实施节能的数据中心的114号白皮书

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1、实施节能的数据中心的 114 号白皮书2008-06-23 17:06:19APC 实施节能的数据中心的实施节能的数据中心的 114114 号白皮书（号白皮书（1 1） 简介电能的使用不是数据中心的典型设计标准，也没有作为一项开支得到有效 管理。在数据中心的生命周期内，尽管电能成本可能会超过包括 UPS 在内的电源系统的成本，也可能会超过 IT 设备的成本，但上述情况 却是不争的事实。出现这种情况的原因如下： 要缴纳的电费数额是在费用发生后才知道的，与任何特定决策或操作规 程没有明确的联系。因此，这些费用被视为是无法避免的。 用于为数据中心的电力成本建模的工具不普及，在数据中心的设计过程 中并

2、未广泛使用。 需要缴纳的电费通常不包括在数据中心运营组的责任或预算范围内。 数据中心的电费帐单可能包含在更大的电费帐单之内，而可能无法单独 提供。 决策者在进行规划和采购决策的过程中，未获得有关电力成本影响的充 足信息。本白皮书将证明上述所有问题均可以并应该得到解决，因为这样可以为一 般用户节约大量资金。在设计新设施时可以实现最大程度的节约，但现有的和 改 造的设施也可以实现某种程度的节约。在设计新数据中心的过程中，只需进 行简单且不需成本的决策，便可以节约 20-50% 的电费;如果系统化进行设计， 则可以减少多达 90% 的电费。什么是电能消耗成本?电能成本通常为每千瓦时 0.12 美元。

3、根据这一成本，每千瓦 IT 负载的 年电力成本约为 1,000 美元。在典型数据中心的 10 年生命周期中，这大约相 当于每千瓦负载 10,000 美元的成本。通常，数据中心所使用的能源约有一半消耗在 IT 负载上。另一半消耗在 包括电源设备在内的网络关键物理基础设施 (NCPI) 设备上。这意味着，对于 每千瓦 IT 负载，10 年的电力成本约为 20,000 美元。例如，一个 200 千瓦的数据中心 10 年的电能，成本为 4,000,000 美元。这对于任何组织都是一项 巨大的成本，所有 IT 专业人员都应了解这项开支的去向，并知道它是可以避 免的。能源消耗在什么地方?数据中心使用的能源

4、只有大约一半甚至不足一半消耗在 IT 负载上。另一 半消耗在包括电源设备、冷却设备和照明设施在内的网络关键物理基础设施 (NCPI) 设备上。图 1 显示了典型高可用性数据中心中电能的流向。需要注意 的是，数据中心消耗的所有能源最终都会以废热的形式排放到室外大气中。图 1 是根据采用 2N 电源设备和 N+1 冷却设备、在大约 30% 的额定容量下工作 的典型数据中心。图 1 典型数据中心的电能流向根据输入电能中实际消耗在 IT 负载上的比例，上述数据中心的效率为 30%。 若要更详细地了解电能消耗在什么地方，以及不同类型的设备具有什么样的负 载，请参阅 APAPC 113 号白皮书“数据中心

5、的电力效率建模”。效率并不是有效的指标许多有关电能消耗的讨论中都使用“效率”一词。虽然能够准确理解诸如 “提高效率”等此类词汇的基本含义，但在技术上使用“效率”一词对数据中 心 进行定量评估则会引起混淆。如果使用电能消耗(千瓦)指标而不是效率指标， 则会使讨论变得明确得多。例如，如果数据中心内两台不同设备的效率分别为 50% 和 80%，那么我们不知道如何将其效率合并为一个体现成本的数字。事实 上，电力成本实际取决于流经每台设备的电量。而且，某些设备(如计算机或照 明设施)的 效率为零，这是一个令人困惑的概念，没有传达出有关用电量的定 量信息。相比之下，以电能消耗为指标简单明了。只要将数据中心

6、内所有设备的能 耗加在一起，即可得出总耗电量。如果一台设备每个月消耗 10 美元的电能， 而另一台设备每个月消耗 20 美元的电能，只要将这两个值加在一起就可以了。 因此，本白皮书使用电能消耗作为定量术语，而不使用更常见但不明确的“效率” 一词。有关对数据中心能源消耗进行建模的完整讨论，请参阅 APCPC 113 号白皮 书。一瓦特的价值电能以称为千瓦时 (kW-hr) 的能量单位进行销售，它是在 1000 瓦 (1 kW) 的功率水平下一小时内提供的能量。功率与能量之间的区别对于经济分析非常 重要。功率容量成本是指与提供能量的系统相关的成本，并随系统的设计功率 水平提高 而增加。由功率容量产

7、生的成本有很多，例如 UPS 成本、发电机成 本、空调设备成本和配电设备成本。能源成本是指与市电帐单相关的成本。需要了解的一条关键原理是，通过降低能源消耗可以降低与功率容量相关 的成本以及能源成本。也就是说，如果一种实施方法在许多情况下可以节约电 能，则它也能够减少 NCPI 基础设施成本(主要由负载功率需求引发)。需要了 解的另一条相关的关键原理是，暂时性降低能源消耗与永久性降低能源消耗是 不同的。暂时性节约(例如减负载 或服务器服务器电源管理)可以降低电力成本，但未 必降低 NCPI 系统的额定功率和相关的 NCPI 基础设施成本。永久性或结构性 更改(如高效率服务或高效率 UPS 系统)

8、可同时降低电力成本和基础设施成本。 表 1 中阐释了这些原理并给出了节约价值的示例。暂时性暂时性节能节能结构性节能结构性节能注释注释节约方法节约方法电源管理减负载节能器高效率服务器高效率 UPS适度规划规模1 1 年电力节约年电力节约960960 美元美元960960 美元美元假设每千瓦时 0.12 美 元1010 年电力节约年电力节约 (IT)(IT)9,6009,600 美元美元9,6009,600 美元美元数据中心的典型设计寿 命 1010 年电力节约年电力节约 (NCPI)(NCPI)960960 美元美元13,76013,760 美元美元结构性节能可以降低与 容量相关的电力消耗 NC

9、PINCPI CaCapExpEx 节约节约0 0 美元美元13,30013,300 美元美元结构性节能可以降低设暂时性暂时性节能节能结构性节能结构性节能注释注释 备容量NCPINCPI OpExOpEx 节约节约0 0 美元美元6,6006,600 美元美元设备的减少可以降低运 营开支（如维护开支） 每千瓦每千瓦 1010 年总共节年总共节 约约10,56010,560 美元美元43,26043,260 美元美元表 1 典型高可用性数据中心在上面的示例中，数据中心采用 2N 冗余结构，并在典型的 30% 负载下 工作。需要注意的是，对于非冗余数据中心，节约效果会大打折扣，仅为上面 所示的节约

10、额的一半左右。还应注意的是，在一般情况下，进行结构性削减并 不 能消除所有已安装的电源和冷却容量的需求，因此节约效果还会进一步降低。 不过，总的来说，可以将结构性节能的效果合理地估计为暂时性节能的两倍。此处应该了解的重要一点是，能源消耗降低有两种形式：一种是只避免能 源消耗，但不会降低功率容量需求;另一种是也会降低安装的功率容量。我们将 可避免使用能源但不降低安装功率容量的节能称为“暂时性节能”，将可降低 安装功率容量的节能称为“结构性节能”。另外，数据中心的一个普遍规则是， 结构性 节能效果约为暂时性节能的两倍。IT 设备能源消耗的降低显而易见，能耗主要来自 IT 设备的电能开销。IT 设备

11、的能耗直接导致电 费开支，并由于要求配备同样消耗相应电量的各种电源和冷却设备而导致间接 的电费开支。因此，所有 IT 人员均应注意控制 IT 设备的能耗。用于控制 IT 能耗的手段一直以来都效果不佳。例如，IT 设备供应商没有 提供充分的信息，而使用户无法根据用电量作出决策。用户通常不知道他们可 以有不同的 IT 选择，相应的能耗也不同。不过，情况正在好转，用户现在可 以从运营和规划两方面入手，系统化地降低能耗。降低 IT 系统能耗有多种方法： 运营措施：淘汰某些系统、以高效的方式使用现有系统，以及迁移到更 节能的平台 规划措施：虚拟化虚拟化和标准化下面依次讨论每种方法。运营措施：淘汰某些 I

12、T 系统大多数数据中心仍有旧的技术平台处于运行中，供进行存档或研究之用。 实际上，大多数数据中心都有一些应用服务器在运行，但根本没有用户。盘存 这些系统并制定淘汰计划是很有用的。在许多情况下，即使系统没有实际淘汰， 也可以使其脱机并关闭。一种相应的方法是，将多个旧技术平台上的应用合并到新服务器上，从而 大幅度减少服务器总数。这种类型的合并不需要虚拟化，这将在后面加以讨论。一般情况下，可以降低多达 20% 的能耗。即使未减少占地面积，但因用户 部署的 IT 设备密度更高，恢复的功率容量也非常可观。运营措施：以高效的方式使用现有系统如今，大多数新服务器都具有电源管理功能。也就是说，它们可以在计算

13、负载下降时降低能耗。这在几年前是不可能的事情，那时，几乎所有 IT 设备 的能耗都是恒定不变的，且与计算负载无关。用户应当了解 IT 技术的这一变 化，并了解其 IT 系统上电源管理功能的状态。在可能的情况下，应在具有电 源管理功能的所有设备上启用该功能。需要注意的是，许多设备制造商提供的 设备在默认情况下禁用这些 功能。这可能需要升级应用程序，以确保其最大程 度地利用电源管理功能。电源管理功能可以降低总用电量，但不能降低功率容 量需求。运营措施：迁移到更节能的计算平台迁移到电力效率更高的平台是降低能耗的另一种有效策略。大多数数据中 心都有已投入使用 3 至 5 年的所谓“低密度服务器”。通常

14、，这些服务器每 台消耗的电能与如今的刀片式服务器相当或更低，而每台的体积要大得多。从 传统服务器逐台迁移到现代的刀片式 服务器通常并不能降低总能耗，甚至有可 能增加能耗。不过，这种迁移可以实现高得多的服务器组合密度。刀片式服务 器产生的热量并不比同等的 1U 服务器多，但产生热量的面积更小，这会导致 排热问题，因此会使人觉得刀片式服务器产生的热量过多。在规划新服务器部署时，使用刀片式服务器而非其他形式的服务器通常会 降低 20% 的能耗。这是因为通常刀片式服务器的电源效率更高，并且能够共享 某些开销功能，如风扇。需要了解的是，与其他服务器形式相比，在新部署设 备时选择刀片式服 务器形式可以降低

15、能耗，但刀片式服务器的能耗并不一定比 旧服务器低。通过上述讨论可以看出，从现有服务器技术进行逐台服务器的迁移并不一 定会明显降低能耗。若要确定通过逐台迁移到刀片式服务器来节能的可能性， 应 该将现有服务器的能耗与所提议的任何刀片式服务器的能耗进行比较。而且， 还应比较两种服务器的性能，以便用每瓦性能指标加以衡量。如今，主要的 OEMOEM(例如 DellDell、HPHP 和 IBMIBM)均为用户提供配置工具，这些工具可以准确地报告 各种刀片式服务器配置的实际能耗。若要确定传统服务器的能耗值，唯一现实 的方法是使用瓦特计测量示例服务器的能耗。通过比较以这种方法获得的值， 可以估算出大型服务器

16、迁移的节能效果。不过，以下迁移策略通常是最有效的： 用一台双向服务器或一台单处理器双核双核服务器替换 2 台或更多旧服务 器 用一台基于低电压或中电压处理器的刀片式服务器替换一台旧服务器 对于具有专用磁盘驱动器的服务器，用低功率企业级 2.5 英寸驱动器 替换 3.5 英寸驱动器 用一台双核处理器服务器替换一台双处理器服务器 用一台双向双核服务器替换一台四向服务器通过上述讨论可以看出，迁移通常并不是降低能耗的最有效手段。至于新 服务器技术帮助降低能耗的主要方法，一是通过合并服务器上的应用来减少服 务器总数，二是对服务器进行虚拟化。实施节能的数据中心的实施节能的数据中心的 114114 号白皮书（号白皮书（2 2）规划措施：虚拟化虚拟化服务器服务器虚拟化可大幅降低 IT 功率需求。虚拟化几乎总是能够大幅度减少 所安 装的服务器数量。消除一台服务器可以产生约 200 至 400 瓦的结构性节 能，具体取决于所使用的技术。因此，每消除一台服务器，每年可节约能耗约 为 380 美元，这一结构