低碳能效型水利數(shù)據(jù)中心的規(guī)劃與建設(shè)

馬澤生，徐靜保

（淮河水利委員會(huì)水文局（信息中心），安徽 蚌埠 233001）

0 引言

隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的不斷進(jìn)步、信息技術(shù)的迅猛發(fā)展和水利事業(yè)的全面推進(jìn)，水利信息化逐步深入。特別是 2003年第1次全國(guó)水利信息化工作會(huì)議以來(lái)，全國(guó)水利系統(tǒng)堅(jiān)持以水利信息化帶動(dòng)水利現(xiàn)代化，緊緊圍繞水利中心工作，認(rèn)真組織實(shí)施全國(guó)水利信息化規(guī)劃，初步形成了由基礎(chǔ)設(shè)施、應(yīng)用系統(tǒng)和保障環(huán)境組成的水利信息化綜合體系，有力推動(dòng)了傳統(tǒng)水利向現(xiàn)代水利、可持續(xù)發(fā)展水利轉(zhuǎn)變。

水利數(shù)據(jù)中心是水利信息化的重要基礎(chǔ)設(shè)施之一，對(duì)于開(kāi)發(fā)信息資源，實(shí)現(xiàn)資源整合，促進(jìn)信息共享，提供信息服務(wù)，支撐業(yè)務(wù)應(yīng)用，不斷提升水利信息化水平和效益具有核心作用[1]。作為水利部確定的水利信息化近期8大重點(diǎn)工程之一，順利推進(jìn)和實(shí)施水利數(shù)據(jù)中心建設(shè)也是當(dāng)前和今后一段時(shí)期水利信息化建設(shè)的重要任務(wù)。

與此同時(shí)，能源和環(huán)境問(wèn)題已經(jīng)成為當(dāng)今社會(huì)人們共同關(guān)注的焦點(diǎn)，綠色低碳、節(jié)能降耗已成為關(guān)系到國(guó)計(jì)民生、國(guó)家安全、國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力、資源和環(huán)境保護(hù)等的重大問(wèn)題。其中，數(shù)據(jù)中心節(jié)能一直是節(jié)能環(huán)保的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，隨著信息技術(shù)的發(fā)展和普及，數(shù)據(jù)中心的設(shè)備數(shù)量快速增長(zhǎng)，導(dǎo)致數(shù)據(jù)中心能耗需求的增長(zhǎng)速度遠(yuǎn)高于其它領(lǐng)域。那么，目前低碳能效型數(shù)據(jù)中心有哪些含義？如何規(guī)劃與建設(shè)？需要哪些核心的技術(shù)？如何衡量是否成功？需要進(jìn)行一些討論和探索。

1 低碳能效型水利數(shù)據(jù)中心的內(nèi)涵

根據(jù) TIA/EIA-942數(shù)據(jù)中心標(biāo)準(zhǔn)，典型的數(shù)據(jù)中心包括數(shù)據(jù)中心樓宇與機(jī)房、環(huán)境與安保監(jiān)控系統(tǒng)、供配電系統(tǒng)、散熱系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)與綜合布線、服務(wù)器與存儲(chǔ)基礎(chǔ)設(shè)施、安全系統(tǒng)等組成部分[2]。有關(guān)水利數(shù)據(jù)中心的具體內(nèi)容和基本技術(shù)要求，在已經(jīng)發(fā)布的《水利數(shù)據(jù)中心建設(shè)指導(dǎo)意見(jiàn)》和《國(guó)家水利數(shù)據(jù)中心建設(shè)基本技術(shù)要求》等文件當(dāng)中已有詳細(xì)說(shuō)明，下面主要從如何綜合考慮數(shù)據(jù)中心低碳、能效的層面展開(kāi)分析和討論。

從業(yè)務(wù)部門(mén)的角度來(lái)看，數(shù)據(jù)中心需要能夠保障業(yè)務(wù)的連續(xù)運(yùn)行，適應(yīng)業(yè)務(wù)變化，促進(jìn)業(yè)務(wù)創(chuàng)新，符合法規(guī)制度的要求。從信息系統(tǒng)管理運(yùn)維部門(mén)的角度來(lái)看，數(shù)據(jù)中心是否能夠安全可靠地提供服務(wù)、系統(tǒng)利用率如何，如何降低運(yùn)維成本，提高投入回報(bào)和運(yùn)行效益，簡(jiǎn)化運(yùn)維管理是主要問(wèn)題。

因此，數(shù)據(jù)中心的整體規(guī)劃應(yīng)當(dāng)針對(duì)水利事業(yè)發(fā)展的需求，不僅要做好針對(duì)單個(gè)應(yīng)用的項(xiàng)目規(guī)劃，更需要針對(duì)整體的應(yīng)用需求來(lái)規(guī)劃。在整體規(guī)劃的基礎(chǔ)上把信息、網(wǎng)絡(luò)、服務(wù)器、存儲(chǔ)等資源進(jìn)行整合并提供共享機(jī)制。業(yè)務(wù)應(yīng)用根據(jù)各自的需求，隨時(shí)可以得到資源配置，整個(gè)配置和部署的過(guò)程能夠自動(dòng)實(shí)現(xiàn)。

數(shù)據(jù)中心實(shí)現(xiàn)資源的共享，才能實(shí)現(xiàn)按需供應(yīng)，這樣配置好1個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)之后，計(jì)算、存儲(chǔ)資源等才能夠被高效的利用，不同系統(tǒng)之間才能實(shí)現(xiàn)互相調(diào)用，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化動(dòng)態(tài)管理以后才能建立面向服務(wù)的數(shù)據(jù)中心[3]。這樣，數(shù)據(jù)中心就更具有彈性和可擴(kuò)展性，具備面向服務(wù)，按需配置，自動(dòng)化動(dòng)態(tài)管理的特點(diǎn)，能夠更好地適應(yīng)業(yè)務(wù)應(yīng)用和技術(shù)的不斷發(fā)展。

在規(guī)劃建設(shè)數(shù)據(jù)中心面臨的諸多問(wèn)題面前，對(duì)于“綠色環(huán)保、低碳能效”的認(rèn)識(shí)存在不足是較為普遍的現(xiàn)象。通常只是重點(diǎn)關(guān)注數(shù)據(jù)中心的處理能力要多少，磁盤(pán)陣列要多大，網(wǎng)絡(luò)怎么規(guī)劃，UPS 如何配置等等。而對(duì)其能耗、空調(diào)、環(huán)保設(shè)計(jì)還缺乏認(rèn)識(shí)，或者根本沒(méi)有把節(jié)能、降耗、運(yùn)營(yíng)成本等進(jìn)行綜合考慮。實(shí)際上，技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)使得計(jì)算能力成為一種一般商品，而電力卻從以往的一般商品上升為焦點(diǎn)。

節(jié)能減排是國(guó)家可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略決策，需要加大力度提高對(duì)建設(shè)低碳能效型數(shù)據(jù)中心的認(rèn)識(shí)。因此，降低能耗，節(jié)省空間，提高網(wǎng)絡(luò)、服務(wù)器、存儲(chǔ)設(shè)備等的利用率，動(dòng)態(tài)智能化監(jiān)控管理，限制使用有害物質(zhì)，減少噪音等措施的綜合運(yùn)用可以作為綠色數(shù)據(jù)中心建設(shè)的基本內(nèi)涵[4]。其關(guān)鍵要素應(yīng)當(dāng)包括業(yè)務(wù)連續(xù)、成本降低、性能提升、管理智能、安全可信、綠色環(huán)保等幾個(gè)方面。設(shè)計(jì)原則應(yīng)當(dāng)做到標(biāo)準(zhǔn)化與簡(jiǎn)易化、模塊化與集成化、節(jié)能與節(jié)省空間、高性能與高可用性等[2]。

2 現(xiàn)狀評(píng)估與分析

首先，需要對(duì)數(shù)據(jù)中心的現(xiàn)狀作一個(gè)全面的了解，對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)的成熟度評(píng)估。在評(píng)估的基礎(chǔ)上，再根據(jù)自身需要，結(jié)合實(shí)際開(kāi)展后續(xù)工作。

資料顯示，在數(shù)據(jù)中心所有的用電量當(dāng)中，冷卻系統(tǒng)消耗33%，機(jī)房空調(diào)消耗9%，濕度消耗3%，PDU 消耗5%，UPS 消耗18%，照明、發(fā)電等消耗2%，實(shí)際上只有30% 左右的電量是提供給關(guān)鍵的 IT 設(shè)備，而70% 都被消耗掉[5]。典型的數(shù)據(jù)中心能耗分布及資源利用情況如圖1所示[3]。

圖1 數(shù)據(jù)中心能耗分布及資源利用情況

通過(guò)分析數(shù)據(jù)中心的能耗構(gòu)成，不僅可以在服務(wù)器和網(wǎng)絡(luò)通信、供電及制冷設(shè)備等方面進(jìn)行節(jié)能，還可以在數(shù)據(jù)中心規(guī)劃和建設(shè)，設(shè)備優(yōu)化和管理、充分利用自然氣候條件等方面采取一些行之有效的措施。

3 技術(shù)與最佳實(shí)踐

3.1 冷卻系統(tǒng)節(jié)能

充分利用自然冷卻方式。冷卻系統(tǒng)可以在冬季利用室外的冷空氣，減少通過(guò)空調(diào)制冷的需求，減少用電量，同時(shí)減少對(duì)空調(diào)壓縮機(jī)的損耗。這一點(diǎn)，我國(guó)大部分地區(qū)都具備實(shí)施條件。

由于高密度設(shè)備的使用，產(chǎn)生了機(jī)房局部高熱密度現(xiàn)象。針對(duì)這一問(wèn)題，可以采用機(jī)房高熱密度制冷解決方案，例如采用支持 RDHX（背板熱量交換器）的制冷系統(tǒng)。對(duì)于普通服務(wù)器和刀片式機(jī)柜，RDHX 可從每個(gè)機(jī)柜上帶走最高20kW 的熱量。

適當(dāng)調(diào)高數(shù)據(jù)中心的工作溫度。事實(shí)上，服務(wù)器等設(shè)備對(duì)數(shù)據(jù)中心環(huán)境的要求并非特別苛刻。主流品牌服務(wù)器要求的工作溫度多在 10～35℃ 之間，濕度多在20%～80% 之間[6]。因此，可以適當(dāng)調(diào)高數(shù)據(jù)中心的工作溫度來(lái)達(dá)到節(jié)能的目的。

面積較大的數(shù)據(jù)中心可以考慮采用水冷方式散熱。水冷系統(tǒng)通過(guò)精確、高效的熱量交換，可減低至少80% 散發(fā)到機(jī)房里的熱量，單機(jī)最大總制冷能力達(dá)到120或150kW，從而減少設(shè)備負(fù)荷。

3.2 合理設(shè)計(jì)氣流通道

考慮解決不斷增加的設(shè)備散熱問(wèn)題時(shí)，不要僅僅考慮簡(jiǎn)單增加空調(diào)功率。實(shí)際上，采用科學(xué)合理的冷熱氣流通道設(shè)計(jì)是一種行之有效的方法。

建立相互隔離的冷熱通道，避免冷熱空氣相遇混合。機(jī)柜面對(duì)面形成冷風(fēng)通道，背對(duì)背布置形成熱風(fēng)通道。冷通道布置風(fēng)口地板，所有冷風(fēng)在這里從地板下吹出來(lái)，送到服務(wù)器的正面，經(jīng)過(guò)服務(wù)器后的熱空氣來(lái)到熱通道，然后傳輸?shù)教旎ò宓臒犸L(fēng)口，最后經(jīng)天花板上面的空間送到空調(diào)的回風(fēng)口。下送風(fēng)、上回風(fēng)方式符合高溫氣體在上、低溫氣體在下的溫度自然分布規(guī)律，提高冷風(fēng)的利用率。這種方式所需送風(fēng)量小，其達(dá)到的送回風(fēng)溫差比上送風(fēng)方式，可節(jié)能20%～30%[3]。設(shè)計(jì)的冷熱空氣流通示意圖如圖2所示，冷熱氣流通道設(shè)計(jì)示意圖如圖3所示。

圖2 冷熱空氣流通示意圖

圖3 冷熱氣流通道設(shè)計(jì)示意圖

整理清除地板下阻礙送風(fēng)的物件，適當(dāng)提高地板高度，減少空調(diào)冷風(fēng)傳送過(guò)程中的阻力。所以，線纜采用頂部走線的方式也具有一定的節(jié)能作用。

注意封閉機(jī)架內(nèi)、機(jī)架間減，機(jī)架底部的空隙。如采用氣流管理?yè)醢?，線纜出入口使用墊圈密封等措施，費(fèi)用很少，卻能有效減少冷通道和熱通道交流。

3.3 供電和 UPS 系統(tǒng)節(jié)能

精確規(guī)劃計(jì)算供電功率，改造機(jī)房供電電源。交流電轉(zhuǎn)化為直流電的效率一般為60%～65%，以外的能耗大多直接變成熱量散出[3]。相對(duì)而言，直流供電在供電可靠性、電磁兼容性、能效比等方面有一定的優(yōu)勢(shì)，可以考慮逐步采用設(shè)備直流供電的方式。

減小 UPS 體積，保持 UPS 較高的負(fù)載率。一般情況下 UPS 的效率和負(fù)載功率是成正比的，采用模塊化 UPS，可以按照負(fù)載的增加而增加，從而保持了 UPS 的高負(fù)載率，達(dá)到節(jié)能目的。

采用無(wú)變壓器的 UPS 設(shè)備。傳統(tǒng) UPS 的整機(jī)效率只有75%～85%，但采用無(wú)變壓器的機(jī)型，效率可提升至90% 以上。

3.4 采用高效節(jié)能型服務(wù)器設(shè)備

作為服務(wù)器的核心，CPU 芯片的能耗所占比例是最高的。在滿足計(jì)算能力要求的前提下，選擇可以動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié) CPU 運(yùn)算頻率、具備電源管理功能、優(yōu)化了結(jié)構(gòu)和風(fēng)扇設(shè)計(jì)的節(jié)能型服務(wù)器硬件。

考慮引進(jìn)刀片式架構(gòu)，同樣的處理能力，刀片式服務(wù)器更能有效利用機(jī)架空間，具有更低的耗電量和散熱量，可實(shí)現(xiàn)20%～44% 的能源節(jié)省。

3.5 通過(guò)整合服務(wù)器和存儲(chǔ)系統(tǒng)節(jié)能

一方面提高單位空間的計(jì)算能力，另一方面要整合計(jì)算節(jié)點(diǎn)，做到一機(jī)多用，充分利用空閑的計(jì)算資源，從而節(jié)省計(jì)算節(jié)點(diǎn)的數(shù)量；對(duì)于存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)而言，就要從根本上減少存儲(chǔ)空間的需求。只有減少存儲(chǔ)空間的需求，才能減少存儲(chǔ)設(shè)備的數(shù)量，從而達(dá)到節(jié)能、少占用空間的目的。基于同樣的原因，在減少交換機(jī)和 KVM 的數(shù)量方面也需要仔細(xì)衡量。經(jīng)過(guò)整合，不僅提高了設(shè)備利用率，而且對(duì)場(chǎng)地、電力、制冷的要求也隨之下降。

服務(wù)器、存儲(chǔ)器、網(wǎng)絡(luò)等基礎(chǔ)設(shè)施資源可以通過(guò)虛擬化技術(shù)進(jìn)行整合，形成共享基礎(chǔ)設(shè)施的資源池，然后，共享資源池中的資源可按照每一應(yīng)用系統(tǒng)的需求被初始化分配與快速部署。隨后，在應(yīng)用系統(tǒng)運(yùn)行中，通過(guò)自動(dòng)化資源管理工具，按照服務(wù)等級(jí)協(xié)議，對(duì)共享基礎(chǔ)設(shè)施資源實(shí)施再分配，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)資源按需供應(yīng)。服務(wù)器整合后，在性能相同的前提下，其平均利用率可以提高至80%～90%[3]。在考慮存儲(chǔ)系統(tǒng)整合時(shí)采用數(shù)據(jù)分層、重復(fù)數(shù)據(jù)刪除和壓縮存儲(chǔ)技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)一數(shù)多用，提高空間高利用率。同時(shí)充分利用磁盤(pán)存儲(chǔ)，減少磁帶的使用。

3.6 采用動(dòng)態(tài)智能的基礎(chǔ)架構(gòu)管理系統(tǒng)

利用傳感器等設(shè)備，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與計(jì)量設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，通過(guò)基礎(chǔ)架構(gòu)管理系統(tǒng)對(duì)收集和匯總的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，根據(jù)負(fù)載和能耗情況，及時(shí)調(diào)整、控制設(shè)備運(yùn)行，持續(xù)改進(jìn)和優(yōu)化數(shù)據(jù)中心運(yùn)行效率[3]。

通過(guò)服務(wù)器能源管理系統(tǒng)，檢測(cè)能源需求，限制用電量，讓服務(wù)器處于節(jié)電模式下。針對(duì)高負(fù)荷機(jī)柜采用動(dòng)態(tài)智能散熱方案，動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)機(jī)柜內(nèi)部的溫度和濕度，通過(guò)調(diào)節(jié)空調(diào)設(shè)備制冷，根據(jù)散熱需求，動(dòng)態(tài)提供冷卻氣流。對(duì)任務(wù)進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)的調(diào)度，將部分低優(yōu)先級(jí)任務(wù)推遲到非高峰能源使用的時(shí)間。

此外，對(duì)于數(shù)據(jù)中心內(nèi)各類設(shè)備的管理，盡可能采用遠(yuǎn)程管理的方式，減少人員進(jìn)入數(shù)據(jù)中心的頻率，一方面可以降低數(shù)據(jù)中心環(huán)境和設(shè)備對(duì)人員健康的負(fù)面影響，同時(shí)減少對(duì)數(shù)據(jù)中心溫濕度平衡狀態(tài)的破壞，從而達(dá)到節(jié)省能耗的目的。

4 結(jié)語(yǔ)

數(shù)據(jù)中心各種設(shè)備運(yùn)行和基礎(chǔ)設(shè)施緊密關(guān)聯(lián)，低碳能效型數(shù)據(jù)中心的建設(shè)涉及到信息和其它技術(shù)的結(jié)合，需要從整體進(jìn)行節(jié)能規(guī)劃，在每個(gè)設(shè)備和環(huán)節(jié)上一點(diǎn)一滴積累；需要采用創(chuàng)新的方式改造數(shù)據(jù)中心的基礎(chǔ)設(shè)施，從靜態(tài)、孤立和集中的架構(gòu)過(guò)渡到動(dòng)態(tài)、靈活和模塊化的架構(gòu)。通過(guò)各種努力，力爭(zhēng)做到減少浪費(fèi)，物盡其用，使數(shù)據(jù)中心從成本中心轉(zhuǎn)化為服務(wù)、效益中心。

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