整合，促进信息共享，提供信息服务，支撑业务应用，不断提升水利信息化水平和效益具有核心作用[1]。作为水利部确定的水利信息化近期8大重点工程之一，顺利推进和实施水利数据中心建设也是当前和今后一段时期水利信息化建设的重要任务。

与此同时，能源和环境问题已经成为当今社会人们共同关注的焦点，绿色低碳、节能降耗已成为关系到国计民生、国家安全、国际竞争力、资源和环境保护等的重大问题。其中，数据中心节能一直是节能环保的关键环节，随着信息技术的发展和普及，数据中心的设备数量快速增长，导致数据中心能耗需求的增长速度远高于其它领域。那么，目前低碳能效型数据中心有哪些含义？如何规划与建设？需要哪些核心的技术？如何衡量是否成功？需要进行一些讨论和探索。

1 低碳能效型水利数据中心的内涵

根据 TIA/EIA-942数据中心标准，典型的数据中心包括数据中心楼宇与机房、环境与安保监控系统、供配电系统、散热系统、网络与综合布线、服务器与存储基础设施、安全系统等组成部分[2]。有关水利数据中心的具体内容和基本技术要求，在已经发布的《水利数据中心建设指导意见》和《国家水利数据中心建设基本技术要求》等文件当中已有详细说明，下面主要从如何综合考虑数据中心低碳、能效的层面展开分析和讨论。

从业务部门的角度来看，数据中心需要能够保障业务的连续运行，适应业务变化，促进业务创新，符合法规制度的要求。从信息系统管理运维部门的角度来看，数据中心是否能够安全可靠地提供服务、系统利用率如何，如何降低运维成本，提高投入回报和运行效益，简化运维管理是主要问题。

因此，数据中心的整体规划应当针对水利事业发展的需求，不仅要做好针对单个应用的项目规划，更需要针对整体的应用需求来规划。在整体规划的基础上把信息、网络、服务器、存储等资源进行整合并提供共享机制。业务应用根据各自的需求，随时可以得到资源配置，整个配置和部署的过程能够自动实现。

数据中心实现资源的共享，才能实现按需供应，这样配置好1个应用系统之后，计算、存储资源等才能够被高效的利用，不同系统之间才能实现互相调用，实现自动化动态管理以后才能建立面向服务的数据中心[3]。这样，数据中心就更具有弹性和可扩展性，具备面向服务，按需配置，自动化动态管理的特点，能够更好地适应业务应用和技术的不断发展。

在规划建设数据中心面临的诸多问题面前，对于“绿色环保、低碳能效”的认识存在不足是较为普遍的现象。通常只是重点关注数据中心的处理能力要多少，磁盘阵列要多大，网络怎么规划，UPS 如何配置等等。而对其能耗、空调、环保设计还缺乏认识，或者根本没有把节能、降耗、运营成本等进行综合考虑。实际上，技术的发展已经使得计算能力成为一种一般商品，而电力却从以往的一般商品上升为焦点。

节能减排是国家可持续发展的战略决策，需要加大力度提高对建设低碳能效型数据中心的认识。因此，降低能耗，节省空间，提高网络、服务器、存储设备等的利用率，动态智能化监控管理，限制使用有害物质，减少噪音等措施的综合运用可以作为绿色数据中心建设的基本内涵[4]。其关键要素应当包括业务连续、成本降低、性能提升、管理智能、安全可信、绿色环保等几个方面。设计原则应当做到标准化与简易化、模块化与集成化、节能与节省空间、高性能与高可用性等[2]。

2 现状评估与分析

首先，需要对数据中心的现状作一个全面的了解，对其进行相应的成熟度评估。在评估的基础上，再根据自身需要，结合实际开展后续工作。

资料显示，在数据中心所有的用电量当中，冷却系统消耗33%，机房空调消耗9%，湿度消耗3%，PDU 消耗5%，UPS 消耗18%，照明、发电等消耗2%，实际上只有30% 左右的电量是提供给关键的 IT 设备，而70% 都被消耗掉[5]。典型的数据中心能耗分布及资源利用情况如图1所示[3]。

图1 数据中心能耗分布及资源利用情况

通过分析数据中心的能耗构成，不仅可以在服务器和网络通信、供电及制冷设备等方面进行节能，还可以在数据中心规划和建设，设备优化和管理、充分利用自然气候条件等方面采取一些行之有效的措施。

3 技术与最佳实践

3.1 冷却系统节能

充分利用自然冷却方式。冷却系统可以在冬季利用室外的冷空气，减少通过空调制冷的需求，减少用电量，同时减少对空调压缩机的损耗。这一点，我国大部分地区都具备实施条件。

由于高密度设备的使用，产生了机房局部高热密度现象。针对这一问题，可以采用机房高热密度制冷解决方案，例如采用支持 RDHX（背板热量交换器）的制冷系统。对于普通服务器和刀片式机柜，RDHX 可从每个机柜上带走最高20kW 的热量。

适当调高数据中心的工作温度。事实上，服务器等设备对数据中心环境的要求并非特别苛刻。主流品牌服务器要求的工作温度多在 10～35℃ 之间，湿度多在20%～80% 之间[6]。因此，可以适当调高数据中心的工作温度来达到节能的目的。

面积较大的数据中心可以考虑采用水冷方式散热。水冷系统通过精确、高效的热量交换，可减低至少80% 散发到机房里的热量，单机最大总制冷能力达到120或150kW，从而减少设备负荷。

3.2 合理设计气流通道

考虑解决不断增加的设备散热问题时，不要仅仅考虑简单增加空调功率。实际上，采用科学合理的冷热气流通道设计是一种行之有效的方法。

建立相互隔离的冷热通道，避免冷热空气相遇混合。机柜面对面形成冷风通道，背对背布置形成热风通道。冷通道布置风口地板，所有冷风在这里从地板下吹出来，送到服务器的正面，经过服务器后的热空气来到热通道，然后传输到天花板的热风口，最后经天花板上面的空间送到空调的回风口。下送风、上回风方式符合高温气体在上、低温气体在下的温度自然分布规律，提高冷风的利用率。这种方式所需送风量小，其达到的送回风温差比上送风方式，可节能20%～30%[3]。设计的冷热空气流通示意图如图2所示，冷热气流通道设计示意图如图3所示。

图2 冷热空气流通示意图

图3 冷热气流通道设计示意图

整理清除地板下阻碍送风的物件，适当提高地板高度，减少空调冷风传送过程中的阻力。所以，线缆采用顶部走线的方式也具有一定的节能作用。

注意封闭机架内、机架间减，机架底部的空隙。如采用气流管理挡板，线缆出入口使用垫圈密封等措施，费用很少，却能有效减少冷通道和热通道交流。

3.3 供电和 UPS 系统节能

精确规划计算供电功率，改造机房供电电源。交流电转化为直流电的效率一般为60%～65%，以外的能耗大多直接变成热量散出[3]。相对而言，直流供电在供电可靠性、电磁兼容性、能效比等方面有一定的优势，可以考虑逐步采用设备直流供电的方式。

减小 UPS 体积，保持 UPS 较高的负载率。一般情况下 UPS 的效率和负载功率是成正比的，采用模块化 UPS，可以按照负载的增加而增加，从而保持了 UPS 的高负载率，达到节能目的。

采用无变压器的 UPS 设备。传统 UPS 的整机效率只有75%～85%，但采用无变压器的机型，效率可提升至90% 以上。

3.4 采用高效节能型服务器设备

作为服务器的核心，CPU 芯片的能耗所占比例是最高的。在满足计算能力要求的前提下，选择可以动态调节 CPU 运算频率、具备电源管理功能、优化了结构和风扇设计的节能型服务器硬件。

考虑引进刀片式架构，同样的处理能力，刀片式服务器更能有效利用机架空间，具有更低的耗电量和散热量，可实现20%～44% 的能源节省。

3.5 通过整合服务器和存储系统节能

一方面提高单位空间的计算能力，另一方面要整合计算节点，做到一机多用，充分利用空闲的计算资源，从而节省计算节点的数量；对于存储节点而言，就要从根本上减少存储空间的需求。只有减少存储空间的需求，才能减少存储设备的数量，从而达到节能、少占用空间的目的。基于同样的原因，在减少交换机和 KVM 的数量方面也需要仔细衡量。经过整合，不仅提高了设备利用率，而且对场地、电力、制冷的要求也随之下降。

服务器、存储器、网络等基础设施资源可以通过虚拟化技术进行整合，形成共享基础设施的资源池，然后，共享资源池中的资源可按照每一应用系统的需求被初始化分配与快速部署。随后，在应用系统运行中，通过自动化资源管理工具，按照服务等级协议，对共享基础设施资源实施再分配，实现动态资源按需供应。服务器整合后，在性能相同的前提下，其平均利用率可以提高至80%～90%[3]。在考虑存储系统整合时采用数据分层、重复数据删除和压缩存储技术，以实现一数多用，提高空间高利用率。同时充分利用磁盘存储，减少磁带的使用。

3.6 采用动态智能的基础架构管理系统

利用传感器等设备，实时监测与计量设备运行状态，通过基础架构管理系统对收集和汇总的数据进行分析，根据负载和能耗情况，及时调整、控制设备运行，持续改进和优化数据中心运行效率[3]。

通过服务器能源管理系统，检测能源需求，限制用电量，让服务器处于节电模式下。针对高负荷机柜采用动态智能散热方案，动态监测机柜内部的温度和湿度，通过调节空调设备制冷，根据散热需求，动态提供冷却气流。对任务进行实时动态的调度，将部分低优先级任务推迟到非高峰能源使用的时间。

此外，对于数据中心内各类设备的管理，尽可能采用远程管理的方式，减少人员进入数据中心的频率，一方面可以降低数据中心环境和设备对人员健康的负面影响，同时减少对数据中心温湿度平衡状态的破坏，从而达到节省能耗的目的。

4 结语

数据中心各种设备运行和基础设施紧密关联，低碳能效型数据中心的建设涉及到信息和其它技术的结合，需要从整体进行节能规划，在每个设备和环节上一点一滴积累；需要采用创新的方式改造数据中心的基础设施，从静态、孤立和集中的架构过渡到动态、灵活和模块化的架构。通过各种努力，力争做到减少浪费，物尽其用，使数据中心从成本中心转化为服务、效益中心。

[1] 莫渭浓.水利数据中心建设初探[J].中国水利，2002（8）.http://datacenter.chinabyte.com/113/8579613.shtml,2008.

[2] 朱伟雄，王德安，蔡建华.新一代数据中心建设理论与实践.北京：人民邮电出版社，2009: 31-33.

[3] IBM公司.新一代数据中心建设[EB/OL].[2010-07-10]http://www.wenku.baidu.com/view/f9422a3b580216fc700afdco.html.

[4] 杜成章，杨东.任重而道远 绿色数据中心建设概述[EB/OL].[ ]2010-07-10]http://e.chinabyte.com/347/8260847.shtml.

[5] 网界网.新一代数据中心建设理念的借鉴[EB/OL].[ ]2010-07-10]http://www.stor-age.com/server/2008/1127/1255215.shtml,2008.

[6] 蒙克.建设新一代数据中心世纪互联的绿色实践[EB/OL].[ ]2010-07-10]http://www.cio360.net/h/1809/262731-9837.html.