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节能减排技术在数据中心的应用研究
随着信息全球化，在全世界范围内数据中心被大量建立，数据中心的能耗及所产生环境问题成为人们关心的重点。据报告，一个典型数据中心所需要 能量可供3万个家庭使用。最近就有人指责，在google中每进行两次搜索就会生产15克二氧化碳，所消耗能量大约与烧开一壶水能量相当，但据 google称，每做一次搜索会产生0.2克的二氧化碳。从数据调查情况来看，从2006到2007年数据中心能耗增长了超过13%，其费用支出从 2000年以来增加了一倍，预计到2012将达到40万亿。 随着全球气候变化，人们越来越重视对环境的保护，对各种产品（汽车、空调、冰箱等）的能耗标准都有明确要求，但数据中心能耗标准还没有制定，企业只 是感觉到数据中心所消耗电能越来越多，维护数据中心成本在增加。随着2008年全球出现金融危机，许多企业都在大幅度压缩成本和减少开支，与此形成随着全 球气候变化，人们越来越重视对环境的保护，对各种产品（汽车、空调、冰箱等）的能耗标准都有明确要求，但数据中心能耗标准还没有制定，企业只是感觉到数据 中心所消耗电能越来越多，维护数据中心成本在增加。随着2008年全球出现金融危机，许多企业都在大幅度压缩成本和减少开支，与此形成鲜明对比的是数据中 心海量的数据增长速度对存储、能耗提出了要求。如何实现数据中心节能降耗成为企业、厂商共同目标，许多厂商都把节能产品作为销售产品时的一个亮点，企业则 将节能降耗作为降低成本和树立企业形象重要内容。厂商、企业要实现节能降耗不仅依靠技术的创新，更需要用户优化数据中心设计。因此设计、建造并启用高性 能、低能耗的数据中心已成为一项重要工作。 1、基础设施的节能降耗问题 据统计，大多数数据中心超过50%的电力资源被UPS、空调等机房基础设施消耗。剩余能源才被服务器、存储、网络等IT设备消耗。目前，国际上采用 PUE通行的指标来衡量数据中心的电力使用率PUE=数据中心的总功耗/IT设备的总功耗。国外先进机房的PUE值可以达到1.7，而我国数据中心的 PUE的平均值在2.5以上。 降低PUE值，必须在IT设备总量不变的情况下，降低空调、UPS等基础设施的电力消耗。 （1）降低数据中心的制冷能耗 降低制冷能耗是减少数据中心总能耗的关键，由于传统的数据中心没有根据空气动力学来设计通风系统，通常出现局部温度过高，空调制冷并未达到预期的目 的，不仅能耗上有损失，且温度控制效果不理想。随着局部温度的升高，IT硬件的可靠性大幅降低，据估计，温度每升高10℃，电子设备的长期可靠性降低 50%.通常的做法是，调低数据中心机房空调设定温度（过度制冷），但随着设备的增长，制冷方面的能耗也不断增长，从而造成一种恶性循环。 事实上，根据ASH-RAE，机柜温度达到华氏77°F（摄氏25℃）是没有问题的，只要各个位置的温度保持相对一致。数据中心可能通过智能PDU 温度传感器放置在机加冷空气人口的底部、中间和顶部，IT管理员不仅可以确定系统有没有对服务器过度冷却，还能确定冷空气是否在高效地通过这些地方。温度 传感器也可以放置在机架的尾部或热空气出口，以监测排出空气的温度，为制定更加合理制冷方案提供依据，从而有效降低制冷的能耗。 （2）提高UPS性能 一般数据中心都不是一步到位，都会考虑未来几年的需求，但是UPS一般都是一步到位，一次上了几套大功率的UPS并机，结果初期负载只有10%~20%，没等待到规划的负载就进入了设备淘汰期，不仅造成投资的浪费，而且也无法使UPS运行在较高的效率点，造成电能的浪费。 尽量采购效率更高的UPS.当然UPS效率高不仅仅要是满载效率高，同时也必需具备一个较高的效率曲线，特别是在1+1并机系统时，根据系统规划， 每台UPS容量不得大于50%，如果此次效率仅为90%以下，就算满载效率达到95%以上，也是没有意义的，所以要求UPS必需采用一下措施优化效率虚 线，使UPS效率在较低负载时能达到较高的效率。 （3）减少外部和内部环境对数据中心的能耗影响 内、外部环境对数据中心能耗影响十分重要。数据中心机房尽量选用节能材料，数据中心机房要避免外面环境对其内部温度的影响，过热的外部环境都会使数 据中心机房产生不必要的制冷能耗。同时数据中心机房内部可以采用节能灯进行照明，关闭不必要的外部附属没备如显示器等方式来实现降低能耗。 2、硬件设备节能的问题 （1）服务器节能技术 服务器是数据中心的核心设备，其能耗问题也要引起注意，服务器每产生1w的热量都需要制冷系统启动以达到恒温。2007年以后服务器节能技术将趋于 成熟，节能逐渐成为了服务器技术的关键词。在芯片级的节能技术方面，如Intel的 EIST（EnhancedIntelSpeedstepTechnology）省电技术、AMD的PowerNow！IBM的高热传导界面芯片冷却技术 等。研究表明，采用节能技术的服务器大约节约30%能耗，因此购买节能性服务器是十分必要。 根据摩尔定律，“每18个月处理器性能提高一倍，而价格下降一倍”，也就意味着“用一个美元所能买到的电脑性能，每隔18个月就翻两番”。因此对于 一些使用多年性能差、体积大的服务器应采用淘汰方式处理。一台新型服务器性能上面可以替代4一5台老式服务器，且耗能却是比一台老式服务器还少，产生的热 量也少。目前刀片式服务器产品在多核、低功耗技术的推动下将从最初追求高密度的刀片服务器，发展到强调整体综合性能、高生产力的新一代的刀片产品，也是值 得关注。 （2）存储技术节能问题 根据IDC的一项调查显示，全球数据量在未来十年，将以每年50.6%的综合增长率迅速膨胀。面对海量的存储需求，数据中心只有通过购买更多的存储 设备来增加空间，与此增长不仅是设备采购费用增加，能耗也随之增加，只要实现高效存储数据，减少机器及磁盘数量，就能解决急速增长的能源消耗问题。 由于目前绝大部分用户采用的是开放系统，其外挂存储占有目前磁盘存储市场的70%以上，外挂存储分为直连式存储和网络化存储，直连式存储（DAS） 依赖服务器主机操作系统进行数据的IO读写和存储维护管理，数据备份和恢复要求占用服务器主机资源（包括CPU、系统IO等），直连式存储的数据量越大， 备份和恢复的时间就越长，对服务器硬件的依赖性和影响就越大。网络化存储（FAS）通过网络交换机连接存储系统和服务器主机，建立专用于数据存储的区域网 络。网络化存储不需要提供专门服务，且可以通过网络通道将信息迅速进行存储，存储空间大小与所连服务器性能无关，具有明显节能优势。 3、软件节能问题 （1）虚拟化技术 虚拟化是一个广义的术语，在计算机方面通常是指计算元件在虚拟的基础上而不是真实的基础上运行。虚拟化技术可以扩大硬件的容量，简化软件的重新配置 过程。CPU的虚拟化技术可以单CPU模拟多CPU并行，允许一个平台同时运行多个操作系统，并且应用程序都可以在相互独立的空间内运行而互不影响，从而 显著提高计算机的工作效率。 在传统模式下，一台服务器只能运行单一任务，其CPU利用率无法得到充分利用，而采用虚拟化技术可以实现在一台服务器实现多台虚拟主机功能，且每台 虚拟机都使用独立、安全平台进行运行，可以大量节约服务器采购费用，同时也节约服务器运行的能耗。研究表明，虚拟化可以整合其资源池和实现计算机的高可用 性，通常可以节省50%到70%的IT（硬件）总成本。 （2）云计算技术 云计算（Cloud Computing）是分布式处理（Dis-trihutedComputing）、并行处理（Parallel Computing）和网格计算（Grid Computing）的发展。云计算的基本原理是，使计算任务分布在大量的分布式计算机上，使各种应用系统能够根据需求获取计算力、存储空间和各种软件服 务，数据中心的运行将与互联网相似。 采用云计算技术可以允分利用高性能计算机，使整个数据中心资源得到充分整合。一台性能低的服务器通过云计算技术可以实现更多的功能。 （3）Node Manager工具 Node Manager是采用Java编写的实用工具Node Manager可以注册为Windows服务或Unix守护程序，因此当机器启动或重启时，它能够自动启动计算机上的Managed Server.每一台Managed Server运行的主机上能够运行一个Node Manager进程。Node Manager与该主机上的每个Managed Server保持一个socket连接，并使用该连接监视Managed Server的状态。如果Managed Server进程意外故障或WehLogic确定该进程活着但处在失败或挂起状态，那么Node Manager能够自动重启Managed Servero Node Manager还具有远程控制功能，因此管理员能够通过WehLogic Administration Console或WehLogic Admin工具启动或停止单个或所有Managed Server.在每个Managed Server主机上，Node Manager在配置的端口上监听服务器远程控制命令。 通过对数据中心的应用服务器进行分类，将一些夜间或节日访问量少或无访问的服务器，采用NodeManger技术在这些时间段将其关闭，以减少能源消耗。 （4）购买支持多线程技术的软件 在单线程的工作模式下，如果把CPU看作是一共有100个时间片的话，CPU可能一直都只是花了其中的10个时间片来处理当前进程所要做的事情，只 是用到了CPU的10%的时间片，而其他时间都白白浪费了，当然，实际上CPU的工作模式还是做完一件事以后再去做另一件事，只是CPU的处理速度非常 快，很快就处理完成所请求的事情。为了提高CPU的使用率，采用多线程的方式去同时完成几件事情而互不干扰，如当前进程要完成3件事情1，2，3，那么 CPU会分别用10%的时间来同时处理这3件事情，从而让CPU的使用率达到30%，大大地提高了CPU的利用率。 在数据中心采购软件时尽可能使用支持多线程技术的软件，同时还需要确认该软件是否支持多核CPU（多核CPU已相当普遍）运算，这样的软件执行速度效率很高，可以节约大量运算时间，大大降低了服务器CPU运算能耗。 4、结束语 数据中心节能问题并不能依靠某项单一技术实现，而是贯穿数据中心建设、维护全过程中。因数据中心维护成本占数据中心总成本绝大部分，因此许多企业都可以建立独立数据中心，但面对巨额维护资金显得十分尴尬。只有通过数据中心内部节能降耗减少其运行成本。 目前，世界各国正在加紧能源方面的立法研究，鼓励企业使用清洁能源（风能、太阳能等），减少CO2的排放，通过加大对使用不可再生资源、高能耗尤其高污染企业的税收等调控手段，促使企业自觉地进行内部节能降耗工作，从而达到保护环境的目标。 评论
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