云计算数据中心节能关键技术的研究

杨馥宁

为了提升云计算数据中心发展水平，打造规模化、虚拟化和平衡化的节能体系，要从智能转型角度出发，促进云计算项目能获取更加科学的运算成本，实现经济效益和社会效益的双赢。本文从基础运营成本和电力消耗成本2个方面分析了云计算数据中心节能对象，并对关键技术内容展开讨论。

伴随着信息化技术的全面发展进步，云计算和新型节能技术受到了广泛关注，如何在发挥云计算数据中心优势的同时减少能源损耗是相关工作落实的关键。

云计算数据中心节能对象

云计算数据中心基础运营成本

要想更好地了解基础运营成本内容，就要结合最新先进技术方案落实相关工作，从而维持计算分析工作的合理性。在云计算技术应用体系内，一般会采取施耐德公司提供的数据中心，将其视为成本核算工具，设定中心总额定功率为100 kW、生命周期为10年、功率密度为500 W/m2、平均机柜功率为1 500 W，有效对传统数据中心总成本予以测定评估，如图1所示。

由图1可知，在成本内容中，电力系统成本支出数据最多，要想减少云计算数据中心运营成本，就要核心控制电能消耗，满足成本管理要求。

云计算数据中心电力系统能耗

依据科智咨询发布的《2019-2020年中国IDC产业发展研究报告》数据显示，预计2022年，我国IDC业务市场的规模将在3 200.5亿元以上，迎来新一轮的爆发期，依据数据中心规划内容可知，华东地区、华北地区以及华南地区数据中心将新增总机柜超出50万架，这对于电力管理提出了新的要求。其中，空调系统、电源管理、供配电系统等，都是较为巨大的成本支出项目。因此，要量化PUE数值（如表1所示），从而明确对应的能耗要求。

云计算数据中心节能关键内容

在明确电力能耗要点的基础上，就要结合相关系统建立对应的分析和控制机制，从而更好地提升云计算数据中心节能管理效果，维持环保效益和经济效益的平衡，减少能耗造成的不良影响。

云计算数据中心机房选址

结合我国数据中心对相关数据的分析可知，我国PUE数值较高，并且在通信业十二五规划中明确指出，要进一步提升云计算数据中心节能处理效果，将PUE数值控制在1.5以下。那么，就要从数据中心机房的选址方案入手，从源头提升节能基础管控工作的便捷性。值得一提的是，在数据中心选址工作中，不仅要综合分析数据中心的安全问题和交通问题，也要将地区经济水平、政策倾向、人力资源及电力供应状态等多方面因素展开讨论，维持綜合效率。例如，爱尔兰都柏林Facebook数据中心就建立在北欧地区，地区温度湿度较为适中，形成天然的冷却系统，有效减少了服务器制冷方面的支出。

而在我国云计算数据中心选址工作中，内蒙古地区是首选，不仅电力资源充沛，且地区冬季时间较长，气候条件适宜，因此，我国主要的电信运营商都将大型云计算数据中心建立在此处。

云计算数据中心制冷系统

在对云计算数据中心能耗类型和内容予以分析后可知，制冷系统等能耗数值也较高，为了维持其整体效果，就要从数据中心高温化、冷热通道以及自然冷却-水冷空调等方面予以分析。

1.数据中心的高温化状态

高温化处理模式是近几年受到广泛关注的技术方案，可打造更加合理的运行环境，确保数据中心能在高温环境中工作，从而节省制冷系统产生的成本。谷歌比利时数据中心的PUE数值为1.16，整体运行节能效果较好，其数据中心内服务器的基础运行环境为27℃，在处理高温化问题时主要采取的是服务器设备崩溃点分析和精准的温度调控机制。只有解决内存结构和硬盘设备高温环境运行问题，才能有效调控其运行趋势。例如，Intel公司从处理器、数据中心等系列化技术层面开展相关研究，匹配智能功耗节点管理单元、高温环境数据中心管理单元以及电池备份解决方案等，从而更好地提升服务器工作效率，确保服务器能在31℃环境中运行，而在温度升高到34℃后，对应数据中心运行PUE能降低到1.14。

2.数据中心自然冷却-水冷空调

为了保证数据中心相关设施运行环境的合理性，一些云计算数据中心会采取冬季夏季区别化管理方案，在夏季，因为要进行能量的交换处理，所以一般会减少空调的运行时长，确保其能在低负荷状态下运行。而在冬季，则要利用冷空气循环的方式将冷空气抽入机房内部，匹配相应的过滤操作，确保设备得以降温。目前，应用最为广泛的是水冷精密空调，相较于传统的风冷精密空调能提升制冷量，并克服了风冷空调除湿和加湿产生的能耗。

在室外温度降低后，技术部门就可以关闭水冷空调系统的制冷机组，然后匹配换热器实现实时性换热分析，达到自然冷却的状态。也就是说，水冷空调和自然冷却的有效匹配，能大大降低制冷系统能耗数值，从而打造节能环保的应用环境。

3.冷热通道控制

一般而言，不仅要配合技术方案实现制冷处理，也要对设备的摆放位置、功耗环境等因素予以关注。利用背对背的方式安放处理器，实现前端冷风吸入、后端热风排出的循环模式，能提升冷空气通道应用的合理性。与此同时，机柜的位置也要结合实际情况采取相向布置的方式，匹配冷热通道的应用要求，合理性隔离热通道，就能避免能耗造成的经济损失。

云计算数据中心电源系统

为了保证电源系统能耗的平衡性和合理性，新型高频UPS是首选，能建立电源转换应用模式，大大提升功率因数，并且，新型高频UPS设备的体积较小，减少了空间占比。在其实际应用过程中，它能实现电源转换效率和负载率的平衡。例如，我国主要的电信运营商都在积极应用高压直流UPS，不仅能避免逆变问题，还能大大提升电源转换率，维持较好的应用可靠性和安全性。

除此之外，国外还在积极推进去除中心式UPS方案，能在提升应用效率的同时减少能耗。

云计算数据中心IT设备

对于云计算数据中心而言，IT设备是非常关键的设备机组，要想维持能耗管理方案的规范性和合理性，就要对IT设备的应用工作予以重视，确保对应服务器管控工作满足标准。

1. IT设备中聚合微服务器

在众多IT设备中，聚合微服务器的应用价值较高，主要采取的是聚合类ARM处理设备和分布式架构应用模式，能搭建基于云计算分析要求的节点堆叠框架，不仅符合互联网应用需求，还能有效处理高并发问题，是云计算聚合型技术发展的必然趋势。在高密度微服务器应用后，整体云计算数据中心IT设备能耗能达到40 %。

尽管ARM微服务器自身的应用性能以及软件应用控制支持效果略低于Intel，但是，处理器自身的价格优势非常突出，且能实现低能耗运行，这对于节能降耗工作而言具有重要的意义。其性能参数对比，如表2所示。

2.虚拟切分服务器

近几年，对相关技术的研究在不断深入和拓展，针对x86服务器虚拟机管理的分布式电源系统也受到了广泛关注，是在传统技术体系上的动态升级，搭建更加合理的负载模式，从而避免物理服务器负载超标造成的能耗超标。并且，能更好地维持服务器工作运行状态，减少不必要服务器运行产生的消耗，在物理资源匹配状态下开启服务器，实现智能化感应处理，满足连续性、环保性要求。

另外，更多的研发企业将关注点落在新型芯片的研发方面，其中，Intel研发的Atom芯片能应用低能耗技术建立智能处理系统，在减少能耗支出的同时，提供充沛的电力环境，维持计算能力和应用效果的平衡。

总而言之，在节能降耗的发展趋势下，云计算数据中心积极推进节能关键技术具有重要的时代意义，要结合网络基础要求、客户资源等要点落实完善的方案，保证各个系统都能满足节能要求，实现大规模云计算数据中心布局合理且运行稳定的发展目标，促进云计算数据分析业务可持续健康发展。