全太陽能數(shù)據(jù)中心整體技術(shù)方案與實(shí)踐

伍康文，柴 華

（汕尾芯靈電子科技有限公司，廣東 汕尾 516473）

數(shù)據(jù)中心集中安裝了十萬臺(tái)的服務(wù)器，24小時(shí)不間斷地運(yùn)行，其能耗問題越來越突出，用電量占據(jù)了數(shù)據(jù)中心經(jīng)營(yíng)成本的50%以上，數(shù)據(jù)中心行業(yè)成為了高能耗單位。尤其是近年來“云計(jì)算”概念興起，催生各地都在建設(shè)大型的云計(jì)算數(shù)據(jù)中心（IDC），而隨著數(shù)據(jù)中心規(guī)模的擴(kuò)大，能源消耗問題更加突出，巨大的用電量成為數(shù)據(jù)中心進(jìn)一步發(fā)展的最大難題[1]。

數(shù)據(jù)中心的總耗電包括以下幾部分：IT設(shè)備耗電、空調(diào)耗電以及其他設(shè)備的電能損耗。而機(jī)房中的IT設(shè)備和降溫空調(diào)用電占數(shù)據(jù)中心耗電總量的大部分（75%以上），其中IT設(shè)備的耗電量又主要集中在服務(wù)器機(jī)群中[2]，如圖 1所示。

圖1 數(shù)據(jù)中心的能耗分布圖

針對(duì)數(shù)據(jù)中心的能耗評(píng)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，由工業(yè)和信息化部、國(guó)家發(fā)改委指導(dǎo)，云計(jì)算發(fā)展與政策論壇編制，在2012年4月份發(fā)布了 《數(shù)據(jù)中心能效測(cè)評(píng)指南》。其中指出了4個(gè)數(shù)據(jù)中心能效關(guān)鍵指標(biāo)，分別為：電能利用效率 （PUE）、 局部 PUE （pPUE）、 制冷/供電負(fù)載系數(shù)（CLF/PLF）和可再生能源（RER）利用率等[3]，以此來規(guī)范綠色數(shù)據(jù)中心的建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)。

1 整體技術(shù)方案

目前在建設(shè)數(shù)據(jù)中心時(shí)，為了減少降溫空調(diào)的用電量，從而降低PUE值，國(guó)內(nèi)業(yè)界提出了很多解決方案，并嘗試過諸如空調(diào)下送風(fēng)降溫?cái)?shù)據(jù)中心方案、集裝箱密封降溫的高密度數(shù)據(jù)中心解決方案等。業(yè)界甚至提議，利用南極和北極的天然冰山的優(yōu)勢(shì)，將數(shù)據(jù)中心建在南極和北極上，從而實(shí)現(xiàn)無電降溫用電。最近又出現(xiàn)了“高溫機(jī)房”的概念，即不給機(jī)房降溫，以使空調(diào)用電降至為零。

在研究數(shù)據(jù)中心能耗時(shí)不難發(fā)現(xiàn)，需要空調(diào)降溫的原因歸根結(jié)底是服務(wù)器耗電量大，耗電最終轉(zhuǎn)化為熱量。因此在建設(shè)數(shù)據(jù)中心時(shí)，只是單純地想方設(shè)法提高空調(diào)降溫效率，而不把重點(diǎn)放在如何降低服務(wù)器能耗的核心問題上來，始終是治標(biāo)不治本。PUE值也只是反映IT設(shè)備用電量的比值，并沒有指出直接降低IT設(shè)備用電量本身。而降低服務(wù)器機(jī)群的用電量，才是降低降溫用電量、降低機(jī)房總體用電量的根本之策。

因此，本文在綜合研究了數(shù)據(jù)中心耗電的核心問題的基礎(chǔ)上，提出了全太陽能數(shù)據(jù)中心整體技術(shù)方案：（1）針對(duì)數(shù)據(jù)中心耗電的根源（服務(wù)器耗電），制定根治數(shù)據(jù)中心能耗的技術(shù)路線，從減少服務(wù)器耗電著手，進(jìn)而減少服務(wù)器電能轉(zhuǎn)化成熱能的數(shù)量，從而使得空調(diào)降溫用電同比減少，最終從根本上解決數(shù)據(jù)中心的耗電問題；（2）在此基礎(chǔ)上，有效地采用清潔、可再生能源——太陽能，使傳統(tǒng)能源的消耗降至最低水平，成為后備電源，而太陽能成為數(shù)據(jù)中心的主供電源；（3）由于太陽能光伏發(fā)電是直流電，因此，高壓直流配電系統(tǒng)是適應(yīng)太陽能主供電而設(shè)計(jì)的配電系統(tǒng)；（4）為保證蓄能和不間斷供電，本文還采用了分布式、內(nèi)嵌式UPS電源技術(shù)，把小型嵌入到服務(wù)器的電源模塊，設(shè)計(jì)出適應(yīng)交流和直流同時(shí)使用的電源模塊（即異種電源雙回路不間斷服務(wù)器專用電源模塊）?？傊@四大專項(xiàng)技術(shù)緊密接合，創(chuàng)新組合，是建設(shè)全太陽能數(shù)據(jù)中心的核心技術(shù)。

2 四大專項(xiàng)技術(shù)介紹

2.1 微服務(wù)器集群

服務(wù)器主板的功耗主要集中在CPU芯片上，因此要有效地解決數(shù)據(jù)中心的能耗問題，就必須設(shè)計(jì)出更低功耗的CPU芯片。參考文獻(xiàn)[4]中指出：“芯片級(jí)每降低1 W的功耗，由此而帶來的電源轉(zhuǎn)換、配電系統(tǒng)、UPS、制冷系統(tǒng)和變壓器等一系列設(shè)備的功耗降低，將會(huì)達(dá)到2.68～2.84 W”。這些都表明了，從芯片級(jí)入手，研究超低功耗的CPU，才是實(shí)現(xiàn)綠色節(jié)能的首要措施。

CPU芯片是數(shù)據(jù)中心計(jì)算能力的動(dòng)力來源，當(dāng)前有兩種提高CPU計(jì)算能力的方法：其一是提高CPU主頻；其二是增加CPU（核）的數(shù)量。根據(jù)研究顯示，如果采用第一種方法來解決計(jì)算能力，其功耗將以指數(shù)（主頻的三次方）迅速增加。而第二種方法的基本原理是為服務(wù)器安裝更多的CPU或者增加單個(gè)CPU的內(nèi)核，以提高服務(wù)器的計(jì)算能力。這條路線在提高處理能力的同時(shí)，功耗僅僅是同比線性增加。

因此，本文采用嵌入式SoC作主芯片，配合最少的外圍芯片，僅由Flash作ROM內(nèi)存，構(gòu)成一個(gè)超低功耗的計(jì)算節(jié)點(diǎn)（也稱“云計(jì)算節(jié)點(diǎn)”），多個(gè)計(jì)算節(jié)點(diǎn)構(gòu)成一臺(tái)“微服務(wù)器”，微服務(wù)器集群式應(yīng)用，構(gòu)成數(shù)據(jù)中心最基礎(chǔ)的硬件平臺(tái)。由于微服務(wù)器的超低功耗特性，最終實(shí)現(xiàn)了在提高計(jì)算能力的同時(shí)，又不會(huì)大幅度地增加功耗。采用本文方法，可以像“高溫機(jī)房”那樣，免去強(qiáng)制降溫用電，數(shù)據(jù)中心的用電量可減少到原來的25%。

2.2 太陽能光伏發(fā)電作為主電源

太陽能光伏發(fā)電是目前最佳的清潔能源選擇。但對(duì)于太陽能光伏發(fā)電本身而言，存在兩個(gè)難點(diǎn)問題：一是單位發(fā)電場(chǎng)所發(fā)出的電量不高；二是發(fā)電時(shí)間不均勻。而且不論并網(wǎng)輸送，還是離網(wǎng)應(yīng)用，都需要增加太陽能光伏蓄能設(shè)備，大大提高了發(fā)電成本。

但由于本方案采用超低功耗的微服務(wù)器作為數(shù)據(jù)中心的服務(wù)器設(shè)備，因此，完全可以使用太陽能作為數(shù)據(jù)中心的主供電源，交流電僅是在陽光照射的有效時(shí)間低于設(shè)計(jì)值時(shí)，作為補(bǔ)充性輔助電源使用。而且可充分利用機(jī)房樓頂、鄰近空地，就地取材，因地制宜，無需太大空余場(chǎng)地，取得經(jīng)濟(jì)和工程上的可行性。同時(shí)，數(shù)據(jù)中心的UPS設(shè)備可充當(dāng)太陽能發(fā)電的蓄能設(shè)施，減少了設(shè)備投入。而且太陽能光伏發(fā)電所產(chǎn)生的是直流電，這樣在給蓄電池充電時(shí)不需要進(jìn)行整流，減少了部分整流設(shè)備的損耗，提高了電能的利用率。

2.3 創(chuàng)新高壓直流供配電技術(shù)

由于太陽能作為主供電源，因此數(shù)據(jù)中心供配電系統(tǒng)采用創(chuàng)新性的高壓直流供配電。這種創(chuàng)新性貫穿在整個(gè)供配電系統(tǒng)中，從DC 240 V的太陽能光伏發(fā)電到DC 240 V的蓄電池儲(chǔ)能，再到DC 240 V的服務(wù)器電源輸入，最后到服務(wù)器主板的低壓直流，整個(gè)供電、配電、變換過程都是直流電，僅一次DC-DC變換，把供配電損耗控制在8%以下，大大提高了能源的利用率。DC 240 V高壓直流標(biāo)準(zhǔn)可以兼容目前大部分常規(guī)服務(wù)器和數(shù)據(jù)交換機(jī)的電源接口。

2.4 UPS嵌入式電源模塊

本文采用UPS嵌入式電源模塊，并對(duì)其進(jìn)行了特殊設(shè)計(jì)：

（1）異種電源雙回路輸入。一路來自太陽能高壓直流（DC 240 V），一路來自市電高壓交流（AC 220 V）。

（2）小型分布式的UPS。電源模塊嵌入鎳氫電池或鋰電池，既可以實(shí)現(xiàn)異種電源雙回路的在線切換，又可以充分使用太陽能。

本方案由于每臺(tái)微服務(wù)器自帶了小型UPS，數(shù)據(jù)中心集中配備的UPS模組可以使用數(shù)量較少的蓄電池，減少了一次性的投資；同時(shí)還采取提高數(shù)據(jù)中心的可管理性、穩(wěn)定性與系統(tǒng)規(guī)模及結(jié)構(gòu)等變化時(shí)的高度適應(yīng)性。

3 全太陽能數(shù)據(jù)中心實(shí)踐

采用這4項(xiàng)技術(shù)進(jìn)行創(chuàng)新性組合，與中國(guó)聯(lián)通公司合作，建立了中國(guó)第一個(gè)以太陽能為主供電源、微服務(wù)器集群架構(gòu)、全高壓直流配電、異種電源雙回路不間斷服務(wù)器專用電源模塊為整體解決方案的全太陽能數(shù)據(jù)中心，其節(jié)能效果和采用綠色能源比例等指標(biāo)達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平。全太陽能數(shù)據(jù)中心的整體框架如圖2所示。

圖2 全太陽能數(shù)據(jù)中心整體框架圖

本文對(duì)整個(gè)數(shù)據(jù)中心的設(shè)計(jì)規(guī)模和經(jīng)營(yíng)情況進(jìn)行了規(guī)劃與統(tǒng)計(jì)，主要體現(xiàn)在太陽能發(fā)電面積與發(fā)電量、微服務(wù)器數(shù)量、微計(jì)算節(jié)點(diǎn)數(shù)量以及機(jī)房建設(shè)面積幾個(gè)方面，具體數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 全太陽能數(shù)據(jù)中心建設(shè)數(shù)據(jù)

在應(yīng)用方面，則采用混合MIPS和X86兩種不同的云計(jì)算節(jié)點(diǎn)進(jìn)行應(yīng)用。而出租經(jīng)營(yíng)方面，則有兩種方式，可以包年出租微服務(wù)器，也可以對(duì)資源進(jìn)行計(jì)時(shí)出租。

經(jīng)過長(zhǎng)期的實(shí)際運(yùn)行與測(cè)試，對(duì)全太陽能數(shù)據(jù)中心與同等規(guī)模的普通數(shù)據(jù)中心的電能消耗情況進(jìn)行了對(duì)比，其結(jié)果如表2所示。

表2 全太陽能數(shù)據(jù)中心節(jié)能對(duì)比表

社會(huì)效益方面，全太陽能數(shù)據(jù)中心在大幅降低耗電量的同時(shí)，進(jìn)而采用清潔的太陽能，大大減少了傳統(tǒng)電能的使用，約節(jié)省3億度傳統(tǒng)電能，節(jié)能減排效果顯著，經(jīng)計(jì)算，相當(dāng)于節(jié)約燃煤100萬噸/年（按照 1噸煤可以發(fā)電3 000度）、減少的碳排放為245萬噸/年（一噸標(biāo)準(zhǔn)煤會(huì)帶來2.456 7噸的二氧化碳排放量），這相當(dāng)于6 700公頃森林一年所吸收的二氧化碳。

在實(shí)際運(yùn)行的過程，由中國(guó)聯(lián)通數(shù)據(jù)中心提供的數(shù)據(jù)，本文對(duì)常規(guī)服務(wù)器機(jī)柜出租情況進(jìn)行了詳細(xì)的分析。分析情況如下：按照聯(lián)通公司提供原來服務(wù)器機(jī)群條件的經(jīng)營(yíng)數(shù)據(jù)，代入新的微服務(wù)器集群參數(shù)后計(jì)算得到的經(jīng)營(yíng)效果數(shù)據(jù)如表3所示。由表可知，使用微服集群經(jīng)營(yíng)的全太陽能數(shù)據(jù)中心在租金等相同的情況下，數(shù)據(jù)中心的利潤(rùn)提高了的近4倍。

表3 微服集群經(jīng)營(yíng)數(shù)據(jù)對(duì)比表

對(duì)于本文的全太陽能數(shù)據(jù)中心技術(shù)方案，將持續(xù)進(jìn)行優(yōu)化。例如，對(duì)云計(jì)算節(jié)點(diǎn)的主芯片SoC，將進(jìn)行多核化改造，尋找最優(yōu)的性能和功耗匹配點(diǎn)；對(duì)于機(jī)房中的照明、空調(diào)等用電設(shè)備，也會(huì)進(jìn)行直流化改造，對(duì)全太陽能數(shù)據(jù)中心的電子、電器設(shè)備將全部直流化。

根據(jù)統(tǒng)計(jì)表明，全國(guó)數(shù)據(jù)中心在2011年的總耗電量達(dá)700億千瓦時(shí)，占到全社會(huì)用電量的1.5%[4]。采用4項(xiàng)技術(shù)的全太陽能數(shù)據(jù)中心一次性建設(shè)投資降低了40%，運(yùn)行期間節(jié)電超過50%，且用電中交流電所占比例在20%以下。如果全國(guó)40萬個(gè)高能耗的數(shù)據(jù)中心，采用此技術(shù)改造成全太陽能驅(qū)動(dòng)的數(shù)據(jù)中心，可直接拉動(dòng)中國(guó)太陽能光伏產(chǎn)業(yè)的國(guó)內(nèi)需求，創(chuàng)新性地解決數(shù)據(jù)中心高能耗的瓶頸問題。

全太陽能數(shù)據(jù)中心可以認(rèn)為是一個(gè)示范性行業(yè)，為未來各行業(yè)、辦公和家居，進(jìn)行全太陽能化、直流化改革先行先試，由此而引發(fā)的新產(chǎn)業(yè)革命，對(duì)帶動(dòng)世界經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)、更新技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)將產(chǎn)生不言而喻的巨大影響。

[1]鐘景華.新一代綠色數(shù)據(jù)中心的規(guī)劃與設(shè)計(jì)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2010：13-14，45-47.

[2]彭大銘.IDC直流供電討論 [J].通信與信息技術(shù)，2008，171（1）：79-81.

[3]畢慧，李建強(qiáng)，白堃.如何構(gòu)建現(xiàn)代化的綠色數(shù)據(jù)中心[N].計(jì)算機(jī)世界，2010-11-15（27）.

[4]云計(jì)算發(fā)展與政策論壇.數(shù)據(jù)中心能效測(cè)評(píng)指南[C].2012.