数据中心能耗现状与节能方向的探索与研究

2019.04
近年来,我国经济快速发展,信息化的建设也在不断加大,在这种形势下,数据中心的发展是到了急速发展的阶段。

伴随着数据中心的快速发展,高能耗的问题显得尤为突出。

因此,对于如何降低数据中心能耗的研究具有非常重要的意义。

1数据中心能耗现状和问题
数据中心有着高能耗的标签,是实现绿色节能所要特别关注的重点。

据资料上统计和记载,目前,在国内机房运行的电能利用效率基本在2~2.5范围内,这个数值大幅度超出标准机房的基准数值。

这个现象说明在机房运行的过程中,总能耗中约有60~70%都用到了空调冷却等设施上了(表1),但是,Google 公司的数据中心机房电能利用效率年平均值达到1.21,美国Hp 的新一代数据中心体验中心机房夏季PUE 值可以达到1.6~1.7[1]。

现阶段较为核心问题出现在数据中心的高能耗,且高能耗导致的成本费用超出整个机房的运营维护的50%费用。

而现阶段对能源的需求也不断地增长。

如图1所示。

2数据中心耗能设备组成
(1)数据中心机房中IT 设备的品种很多,主要用
于数据中心中所用到的应用系统的运营。

如表2所示。

(2)制冷设备:为控制机房环境的温度和湿度,确
保设备的正常运行,如表3所示[2]。

(3)供配电系统:供配电系统主要是为数据中心各
类设备的正常运行提供使用的电压和电流,并保证使用作者简介：胡进贤(1987-),女,硕士,研究方向:数据中心机房、大数据、智慧城市的研究;谷国栋(1974-),男,硕士,院长,研究方向:大数据、智慧城市、云计算、数据机房等。

收稿日期：2019-01-14
数据中心能耗现状与节能方向的探索与研究
胡进贤，周起如，谷国栋
（深圳市赛为智能股份有限公司大数据研究院，广东深圳518057）
摘
要:数据中心拥有能量密集和高耗能的标签，因此，能耗问题也越来越引起人们的关注。

现阶
段数据中心的高速发展，降低能耗也变得非常重要。

为了解决这个能耗高的问题，从能耗的组成入手，去分析和阐述数据中心能耗的节能技术和措施，探索了在数据中心运行中有效实现绿色能耗的方法。

关键词:数据中心；高能耗；节能减排；能效指标
表1
数据中心机房标准能耗分配表
图1现有机房数据中心的能耗组成
表2数据中心机房IT 设备分类表
表3数据中心机房制冷设备分类表
1%
24%
30%
45%
制冷设备IT 设备供配电系统照明等其他设备
序号类型
具体设备
1服务器类机架式、刀片式(含机框)或塔式等服务器2存储类磁盘阵列、SAN (Storage Area Network,存储区域网络)
交换机等存储设备,以及磁带库、虚拟带库等备份设备3网络类
交换机、路由器以及防火墙、VPN (Virtual Private Net⁃work,虚拟专用网络)、负载均衡等各类专用网络设备
4
IT 支撑类主要包括用户运行维护的监控管理等设备
现有机房多数能耗分配状况标准机房能耗分配IT 设备及网络通信设备:30%
IT 设备及网络通信设备:50%
空调的制冷系统:45%空调的制冷系统:25%变压器/UPS 供电系统:24%
变压器/UPS 供电系统:10%
照明设施:1%
照明设施:3%
序号类型
具体设备
1空调设备类机房专用空调、行间制冷空调、温度调节设备等2冷源的设备
种类
风冷室外机、冷水机组、冷却塔、水泵、水处理等
3
新风系统类送风、回风风扇、加/除湿设备、风阀等
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过程的安全和可靠。

供配电系统通常由变压器、配电柜、发电机、不间断电源、电池、机柜配电单元等设备组成[2]。

(4)其他设备:主要包括照明、视频安防、消防设
备以及相关机房环境监控系统等。

3影响机房能源效率的主要问题
(1)机房冷却效率低,机房的设计与布局对温度场
和气流组织会产生较大的影响,而冷却资源没有得到有效的利用,图2中显示了一个机房的热岛效应。

为了解决这个问题,绝大多数的机房采取提高制冷量,实际却导致了更多的能耗浪费。

(2)IT 设备电能利用率低,在完成同等工作量的情
况下,IT 设备消耗了过多的电能。

另外,服务器的大部分电能消耗在外围配件上,只有一小部分电能用在计算
和处理方面等。

4
节能分析的评估指标模型
4.1电能利用效率（PUE ）
广泛而普遍用到的PUE (电能利用效率)是由美国
GreenGrid 提出的PUE (Power Usage Effectiveness)这个参数如下所示[3]:
PUE=
(式1)
其中,TotalFacilityPower 是指数据中心的总能耗,ITEquipmentPower 是指数据机房中IT 设备耗能。

4.2局部电能利用效率（PartialPUE ，局部电能利用效率
）另外一个指标,主要是对机房局部区域进行能耗和效率的评估和分析。

即局部PUE。

局部PUE 主要用于体现机房内部的重要的部分设备或部分区域的耗能情况,它的值与整体的PUE 比较起来,可能大也可能小。

即分区监测和统计。

因此,为了提高机房的耗能
效率,可从局部出发,先提升局部的能耗即:提升pPUE 值。

这个指标参数适合场合如集装箱、微模块数据中心等。

4.3制冷负载系数和供电负载系数
这里提到的制冷负载系统简称CLF:为数据中心中
制冷设备耗电与IT 设备耗电的比值。

另一个供电负载系数简称PLF:为数据中心中供配电系统耗电与IT 设备耗电的比值。

制冷负载系统和供电负载系数可看成电能利用效率的深化部分。

通过这两个指标又可进一步分析耗能情况。

可作为辅助分析能耗情况。

因此,为了提高电能的有效利用率,GreenGrid 也提出了相应的修正[3]:即PUE =CLF (Cooling Load Factor)+PLF (Power
Load Factor)+1
(式2)
4.4可再生能源使用率RER (Renewable Energy Ratio)
这里所提到的可再生能源使用率(RER):为可再
生能源供电与数据中心总耗电的比值。

这里提到的可再生能源主要包括太阳能、风能、水能、生物能和海洋能等[4]。

可再生能源不仅环保而且资源多且分布也很广泛,是未来发展方向。

可再生能源的使用率可用在平衡数据
中心利用可再生能源的情况,从而实现节能环保。

5
节能方向的探索
5.1数据中心建设推荐采用的经济性PUE
如图3所示。

数据中心受可用性要求约制和TCO 最低要求的约制,现在国内数据中心的电能利用效率较高,推荐电能利用效率的范围为1.8-1.6。

5.2数据中心节能的3个方向
(1)为了提高机房的节能,从基础的IT
设备节能
图2机房的热岛
图3PUE 曲线
0%
10%
20%
30%
40%
50%
60%
70%
80%
90%100%
3.53.02.52.01.51.00.50.0
%IT Load
94
开始,使用低能耗主设备是机房节能措施的关键步骤。

关键因子IT设备的能耗占据了数据中心机房的能耗的重要位置。

同时,PUE标准也在逐渐被人们采用, IT设备的能耗也会随着PUE标准的推广,所占总能耗比重也会越来越高。

(2)空调设备节能
选择采用空调系统针对节约能耗方面的综合解决方案对提升数据中心机房节能有很大的帮助。

(3)供电系统节能
选择采用更高效率的供电系统也能大大提升数据中心的节能效果。

5.3能耗数据的分析
通过对能耗数据的分析,提高主要耗能设备的能耗效率。

(1)多层次、多维度能耗分析
整体能效评估,包括PUE值,单位业务量耗电,单位面积耗电等。

设备能效评估,包括主设备能效、动力系统能效、空调能效等。

影响因素分析,包括室内外温湿度、业务量等因素对能耗的影响等。

(2)利用聚类算法分析,实现节能
1)可以对同种类别的设备进行归类,同时还需找到有能耗异常的耗能设备;2)对影响因子进行聚类分析,不断地调整因素的值,得到能耗最优方案时,再确定该因素的值;3)同时对多个因素进行聚类分析,对比发现不同的因素对能耗的影响;4)递进聚类分析,通过对影响因素的递进推理和分析,再确定主要耗能因素。

(3)分析能耗数据,对能耗进行标准模型建立
从能耗预测仿真,能耗告警,能耗动态优化3方面考虑,建立能耗标准模型。

6结语
系统地介绍了数据中心相关研究的进展,IT设备和制冷设备的能耗是数据中心机房的高耗能设备,也是数据中心高耗能的关键因素,如何优化还需进行更多的研究。

已经进行的和正在进行的探索只是很小的一部分,等待研究和摸索的节能方法还有很多,为将来实现绿色节能的数据中心机房出一份力。

参考文献
[1]陈贻品.绿色数字化校园建设研究[J].数字技术
与应用,2013,(09):77-78.
[2]栾杰,龚加剑.数据中心的电源设计研究[J].河
南科技,2014,(11):127-129.
[3]Green Grid.2007.Green grid metrics:Describing Data⁃center Power Efficiency of High-density and Low-density Spaces,THERMES2007[J],Santa Fe,NM.
[4]唐华斌.数据中心的能效测评指标[J].电信网技
术,2012,(06):8-13.
[5]GB50189-2005,公共建筑节能设计标准[S].
shell命令,但也有一些差异。

比如移动文件,调用sys⁃tem(“mv a b”),如果b文件存在会在超级终端打印destination file is exist,overwrite?(Y/N),等待输入并阻塞后面的程序运行。

SylixOS中mv不支持-f选项,这种情况下可以通过system(“cp–f a b”)和system(“rm a”)两条命令来实现,或者修改SylixOS内核源码(参考libsylixos\SylixOS\shell\fsLib\ttinyShellFsCmd.c): mv命令是通过C语言函数实现的,函数原型是: static INT_tshellFsCmdMv(INT iArgC,PCHAR pp⁃cArgV[]);
SylixOS支持添加shell命令,调用如下接口函数: API_TShellKeywordAdd("mv",_tshellFsCmdMv);
API_TShellFormatAdd("mv","SRC file name,DST file name");
API_TShellHelpAdd("mv","move a file\n");
6结语
原先运行在Linux上的应用程序,不改动或者小改动就可以方便地移植到SylixOS。

由于Linux是比较成熟的大型操作系统,支持丰富的API接口函数,因此只列举了其中的一部分差异。

SylixOS自身也有丰富的API 接口函数,要用好SylixOS还需要更多地参考应用编程手册和学习内核源码。

参考文献
[1]焦进星.SylixOs的来龙去脉.软件和集成电路, 2018.
[2]陈思宇,陈雪.国产自主可控嵌入式处理器概述.
信息通信,2018, 4.
[3]SylixOS Shell用户手册.
[4]SylixOS应用开发手册.
(上接第44页)
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