数据中心能效逻辑2.0

　　数据中心密度和容量的不断增加，使其对能源的需求量越来越大，数据中心能源成本不断攀升，如何降低能耗成为亟待解决问题。艾默生网络能源有限公司（以下称艾默生）的能效逻辑为降低数据中心的能耗提供了一个解决思路。它推翻了行业内的传统观念，即重点考虑如制冷等数据中心基础设施支持系统的能效，而忽略了实际上消耗50%以上数据中心能源的IT负荷的能效——IT负荷的节能可推动制冷等基础设施各环节的节能。

　　艾默生的能效逻辑采用“由内而外”的方法推动IT负荷能效及其支持系统能效的改进。这种方法更具有策略性：在降低IT组件和设备层面能耗同时，降低支持系统能耗，这使节能效应进一步地放大——能效逻辑也正是利用了这种级联节能效应，使数据中心能耗大幅度地降低。

　　从能效逻辑1.0到2.0

　　艾默生能效逻辑1.0于2007年推出，其能源节省主要通过对构建一个464.5平方米（即5000平方英尺）数据中心——该数据中心中配备210台平均机架密度为2.8 KW的服务器机架的精密统计模型进行计算。通过将各项能效逻辑策略应用于该模型来计算各项策略对能源消耗的影响。分析结果表明，通过能效逻辑1.0中的级联效应，服务器处理器层面每节省1W能源可推动设施层面节省2.84W能源，协同执行能效逻辑中的10项策略，总体可节省数据中心52%的能耗及65%的空间。

　　如今，艾默生网络能源在最初能效逻辑1.0的基础上推出了能效逻辑2.0，其中融入了最近5年以来最新的技术进展以及最新的最佳实践。当然，能效逻辑2.0依然坚持了前一版本的核心原理，包括：

　　1.占一半以上能效节省来自数据中心的核心IT系统，并基于此运用级联效应实现数据中心各个层面的节能。

　　2.数据中心只有在能耗随负荷需求变化而变化的情形下才可高效运行，如果不能在负荷低载率情况下高效运行的系统将会消耗更多能源。

　　3.不使用未经测试并且可能损害数据中心性能和可用性的设计或技术，同样也可以显著降低数据中心的能耗。

　　当然，能效逻辑2.0中也对各项策略已进行了更新，以反映最新的技术和最佳实践。特别是，能效逻辑2.0对两项策略进行了修订，以反映能效逻辑1.0最初推出时尚未出现的新技术和新的最佳实践。

　　1.ICT架构。能效逻辑1.0策略4重点考量了刀片服务器及其通过共享公共配件包括风扇、网卡等节约能源的能力，而能效逻辑2.0中的策略4主要侧重于信息和通信技术（ICT）架构，该架构作为一种新兴的最佳实践，主要通过优化数据中心的IP连接来实现节能。

　　2.数据中心基础设施管理。能效逻辑2.0的另一个重大变化在于它充分利用了数据中心基础设施管理（DCIM），将能效逻辑1.0的最后一项策略从监控更新为DCIM。

　　节能效果的估算

　　优化数据中心性能时，大多数企业所面临的一大挑战就是对看似相互冲突的目标进行平衡，如管理成本、满足日益增长的计算能力需求、确保持续的可用性。能效逻辑可在不影响数据中心可用性的前提下，通过提高效率来降低成本、提升容量，从而使数据中心经理能够有效地应对相互冲突的目标。

　　1.级联效应。级联效应是能效逻辑策略的关键，它为数据中心效率方案提供了明确的方向。在一个PUE值为1.9的数据中心中，服务器组件层面每节省1W能源可推动设施层面节省2.84 W能源（图1）。另外，PUE值越大，节省的能源也越多。

　　2.能源效率。能效逻辑2.0的策略可使一个5000平方英尺的典型数据中心最多降低73.6%的能耗。

　　3.容量。空间、制冷和供电是数据中心容量增长的三大常见制约因素。能效逻辑可将提高的效率转变为额外的容量，从而减弱数据中心增长时上述制约因素的影响。实际上，IT效率的提高等同于增加额外的UPS容量，而机房空调的改进可提高机架密度、节省物理空间。

　　4.可用性。能效逻辑中的策略均为精心制定，目的在于不影响数据中心可用性的前提下提高效率。这些方法除了其效率优势之外，还能够还可延长IT设备耐热时间，并能实现更精确的容量控制。能效逻辑2.0所设计的一切策略均适用于所有的数据中心，且在实施过程中不会增加宕机风险。

　　能效逻辑2.0如何节能

　　能效逻辑2.0通过以下方法来实现节能70%以上的目标：

　　1.低功率服务器组件

　　级联效应主要通过服务器组件的节能来实现级联节能，这也是能效逻辑2.0将低功率服务器组件列为第一个节能步骤的原因。能效逻辑1.0强调通过提高处理器的效率以实现节能，实际上，除此之外还有其他能够实现节能的效果，这包括低功耗处理器和存储介质，比如，选用DDR3或者DDR4、用SSD取代传统硬盘。

　　2.高效服务器电源

　　虽然最初的能效逻辑1.0已使电源效率提高到79%，但电源能耗仍然比较多，远低于93%的目标效率。

　　和其他数据中心系统一样，服务器电源效率取决于负荷。某些电源带部分负载情况下的效率明显优于其他电源，这在电源平均利用率低于30%的双输入电源设备中尤为重要。

　　3.服务器电源管理

　　服务器电源管理是一种很有效降低服务器功耗的过渡解决方案，它无需额外的技术投资，例如在夜间开启电源管理，可使不工作CPU处理器处于空闲状态。同时，它也是一项理想的长期策略，可使服务器功耗随数据中心负载的变化进行动态调整。

　　4.ICT架构

　　现今的数据中心多为竖井式架构，而且未经优化的网络架构通常为重叠架构，缺乏资产跟踪，且网络交换/路由设施间欠缺协调性。这样的脱节信息通信技术架构与硬盘碎片相似，并对数据中心效率和性能均有影响。新的结构化布线技术可通过提高信息传输速率降低热负荷，从而提高效率。

　　5.服务器虚拟化和整合

　　通过允许在同一服务器运行多个应用，IT容量能够更准确地适应实际需求，从而大幅度减少所需的服务器数量。统计显示，每台虚拟化服务器每年平均可节省7000度电，少排放4吨二氧化碳。

　　6.智能ECO电源架构

　　传统双变换UPS变换过程约消耗4%至6%能源。这是传统UPS系统防护必须付出的合理代价，但通过新的高效智能ECO方案可以提高UPS效率。当市电质量达到最优质时候，智能ECO高效率变换过程可通过旁路实现。UPS控制的另一个全新功能是智能休眠并联，它可帮助节省更多的能源。而DCIM则可通过提供整体数据中心能源消耗和服务器利用率的可见性，调整UPS工作智能ECO运行方式或确定是否采用智能休眠并联，从而支持配电系统中的智能控制。

　　7.温度和风量管理

　　能效逻辑1.0主张机架布置时使用热通道/冷通道，并强调地板密封间隙的重要性。此外，还建议将冷冻水的温度提高至50℉（10℃）。能效逻辑2.0结合了最初能效逻辑中的最佳实践，并通过密封技术、智能控制和节能，使温度、湿度和风量管理更上一个台阶，且颇受大部分企业数据中心的欢迎。

　　8.可变容量冷却

　　和IT系统本身一样，机房空调必须按照峰值负荷的条件进行配置，这对只能通过启停调节制冷量的传统机房空调是一个严峻挑战。现今的机房空调采用一系列新技术来提高部分负荷的运行效率，包括上述运用于温度和风量管理的技术。另外，选择EC风机可更好提高机房空调的效率。从本质上讲， EC风机比传统离心风机的效率更高。同时，DX及冷冻水主机中使用可变容量压缩机可使各系统在未满负载运行的情形下，以更高的效率运行，从而提高效率。

　　9.高密度冷却

　　对数据中心能源效率进行优化时，需要从传统数据中心密度环境（每台机架2 kW至3 kW）转移到更高热密度的机房环境。这要求将机房的补充空调安装于设备机架顶部或旁侧，将热风直接从热通道中抽走，并将冷风送入冷通道，从而实现冷却。该方法可通过将机房空调靠近热源，以降低风机消耗功率，从而降低冷却成本。同时，还利用高效换热盘管，仅提供显冷量，显冷方式主要适用于只发热不产湿电子设备。此外，水冷背板(COOLTHERM)还可应用于机架的后部，直接带走热量不散入机房。

　　值得一提的是，所安装的用于支持补充空调(CRV/XDH/XDO/XDV)制冷剂传输系统也可支持新一代的芯片制冷，并保证通过制冷剂可直接带走服务器的热量，这样就不需要使用服务器风扇来散热。

　　10.数据中心基础设施管理

　　数据中心基础设施管理（DCIM）技术可采集、整合、集成IT和各设备系统的数据，从而实时显示运行情况，帮助优化数据中心的效率、容量和可用性。

　　能效逻辑中的关键环节

　　能效逻辑构建了一个清晰的节能路线图，以大幅度减少数据中心能耗，同时不影响数据中心的性能。分析表明，若某组织能够系统地采用能效逻辑2.0的路线图，则可降低70%以上的能耗，同时还可消除数据中心成长扩容返程中的制约因素。

　　作为对能效逻辑2.0的支撑，艾默生网络能源在www.EfficientDataCenters.com 中创建了能效逻辑2.0级联节能计算器。输入某特定设备的IT负荷和PUE值后，计算器用户可看到单项能效逻辑2.0策略对IT负荷、PUE值和能源成本的影响。

　　虽然并非每个组织都能采用能效逻辑2.0策略，但该类组织考虑改进数据中心时，仍可参照本文的下列4个关键策略而从能效逻辑2.0中获益。

　　1.利用级联效应。由于支持系统占数据中心能源消耗的比例相对较高，却无法直接提高数据中心的输出，因此该类系统成为第一个优化的对象。但支持系统的负荷由IT负荷决定；若IT系统效率提高，则可促进支持系统效率的提高。这主要归因于级联效应——该类非生产性IT系统不仅自身耗能，而且将间接导致支持其的电源和机房空调耗能

　　2.提高效率而不损害系统的可用性和灵活性。很多企业正在寻求降低数据中心能源消耗的解决方案，然而，这些方案大多数将效率放在首位，从而忽略了系统的可用性和灵活性，其实没有必要采用这种做法去承担风险。经验证，能效逻辑2.0可以运用相关公认技术大幅度降低数据中心能耗，且不影响数据中心提供服务的性能。

　　3.密度越大，效率越高。每台机架20kW的密度可能会使数据中心管理员感到担忧，但如今的数据中心可通过专门设计来实现空间随需扩展，从而安全、有效地支持高效率密度设备运行。

　　4.容量与效率矛盾。能效逻辑路线图不仅仅是一套用于降低能耗的解决方案，还是一套可用于提高计算能力的解决方案。能效逻辑可通过消除计算和存储能力增长的制约因素，从而使企业或组织不需花费高昂成本去投资构建新设施就可满足用户计算与存储能力增长需求。

　　综上所述，能效逻辑1.0采用统计法讨论数据中心的能效，并强调了IT设备在决定数据中心能效方面极端重要的地位，这是数据中心效率发展过程中至关重要的一步，但受经济环境的影响，以及缺少对IT及设备系统的实时可见性，对数据中心性能的优化受到了限制。数据中心容量的提升抵消了大部分的能源节省。

　　能效逻辑2.0阐述了优化数据中心的更多潜力，展示了一个“典型的”5000平方英尺数据中心如何通过运用现有技术节省70%以上的能耗。现在，能效仍然是一个数据中心需要优先考虑的因素，同时新一代数据中心管理系统为数据中心提供了更好的可见性和控制，在此背景下，整个行业在降低数据中心能耗方面可实现更大的跨越。

　　正确认识PUE

　　尽管PUE已成为广泛用于衡量数据中心效率的指标，但能效逻辑却突显了PUE的局限性，并强调了全面检测数据中心性能的重要性。

　　假定在采取任何改善措施前，能效逻辑2.0中基础数据中心的PUE值约为1.9。例如，某一组织仅采用能效逻辑2.0中的前5项措施，并选择使用高效、虚拟化且带有电源管理的服务器替换老式服务器来改造其数据中心，则该数据中心在维持目前性能水平的同时，总能耗还将降低650 kW，但是，该数据中心的PUE值实际上会稍有偏差，即从1.92变为1.94。相反，若组织选择从电源和机房空调入手，同时执行策略6、7、8、9，则节省能耗虽然仅为200 kW，但PUE值将显著改善。如果执行能效逻辑中的全部10项策略可提高IT和支持系统的效率，并降低支持系统的负荷，并将PUE值从1.92降低至1.28。

　　艾默生网络能源有限公司 吴健