数据中心节能减排研究

陈剑皓 符嘉成

摘 要：节能减排是目前全球经济发展的主题，特别是在中国当前提出“双碳目标”之后，显得非常重要。如何把节能减排融合到信息技术中，是数据中心日益关心的问题。油价和煤碳价格的上涨，导致电价不断上涨，大型数据中心的运营成本也持续上涨。如何对数据中心进行改造，降低其运营成本，助力“双碳”目标，是数据中心关注的焦点。

关键词：数据中心;节能减排

一、数据中心能耗分析

数据中心能耗包括服务器IT设备的能耗、空调制冷的能耗、UPS损耗的能耗、照明的能源及其它能耗。据美国采暖制冷与空调工程师学会（ASHRAE）技术委员会9.9（简称TC9.9）统计报告显示，数据中心各部分的用电量分布大致如下图所示：

由上图可以看出，数据中心能耗主要集中在空调制冷及服务器能耗两大部分，因此研究数据中心制冷系统节能和服务器机柜节能可以有效降低数据中心能耗水平。

二、制冷系统节能研究

1、FreeCooling模式研究

FreeCooling即自由冷，是利用自然环境中的外界空气温度来降低储水温度的一种方法。数据中心制冷系统应遵循制冷系统的原理和技术架构，影响其能耗的要素是温度差、压力差、传导路径、换热工质、设计选型、设备效率、自然冷却利用空间等。本文以北方W集团数据中心为实力进行分析，该数据中心制冷系统采用自然冷却（FreeCooling）技术，通过该技术使W集团数据中心达到节能减排的目的。

该数据中心面积约6000平方米，2015年投入运行。数据中心采用FreeCooling制冷模式。由于数据机房IT设备及其工艺对环境温度要求严格，空调系统全年运行，合理利用免费的自然环境能源降低数据机房的运行能耗。在冬季及过渡季节，当系统探测到外界温度低于4℃时，系统发出指令，指示冷水机组停止工作，此时在冷却塔经过自然降温之后的冷却水会和经精密空调排出的的热水将会在板式换热器处进行热交换，从而将热量带走，达到使数据中心降温的目的。在整个过程中，冷水机组是不工作的，也就是没有能耗，从而达到节能的效果。在春夏季或者外界温度高于4℃时，FreeCooling制冷模式将停止工作，制冷系统恢复到正常模式，些时冷水机组是处于正常工作状态。系统示意图如下图所示：

当使用FreeCooling制冷模式进行工作时，外界温度通常会比较低，必须注意冷却塔结冰的现象发生，一旦发生结冰，冷却水无法传输至板式换热器，则无法对数据中心进行降温。

经过多年运行经验可知，W集团数据中心一般从每年11月份至次年3月份运行FreeCooling制冷模式，每年可节省4个月左右的冷水机组能耗，节能减排效果非常好。下表是该数据中心某年5月份到次年4月份的用电统计表。从表中我们可以看出，當使用FreeCooling制冷模式，节能效果是非常明显的。

三、服务器节能研究

服务器节能我们可以分成两种形式进行，一种是关闭没用使用的服务器;另一种是对服务器本身的能耗进行调节。

1、关闭没有使用的服务器

通过服务器运维系统可以整理出一些处于空闲的服务器，并对其进行关闭操作，那么这些服务器的能耗就能为零。但需要考虑的是服务器重新启动所花费的时长，不过通常可以通过关闭不必要的导入时间诊断工具来加快服务器启动的速度，从已经在运行的快照映像中直接导入和采用某些硬件中提供的热启动功能。

2、服务器内部节能

数据中心服务器的节能，是在不降低服务器运行性能的前提下进行的。工进行节能，我们首先应该了解服务器的耗能情况，在整个服务器中，CPU和显卡是耗能最大的，内存则其次，最后是磁盘。如果我们能通过一些手段在不降低服务器性能的前提下，降低其中某部分器件的能耗，则可以达到节能的目的。

1、CPU节能

CPU即是服务器的核心部件，也是能耗源头，不少节能方案里都提到过CPU的节能。目前CPU节能技术主要有三类：增强型深度休眠技术，通过该技术CPU在空闲轻负载状态可以降低工作电压与倍频。Intel的CPU还支持一种EIST节能技术，通过开启EIST，能够让CPU根据实际使用情况来自己控制频率和电压，进而实现功耗的控制。AMD也推出了“凉又静”也是一项让处理器在闲置状态下自动降低电压与频率的节能技术。所有这些CPU节能技术原理都是让CPU可以按需工作，在空闲的时候将工作频率降低下来，实现服务器节能。

2、显卡节能

有一些服务器是不含显卡的，但有一些则是包含的。对于包含显卡的服务器，我们如何进行节能呢？通过使用Nvidia的PowerMize技术对GPU进行设置，为服务器在性能和功耗之间取得最优化平衡，从而到节能效果。一般是提高电压来传递峰值性能，而PowerMizer技术正好相反，它采用业界最低的1.575V使系统耗电最小化，同时还保持提供最快的图形方案。即使在电池满负荷工作模式下，PowerMize技术GPU在标准办公程序中的功耗也不到0.5W。

3、内存节能

内存是除CPU之外，能耗最高的部件。内存节能技术有：DDR SDRAM、DDR3 SDRAM甚至DDR4等，这些内存具有更低的电压，当没有读写操作时，可以通过Reset命令使它停止所有操作，切换到最少活动状态，达到节能目的。还可以在内存布线密度上下功夫，也可以达到节能的目的。内存一般都是50纳米，50纳米指的是半导体元件基板电路间的连线宽度为50纳米，如今已经出现了40纳米、甚至30纳米，这意味着在同样的空间中可以容纳更多的电路。

4、磁盘节能

（1） 选用高容量磁盘驱动器

典型的SATA磁盘驱动器，与相同容量的光纤通道 （Fibre Channel） 磁盘驱动器相比，可以节省大约一半的能源。同时，它们可以提供高的磁盘驱动器可用存储密度，进一步降低能源消耗。一些具有磁盘修复及数据保护技术的SATA磁盘正日趋流行，成为很多企业应用的理想选择。

（2）减少磁盘驱动器数量，防止磁盘故障

SATA磁盘驱动器的数据存储量比光纤通道主磁盘驱动器多，但我们不能因此而忽略了数据可靠性。当前流行的双区间 （Dual-parity） RAID-DP，能够提供更高的存储利用率和错误容忍度，可同时修复两个故障磁盘驱动器的数据。

（3）将数据转移到更高效的存储系统

为确保有效地使用存储资源，可以把数据转移到次存储系统以减低主存储的负荷。一个完善的信息服务器能自动把存取率较低的数据，自动由主存储器转移到存储效益较高的次存储系统去。

（4）提高利用率

据业内估计，存储利用率只有25%-40%，即大约有60%-75% 的存储容量还没有被使用，却在不停地消耗能源。市场上有些方案能有效解决这个问题，通过共享存储，让所有磁盘都可以存取数据，平均存储利用率可高达60%.。

不难看出，机房服务器内部节能节能的方法都遵循了一个原则，那就是按需分配。根据部件运行的实际状态，来提供合适的功耗，不浪费一点多余的能耗。一点点能耗看似微不足道，但是一點点的累积，再放大到整个数据中心，这将是一项巨大能耗节约。通过服务器的节能，从而实现数据中节能发展之路。

四、结语

数据中心节能减排是机房建设及运营过程中应该持续关注的问题。本文在分析数据中心机房能耗分布的基础上，对能耗占比较大的制冷和服器能耗两大部分进行研究，找出节能减排的方法。数据中心规划、建设和运维的整个过程中，除了要考虑机房性能以外，节能减排的理念，也是非常重要的。

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