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谷歌現代數據中心節能策略概述

2019-04-02    來源:中國節能網
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[ 導讀 ]:日前,在谷歌官方網站上,谷歌宣稱自家的數據中心電力使用效(PUE, Power Usage Effectiveness)全球平均值為1.12。并聲稱這一數據原本可以降低至1.06,只是因為考慮到機房整體的能源消耗
 一、引言
日前,在谷歌官方網站上,谷歌宣稱自家的數據中心電力使用效(PUE, Power Usage Effectiveness)全球平均值為1.12。并聲稱這一數據原本可以降低至1.06,只是因為考慮到機房整體的能源消耗,包括線路、變壓器等所有能源消耗內容,才保持1.12這一“保守”的指標。相比全球范圍內機房平均PUE值仍在1.7左右掙扎的水平,即使考慮數值計算上的偏差,谷歌這一優勢仍然劃時代性的,值得研究與學習。考慮到數據中心已然成為全世界最大的耗能行業(約占全球能耗的1.5%~2%)之一,降低其PUE值對全世界能源行業都有舉足輕重的作用。在谷歌官方的《Efficiency: How others can do it》中,也對自家數據中心的節能策略進行了部分宣傳與介紹。
二、基礎概念
數據中心守護著企業重要 IT 設備的運行,如服務器、網絡設備以及存儲設備等,在數據中心支持全球數十億人口上網的同時,也產生大量的機房能耗, 研究具體的機房能效改善對策,才能真正實現節能。對于當前的數據中心管理者來說,必須采用高效率的機房經營方針,才能取得“環保”及 “經濟”雙贏的好處。而提升數據中心能源效率的第一步,便是審慎評估PUE。
簡單來說,PUE 就是數據中心總電力除以主能耗設備(即IT系統)電力,或是總設施能源除以 IT 設備能源。由于在相同產品與技術水平下IT系統的能耗水平基本相似,PUE便自然成為了檢驗機房能源效率的重要指標。根據 Uptime Institute 于的調查研究顯示,全球業界平均 PUE 為 1.7,這表示機房節能仍有改善空間。
受到近年來大數據、物聯網浪潮的推動,各地的機房建設持續進行,同時, 在環保意識高漲的氛圍下,“機房節能”也成為了一門新的研究領域。從客觀事 實來看,首先,數據中心的電力支出占總持有成本(TCO, Total Cost of Ownership)的一大部分,接近或超過人力成本;其次,數據中心常背負著“不環保”的惡名。
截至目前為止,仍有許多數據中心尚未采用任何效率指標,導致數據中心的節能毫無標準可循。雖然 PUE 仍存有許多爭議,但是 PUE 值仍是衡量數據 中心基礎設施效率的主要指導方針,而且對于擬定及執行數據中心的綠色節能 策略也很有參考價值。
三、谷歌數據中心節能策略
IT 設備如:服務器、存儲設備、通訊技術、基礎設施 (風扇、冷卻、水泵、配電等),其本身的效率以及碳排放,是影響數據中心產生溫室氣體的主要因素。如果專注于能耗改善的部分,將可對數據中心的綠色節能計劃產生顯著的影響。
在谷歌公開的節能策略中,以下幾部分對于改善數據中心能耗,并 優化PUE有著顯著作用:
一:定期進行硬件檢查
數據中心普遍存在許多不必要的 IT 設備,所謂“休眠的服務器”指的是仍 然插在機柜里,實際上卻已不再使用的服務器,但是會占據寶貴的機柜空間,消耗大量能源,并且使 PUE 惡化。為了了解此問題的普遍性,一項相關調查發現,大約有半數的被調查者并未執行計劃性的檢查及拔除多余的服務器。此外,在研究中,大部分機房的現場并無法準確地監控所有基礎設施及 IT 負載,可見機房節能改善之路還很長。
除了 IT 設備的檢查,對于非 IT 的基礎設施,也必須做定期的檢核,例如機房的不間斷電源系統(UPS),有別于傳統的工頻單機 UPS,當前的趨勢是采用高頻模塊化 UPS,為了達到機房節能,選用 UPS 時應該考慮以下兩大條件: 1. 隨需擴容:模塊化 UPS 可以配合機房擴容的腳步,適時增加電源模塊的數量,不需要在機房建置初期投入大量的資金,并且不占據多余的機房空間,使機房業務逐步成長時,UPS 電源仍可“無縫接軌”;除了增 加電源模塊,UPS 也必須滿足多機并聯的需求,以因應機房規模擴大。模塊化 UPS 滿足機房無縫擴容的需求。2. 輕載高效:一般數據中心為了確保可靠度,會配置電源冗余 N+X,甚至 配置 2N 雙母線,導致負載率大約在 30-40%甚至更低,因此除了追求 UPS 滿載效率之外,也要關 注 20-100%負載率區間的效率曲線,設法達到“輕載高效”的理 想境界。
二:例行測量 PUE 值
如前所述,PUE 是量化能源效率的主要業界標準,大部分原因是其具有簡單性及可行性,但是在觀察的幾個行業中卻很少實施。不定期的紀錄并無法確 實了解實際的能源使用狀況,所以業內人士不斷建議執行例行性的 PUE 檢測, 以便監測數據中心 PUE 隨季節變化及其他因素而波動。此外,為了能實時精確 量測總電力,并紀錄實際的 PUE,必須在關鍵測量點安裝傳感器,并記錄實際 電力(kW 及 kVA),并且應該要記錄一段時期之內的能源使用狀況,才能做出最 佳的分析。谷歌對其全球機房均進行詳細而準確的記錄與對比,這也是其效率得以提升的關鍵之一。
三:更新硬件
服務器效率與 PUE 直接相關,而且是提升 PUE 的關鍵要素,但是想要正 確估計服務器效率,還必須考慮幾個因素。我們可以從 CPU 利用率出發,針對能效不佳的 CPU,虛擬化技術(virtualization)可以大幅提升 CPU 能效及服務器的效率,而不需要更新服務器;此外,也應該將每一只機柜的負載能力與消耗 電力,列入效率的計算中。采用刀片服務器(blade servers)是提高機柜密度 的一種手法(每一機柜最多可容納 1,024 CPU 核心),也可以降低設施的冷卻與電力需求。
將實體服務器合并與虛擬化,將可提高數據中心效率,IT 管理人員應該在 硬件升級時將此列入考慮。根據研究指出,合并服務器的好處有:
平均每年每一服務器最多可節省約4000元
減少熱量的產生及相關的冷卻成本
釋出多余空間并擴大運算能力
值得注意的是,虛擬化技術及刀片服務器會產生一個負面影響,亦即會產生額外的熱量及冷卻需求。目前有數種解決方案,例如“冷熱通道封閉”或是“機 柜式空調(列間空調)”等氣流管理手段,就是為了處理機房高密度負載的問題。
四:提升機房冷卻效率
冷卻是僅次于 IT 負載之外,最大的耗電來源,因此,安裝能源監控及測量機制非常重要,可以了解冷卻對于 PUE 的整體影響與改善的方法。
谷歌作為數據中心節能領域的佼佼者,領先的關鍵點也集中在機房冷卻效率方面。根據Android Emotions 報導,最新的谷歌 AI 產品正在嘗試找出能進一步降低 PUE 的方法。
谷歌更用來提升機房冷卻效率有關的做法包括:
1、 優化氣流管理 設計良好的冷熱通道封閉,可避免熱空氣和冷空氣混合,以提升冷卻系統的效率。為了有效排除機房熱點,建立理想的熱能分布狀態,可以借由適當地放置溫度傳感器,利用計算機仿真工具找出熱點并加以排除。根 據 EPA 的研究,有效的冷熱信道封閉系統,可減少 25%的風扇能耗,以及 20%的冰水主機能耗。
2、 提高機房環境溫度
谷歌已打破了數據中心必須保持約攝氏 21°C的迷信,確認了冷通道可以在約攝氏 27°C的溫度下運轉,因此在提高溫度的同時,關閉再熱器和除濕機,便可以有效節約能源。
3、 采用自然冷卻技術(Free Cooling)
空調系統的冰水主機會消耗大量的能源,可以視天候條件,選用自然 冷卻系統,將外面的冷空氣吸進來,加以利用后再排放到外面去。其他自然冷卻的來源包括:引入外界的空氣、水蒸氣或設置大型的熱儲存器。
五:提高機房溫度
長久以來,機房 IT 人員受限于傳統機房溫度迷信。不太愿意提高機房溫度,然而,美國空調冷凍工程師學會(ASHRAE)發布的機房工作溫度建議,范圍修訂為 18°C至 27°C(64.4°F 至 80.6°F)。
除了溫度,ASHRAE 也提高了濕度建議范圍。受惠于這樣的修訂,數據中心將可以創造更多冷卻成本的節約,也更能符合自然冷卻的條件。
就機房溫度而言,如果太過保守,維持機房低溫,將會使營運成本居高不 下,造成 PUE 值較差或冷卻成本較高;此外,根據英特爾一項研究數據顯示,機房環境溫度每提升 1°C可以帶來 4%的制冷成本節約。有鑒于此,一些高溫節能產品也應運而生,例如:
高溫節能服務器:“高溫”是指服務器耐高溫能夠在 5°C至 47°C環境溫度下,無需空調制冷,能穩定運行,由于服務器能適應更高的機房溫度,而帶來制冷能耗的減少,相對傳統服務器而言,高溫節能服務器具有耐 高溫、低能耗、易部署等特點,對于機房節能也是一大功臣。
高溫冰水空調:一般機房內大多是屬于顯熱,只有很少數的潛熱,因此 除濕的需求非常少,機房精密空調的入水溫度便可以從一般的 7°C往上調升,在此情況下,冰水主機的制冷量增加,能效比改善,也就爭取更多空調節能的機會。
六:導入數據中心管理系統(DCIM)
為了協助數據中心經營者更有效、全面地管理數據中心,數據中心基礎設 施管理系統(Date Center Infrastructure Management, DCIM)就應運而生。 DCIM 可通過機房鳥瞰圖,協助 IT 經理人實時應對、事先規劃、管理可能的風險,并減少停機時間。如前所述,個別服務器利用率低是數據中心普遍存在的問題,DCIM 可協助數據中心人員找出長期閑置的服務器,加以重新配置,以提升效率,并準確測量數據中心資產及能源的使用狀況。
四、結論
數據中心綠色節能需要發揮相當的創意,不應受到傳統思維的局限。業界 有許多案例均顯示機房節能可以帶來許多實質的好處,而 PUE 值可以作為一個 能效指標的基礎,對于創造永續的綠色數據中心而言是非常重要的。
就目前來說,百分百純凈的能源是遙不可及的夢想,然而還是有許多企業用的是“混搭” 策略來接近此理想目標。舉例來說,包括利用再生能源、就地發電以及遠距電網等等。IT 巨擘如蘋果所安裝的 55,000 片太陽能板、eBay 在猶他州 Quicksilver 工廠利用燃料電池,以及微軟利用風力和太陽能。
中小企業在數據中心選址時,或許可以與當地公用事業合作,取得干凈的電力或再生能源,也可在新數據中心選址時,考慮設置在純凈能源公用事業的周邊地區。
同時, 一般企業可以透過例行測量 PUE,以及善用管理工具(如 DCIM)找出并修正 IT 低效率的部分,減少碳排放,提高個別服務器的使用率,最終達到 PUE 及 ROI 優化的目標。
 
關鍵詞: 數據 節能
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