谷歌现代数据中心节能策略概述

一、引言

日前，在谷歌官方网站上，谷歌宣称自家的数据中心电力使用效(PUE, Power Usage Effectiveness)全球平均值为1.12。并声称这一数据原本可以降低至1.06，只是因为考虑到机房整体的能源消耗，包括线路、变压器等所有能源消耗内容，才保持1.12这一“保守”的指标。相比全球范围内机房平均PUE值仍在1.7左右挣扎的水平，即使考虑数值计算上的偏差，谷歌这一优势仍然划时代性的，值得研究与学习。考虑到数据中心已然成为全世界最大的耗能行业（约占全球能耗的1.5%～2%）之一，降低其PUE值对全世界能源行业都有举足轻重的作用。在谷歌官方的《Efficiency: How others can do it》中，也对自家数据中心的节能策略进行了部分宣传与介绍。

二、基础概念

数据中心守护着企业重要 IT 设备的运行，如服务器、网络设备以及存储设备等，在数据中心支持全球数十亿人口上网的同时，也产生大量的机房能耗， 研究具体的机房能效改善对策，才能真正实现节能。对于当前的数据中心管理者来说，必须采用高效率的机房经营方针，才能取得“环保”及 “经济”双赢的好处。而提升数据中心能源效率的第一步，便是审慎评估PUE。

简单来说，PUE 就是数据中心总电力除以主能耗设备（即IT系统）电力，或是总设施能源除以 IT 设备能源。由于在相同产品与技术水平下IT系统的能耗水平基本相似，PUE便自然成为了检验机房能源效率的重要指标。根据 Uptime Institute 于的调查研究显示，全球业界平均 PUE 为 1.7，这表示机房节能仍有改善空间。

受到近年来大数据、物联网浪潮的推动，各地的机房建设持续进行，同时， 在环保意识高涨的氛围下，“机房节能”也成为了一门新的研究领域。从客观事 实来看，首先，数据中心的电力支出占总持有成本(TCO, Total Cost of Ownership)的一大部分，接近或超过人力成本；其次，数据中心常背负着“不环保”的恶名。

截至目前为止，仍有许多数据中心尚未采用任何效率指标，导致数据中心的节能毫无标准可循。虽然 PUE 仍存有许多争议，但是 PUE 值仍是衡量数据 中心基础设施效率的主要指导方针，而且对于拟定及执行数据中心的绿色节能 策略也很有参考价值。

三、谷歌数据中心节能策略

IT 设备如：服务器、存储设备、通讯技术、基础设施 (风扇、冷却、水泵、配电等)，其本身的效率以及碳排放，是影响数据中心产生温室气体的主要因素。如果专注于能耗改善的部分，将可对数据中心的绿色节能计划产生显著的影响。

在谷歌公开的节能策略中，以下几部分对于改善数据中心能耗，并 优化PUE有着显著作用：

一：定期进行硬件检查

数据中心普遍存在许多不必要的 IT 设备，所谓“休眠的服务器”指的是仍 然插在机柜里，实际上却已不再使用的服务器，但是会占据宝贵的机柜空间，消耗大量能源，并且使 PUE 恶化。为了了解此问题的普遍性，一项相关调查发现，大约有半数的被调查者并未执行计划性的检查及拔除多余的服务器。此外，在研究中，大部分机房的现场并无法准确地监控所有基础设施及 IT 负载，可见机房节能改善之路还很长。

除了 IT 设备的检查，对于非 IT 的基础设施，也必须做定期的检核，例如机房的不间断电源系统(UPS)，有别于传统的工频单机 UPS，当前的趋势是采用高频模块化 UPS，为了达到机房节能，选用 UPS 时应该考虑以下两大条件: 1. 随需扩容：模块化 UPS 可以配合机房扩容的脚步，适时增加电源模块的数量，不需要在机房建置初期投入大量的资金，并且不占据多余的机房空间，使机房业务逐步成长时，UPS 电源仍可“无缝接轨”；除了增 加电源模块，UPS 也必须满足多机并联的需求，以因应机房规模扩大。模块化 UPS 满足机房无缝扩容的需求。2. 轻载高效：一般数据中心为了确保可靠度，会配置电源冗余 N+X，甚至 配置 2N 双母线，导致负载率大约在 30-40%甚至更低，因此除了追求 UPS 满载效率之外，也要关 注 20-100%负载率区间的效率曲线，设法达到“轻载高效”的理 想境界。

二：例行测量 PUE 值

如前所述，PUE 是量化能源效率的主要业界标准，大部分原因是其具有简单性及可行性，但是在观察的几个行业中却很少实施。不定期的纪录并无法确 实了解实际的能源使用状况，所以业内人士不断建议执行例行性的 PUE 检测， 以便监测数据中心 PUE 随季节变化及其他因素而波动。此外，为了能实时精确 量测总电力，并纪录实际的 PUE，必须在关键测量点安装传感器，并记录实际 电力(kW 及 kVA)，并且应该要记录一段时期之内的能源使用状况，才能做出最 佳的分析。谷歌对其全球机房均进行详细而准确的记录与对比，这也是其效率得以提升的关键之一。

三：更新硬件

服务器效率与 PUE 直接相关，而且是提升 PUE 的关键要素，但是想要正 确估计服务器效率，还必须考虑几个因素。我们可以从 CPU 利用率出发，针对能效不佳的 CPU，虚拟化技术(virtualization)可以大幅提升 CPU 能效及服务器的效率，而不需要更新服务器；此外，也应该将每一只机柜的负载能力与消耗 电力，列入效率的计算中。采用刀片服务器(blade servers)是提高机柜密度 的一种手法(每一机柜最多可容纳 1,024 CPU 核心)，也可以降低设施的冷却与电力需求。

将实体服务器合并与虚拟化，将可提高数据中心效率，IT 管理人员应该在 硬件升级时将此列入考虑。根据研究指出，合并服务器的好处有:

• 平均每年每一服务器最多可节省约4000元
• 减少热量的产生及相关的冷却成本
• 释出多余空间并扩大运算能力
• 值得注意的是，虚拟化技术及刀片服务器会产生一个负面影响，亦即会产生额外的热量及冷却需求。目前有数种解决方案，例如“冷热通道封闭”或是“机 柜式空调(列间空调)”等气流管理 手段，就是为了处理机房高密度负载的问题。

四：提升机房冷却效率

冷却是仅次于 IT 负载之外，最大的耗电来源，因此，安装能源监控及测量机制非常重要，可以了解冷却对于 PUE 的整体影响与改善的方法。

谷歌作为数据中心节能领域的佼佼者，领先的关键点也集中在机房冷却效率方面。根据Android Emotions 报导，最新的谷歌 AI 产品正在尝试找出能进一步降低 PUE 的方法。

谷歌更用来提升机房冷却效率有关的做法包括：

1、 优化气流管理 设计良好的冷热通道封闭，可避免热空气和冷空气混合，以提升冷却系统的效率。为了有效排除机房热点，建立理想的热能分布状态，可以借由适当地放置温度传感器，利用计算机仿真工具找出热点并加以排除。根 据 EPA 的研究，有效的冷热信道封闭系统，可减少 25%的风扇能耗，以及 20%的冰水主机能耗。

2、 提高机房环境温度

谷歌已打破了数据中心必须保持约摄氏 21°C的迷信，确认了冷通道可以在约摄氏 27°C的温度下运转，因此在提高温度的同时，关闭再热器和除湿机，便可以有效节约能源。

3、 采用自然冷却技术(Free Cooling)

空调系统的冰水主机会消耗大量的能源，可以视天候条件，选用自然 冷却系统，将外面的冷空气吸进来，加以利用后再排放到外面去。其他自然冷却的来源包括：引入外界的空气、水蒸气或设置大型的热储存器。

五：提高机房温度

长久以来，机房 IT 人员受限于传统机房温度迷信。不太愿意提高机房温度，然而，美国空调冷冻工程师学会(ASHRAE)发布的机房工作温度建议，范围修订为 18°C至 27°C(64.4°F 至 80.6°F)。

除了温度，ASHRAE 也提高了湿度建议范围。受惠于这样的修订，数据中心将可以创造更多冷却成本的节约，也更能符合自然冷却的条件。

就机房温度而言，如果太过保守，维持机房低温，将会使营运成本居高不 下，造成 PUE 值较差或冷却成本较高；此外，根据英特尔一项研究数据显示，机房环境温度每提升 1°C可以带来 4%的制冷成本节约。有鉴于此，一些高温节能产品也应运而生，例如： 高温节能服务器:“高温”是指服务器耐高温能够在 5°C至 47°C环境温度下，无需空调制冷，能稳定运行，由于服务器能适应更高的机房温度，而带来制冷能耗的减少，相对传统服务器而言，高温节能服务器具有耐 高温、低能耗、易部署等特点，对于机房节能也是一大功臣。 高温冰水空调：一般机房内大多是属于显热，只有很少数的潜热，因此 除湿的需求非常少，机房精密空调的入水温度便可以从一般的 7°C往上调升，在此情况下，冰水主机的制冷量 增加，能效比改善，也就争取更多空调节能的机会。

六：导入数据中心管理系统(DCIM)

为了协助数据中心经营者更有效、全面地管理数据中心，数据中心基础设 施管理系统(Date Center Infrastructure Management, DCIM)就应运而生。 DCIM 可通过机房鸟瞰图，协助 IT 经理人实时应对、事先规划、管理可能的风险，并减少停机时间。如前所述，个别服务器利用率低是数据中心普遍存在的问题，DCIM 可协助数据中心人员找出长期闲置的服务器，加以重新配置，以提升效率，并准确测量数据中心资产及能源的使用状况。

四、结论

数据中心绿色节能需要发挥相当的创意，不应受到传统思维的局限。业界 有许多案例均显示机房节能可以带来许多实质的好处，而 PUE 值可以作为一个 能效指标的基础，对于创造永续的绿色数据中心而言是非常重要的。

就目前来说，百分百纯净的能源是遥不可及的梦想，然而还是有许多企业用的是“混搭” 策略来接近此理想目标。举例来说，包括利用再生能源、就地发电以及远距电网等等。IT 巨擘如苹果所安装的 55,000 片太阳能板、eBay 在犹他州 Quicksilver 工厂利用燃料电池，以及微软利用风力和太阳能。

中小企业在数据中心选址时，或许可以与当地公用事业合作，取得干净的电力或再生能源，也可在新数据中心选址时，考虑设置在纯净能源公用事业的周边地区。

同时， 一般企业可以透过例行测量 PUE，以及善用管理工具(如 DCIM)找出并修正 IT 低效率的部分，减少碳排放，提高个别服务器的使用率，最终达到 PUE 及 ROI 优化的目标。

我司作为专业的智慧能源综合解决方案提供商，利用高校优质资源，借鉴业界先进节能技术，通过综合措施大规模降低企业能耗，提高数据中心效率，为企业提供最具竞争力的能源服务。