如何降低數(shù)據(jù)中心能耗?

由于目前經(jīng)濟(jì)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(jì)的削減運(yùn)營(yíng)成本，目前數(shù)據(jù)中心運(yùn)營(yíng)成本中增長(zhǎng)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(huì)帶來回報(bào)。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(shí)際，或是過于極端。我們?cè)谝韵聻榇蠹伊谐龅?種節(jié)能方法已經(jīng)在實(shí)際的數(shù)據(jù)中心環(huán)境中測(cè)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(bào)率相比，獲得回報(bào)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(gè)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(jì)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(píng)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(yáng)能、風(fēng)能或是氫能源。因?yàn)檫@些替代能源需要對(duì)先進(jìn)技術(shù)進(jìn)行大量投資。在目前的經(jīng)濟(jì)危機(jī)中，這無疑無法馬上實(shí)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(jiǎn)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(rèn)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(rèn)為，這種溫度設(shè)置能夠延長(zhǎng)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(shí)間。

　　但是經(jīng)驗(yàn)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(huì)導(dǎo)致運(yùn)行溫度上升。但是近些年來，IT經(jīng)濟(jì)已經(jīng)跨越了一個(gè)重要閾值：服務(wù)器運(yùn)營(yíng)成本通常會(huì)超過購(gòu)置成本。這使得削減運(yùn)營(yíng)成本的優(yōu)先權(quán)要高于硬件保護(hù)。

　　在去年召開的GreenNet 會(huì)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(yàn)。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(gè)簡(jiǎn)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(yàn)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(fèi)的外部空氣進(jìn)行冷卻，服務(wù)器進(jìn)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(huì)出現(xiàn)一個(gè)收益遞減點(diǎn)，因?yàn)榉?wù)器風(fēng)扇轉(zhuǎn)速的增加將導(dǎo)致能源消耗增長(zhǎng)。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(shì)。那么為什么不關(guān)閉整個(gè)服務(wù)器呢?讓服務(wù)器時(shí)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(duì)于服務(wù)器來說是這樣。不過，你首先需要面對(duì)的是那些異議人士提出的反對(duì)意見。

　　他們往往認(rèn)為重新啟動(dòng)會(huì)降低服務(wù)器的平均壽命，因?yàn)殡妷簳?huì)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(cuò)誤的：實(shí)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(dòng)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(dòng)將降低服務(wù)器的MTBF(平均故障間隔時(shí)間)。

　　第二個(gè)錯(cuò)誤認(rèn)識(shí)是，服務(wù)器啟動(dòng)需要很長(zhǎng)時(shí)間。對(duì)于這種情況，你可以通過關(guān)閉啟動(dòng)時(shí)的診斷檢查，從硬盤鏡像啟動(dòng)，以及利用一些硬件具有的熱啟動(dòng)功能縮短啟動(dòng)時(shí)間。

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

　　極端的節(jié)能方法3：使用免費(fèi)的外部空氣進(jìn)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(fèi)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(jìn)行冷卻。

　　與方法1相比，這種方法需要花費(fèi)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(huì)損壞精密的電子設(shè)備。

　　在試驗(yàn)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(jìn)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(yùn)行了十個(gè)月。其中，第二組服務(wù)器有91%的時(shí)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(gè)細(xì)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(shí)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(gè)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(jià)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(duì)低的空氣為數(shù)據(jù)中心降溫。在天冷的時(shí)候，你可以獲得充足的暖氣。與此同時(shí)，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(gè)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(shí)會(huì)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(shí)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(yàn)：風(fēng)扇、通風(fēng)管道和恒溫器。你會(huì)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(fèi)供暖，節(jié)約的能源成本相當(dāng)于80戶居民的取暖費(fèi)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(fèi)一周的時(shí)間，但是由于成本很低，你在一年內(nèi)，甚至更短的時(shí)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(diǎn)阻礙了其在服務(wù)器上的部署。幸運(yùn)的是，SSD的價(jià)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(shí)現(xiàn)快速節(jié)能，你只需將一些應(yīng)用存儲(chǔ)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(gè)問題是寫入操作次數(shù)有限。目前適合服務(wù)器存儲(chǔ)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(fèi)級(jí)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(jī)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(chǔ)在SSD上，如流視頻文件。這樣就不會(huì)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(dòng)速度也將大幅提升。