【ODCC专家视角】数据中心绿色技术及其发展研究之—IDC绿色技术研究

本文发表于2015年《中兴通讯》，提出了数据中心在制冷、供配电和ICT设备等方面的绿色技术，并指出通过对xUE系列指标的分析可以了解PUE参数的局限性。

本文认为能源使用效率（PUE）并不是我们追求的最终目标，但不会影响我们对于绿色技术的创新和使用。本文指出未来我们需要不断加大技术、标准和政策等各方面的投入力度，才能实现中国数据中心的绿色健康发展。

一直以来，信息、通信和技术（ICT）产业特别是互联网数据中心（IDC）的 能耗是一个令业界头痛的大问题。欧美地区较早就开始关注数据中心的能耗和绿色化问题。早在2008年，欧盟就发布了 《能效行为准则》，该准则是企业界对于电子类产品能效的一种自愿性承诺，目前已经推出针对数据中心的能效行为准则。

在美国，越来越多的科技企业如微软、Facebook和Twitter等都积极去人口密度较低、电力能源价格较低的小镇展开数据中心建设。亚洲各国和地区也逐渐开始关注能耗问题：韩国于2008制订了《低碳绿色增长的国家战略》，提出大力发展低碳技术产业、强化应对气候变化能力、提高能源自给率和能源福利，以全面提升绿色竞争力；日本政府于2009年公布了《绿色经济与社会变革》的政策草案，提出通过实行削减温室气体排放等措施，大力推动低碳经济发展；新加坡于2011年发布国家标准《SS564》，该标准是一个认证管理体系，它为数据中心实现节能提供了框架和方法[1]。

作为一个数据中心大国，中国很有必要对IDC绿色技术进行研究，并通过国际通行的能源使用效率（PUE）参数比较，从根本上促进中国数据中心产业的健康绿色发展，实现数据中心产业由大到强的转变。

1、制冷技术

据研究统计，制冷耗电占到整个数据中心耗电的将近一半，所以制冷采取绿色技术进行节能的意义非常重大。目前，绿色制冷技术主要是利用自然冷源进行冷却以节省能源，常见的有 新节能技术、乙二醇自然冷却技术等。

（1）新风技术

新风技术是利用机房室外的自然环境为制冷源，当室外空气温度比室内低一定程度时，通过新风节能装置引进符合机房空气质量要求的室外自然新风，与机房内热空气直接进行热量交换，降低机房内环境温度以满足机房环境要求，从而达到节省空调制冷量、节约能源的目的。机房新风节能通常采用的主要有通过风扇直接进入、采用湿膜通风设备进入和利用智能换热设备进入等新技术。

（2）乙二醇自然冷却技术

空调制冷主要靠压缩机的运转将系统内的氟利昂从气体压缩成高温高压的液体，再通过室外冷凝及室内蒸发，吸收室内的热量，这需要消耗大量的电能。 乙二醇节能机组利用冬季室外冷源，通过水泵的运转，将室内的热量传送到室外冷凝器，再由室外冷凝器将乙二醇液体的热量散发出去，大大减少系统的耗电量，在保证机房的恒温、恒湿和洁净条件下，节能降耗。

2、供配电技术

在数据中心中，供配电系统的耗电占到整个数据中心耗电的四分之一左右。随着IDC中各种ICT设备板卡密度越来越大，数据中心机柜的功率密度也越来越高，这对供配电系统提出了更高的技术要求。

(1) 开关电源休眠技术

开关电源整流模块的能量消耗包括输出功耗、带载损耗、空载损耗3个部分，其中输出功耗是根据负载电流大小决定的，无法降低能耗；带载损耗取决于整流模块的工作效率；空载损耗是负荷未达额定容量造成的。开关电源整流模块休眠技术就是根据负载电流大小，与系统的实配模块数量和容量相比较，通过智能“软开关”技术，来自动调整工作整流模块的数量，使部分模块处于休眠状态，把整流模块调整到最佳负载率下工作，从而降低系统的带载损耗和空载损耗，实现节能目的。

(2) 高压直流供电技术

24 V、48 V、60 V等直流供电技术在通信领域的应用已经有相当长的时间。为了区分，业内将200 V以上的直流称为高压直流。目前，欧洲的研究机构一般进行350～400 V标准的研究和实验，而中国制订的标准是240 V。

相比传统不间断电源（UPS）供电，高压直流供电系统在开关电源系统侧减少了一次直流（DC）/交流（AC）变换，在IT设备侧减少了一次AC/DC变换，从而提高了电源的使用效率，并且能够提高供电系统的可靠性。

3、ICT设备技术

（1）核心网设备动态节能技术

核心网设备大部分时间处于轻载状态，此时大部分业务处理设备或者单板却仍然在消耗能源，如果能将处于空闲状态的设备或单板进行休眠或关闭，就能减少设备的整体功耗。

单板休眠技术是在话务量低谷时，使部分单板平滑进入省电的休眠待机状态，并在话务量提升到一定程度时自动唤醒单板，以提供更多的处理能力。CPU动态降频降压技术是根据系统负载动态调整系统的处理能力。系统运行时，实时监控CPU占用率情况，当发现当前CPU占用率低于设定阀值时，就对CPU进行降频操作；当发现当前CPU占用率高于设定阀值时，就对CPU进行升频操作，以降低CPU功耗。

（2）接入网设备动态节能技术

● 按端口关断技术

随着技术能力的提高，现在单个业务板的接口密度越来越大，但实际应用中并不是所有的端口都在使用，这样就会带来一些硬件资源的浪费。按端口关断技术就是通过对端口在位状态的定时查寻，根据其在位状态进行对应的数据通道使能或关断。目前还不是所有的硬件都能支持在位状态检测。

● 按流量/按业务低功耗设计

有统计结果显示，通常情况下端口的峰值流量不足50%，一天内平均流量不足20%。因此，提高设备的硬件资源利用率，基于业务量的动态功耗设计成为重要的节能技术。按流量的动态节能主要包括流量检测和预判、硬件资源适配调整、流量突发的快速响应等关键技术。

（3）服务器动态节能技术

● 处理器降频和休眠技术

基于硬件支持，目前服务器已经实现了处理器内核工作频率随业务压力变化而动态调整。内置的分组控制单元（PCU）可对CPU内核进行精确的电源状态调节，提供多达15级功耗（频率）状态以满足不同应用负荷的能耗控制需求，使CPU的能耗曲线更接近应用负载曲线。当业务负载下降到某一门限值时，处理器内核工作频率也会随之下降到某一新的频点，根据新的频点，处理器核电压做出相应的优化调整，从而使实际功耗最低，服务器以更低功耗获得同样的性能。

当处理器处于空闲状态时，可以使其中的一个或几个内核进入休眠状态；根据业务需要再逐步唤醒处理器内核。如果整个系统都处于空闲状态，那么可以使系统进入深度休眠状态；当业务忙时，唤醒系统。对于刀片系统，当业务负荷低时，将业务集中到某几块线卡中，使空闲线卡进入深度休眠状态；当业务量上升到一定程度时空闲线卡唤醒[2]。

（4）存储设备动态节能技术

● 智能动态能耗控制技术

存储设备主要是由基于CPU的控制器和磁盘阵列组成的，在存储设备的使用过程中，在不同时段设备的“忙”“闲”可能不一样，智能动态能耗管理就让设备“忙”的时候能耗高，“闲”的时候能耗低。CPU有“忙”有“闲”，现在的CPU架构基本都支持动态能耗控制，即“忙”的时候CPU用较高的电压全速运行，“闲”时用较低电压低速运行，在无业务处理时，CPU可进入“休眠”状态，从而实现节能目的。

● 磁盘休眠和下电技术

磁盘休眠和磁盘降速技术可按磁盘负荷情况控制磁盘工作于4种状态：全速工作、磁盘空闲、磁盘休眠、磁盘下电。有一套自适应控制算法控制磁盘的下电时间。以SAS盘为例，磁盘正常运行功耗约为20 W，在休眠时其功耗大约为1 W，单盘可节能19 W。一个存储设备的盘数越多，节能效果越显著。

作者：郭亮

中国信通院云大所数据中心研究部主任工程师

ODCC测试认证工作组组长

GuoLiang@dceco.cn

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