數(shù)據(jù)中心PUE解析

尹曉竹

摘要 本文介紹了數(shù)據(jù)中心和PUE的基本概念，并對PUE數(shù)值及相關(guān)因素進行了分析和解讀。PUE可作為節(jié)能技術(shù)衡量工具，是一個逐步調(diào)整的過程。所有降低PUE的措施，其代價必將在項目全成本中得以體現(xiàn)。正確理解PUE的涵義，選擇節(jié)能高效與成本合理的平衡點，是數(shù)據(jù)中心建設(shè)者應(yīng)考慮的問題。

關(guān)鍵詞數(shù)據(jù)中心PUE

中圖分類號：C37 文獻標識碼： A

1PUE簡介

數(shù)據(jù)中心

數(shù)據(jù)中心是實現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的集中處理、存儲、傳輸、交換、管理等業(yè)務(wù)的服務(wù)平臺。從物理層次看，數(shù)據(jù)中心主要由IT設(shè)備、配電系統(tǒng)和空調(diào)系統(tǒng)3部分構(gòu)成。IT設(shè)備是實現(xiàn)數(shù)據(jù)中心功能的核心部分，配電和空調(diào)系統(tǒng)則用以保障IT設(shè)備系統(tǒng)的正常運行。其中，配電系統(tǒng)用于直流、交流轉(zhuǎn)換，并確保為IT設(shè)備提供可靠、高質(zhì)量的電源；空調(diào)系統(tǒng)保障IT設(shè)備在正常的溫度和濕度下工作。

綠色數(shù)據(jù)中心是在傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心架構(gòu)基礎(chǔ)上，通過先進的技術(shù)和方案以達到最高能效以及最低的環(huán)境影響。若要達到綠色數(shù)據(jù)中心的標準，除了要應(yīng)用高效節(jié)能的IT設(shè)備外，通過一系列節(jié)能措施降低空調(diào)系統(tǒng)和配電系統(tǒng)的能耗也極為關(guān)鍵。業(yè)內(nèi)常用PUE（Power Usage Effectiveness）作為數(shù)據(jù)中心的能效指標來評價數(shù)據(jù)中心是否高效。

PUE定義

PUE:能量使用效率Power Usage Effectiveness

PUE

IT設(shè)備能耗包括所有相關(guān)的IT設(shè)備的負荷，如計算設(shè)備、存儲設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，也包括輔助設(shè)備如KVM轉(zhuǎn)換器、監(jiān)視器和工作站等。 全部設(shè)備能耗包括以下所有支持IT設(shè)備運行的設(shè)備能耗：

(1)供配電、照明設(shè)備，如發(fā)電機、變壓器、開關(guān)柜、配電箱、列頭柜、UPS、電池、燈具等。 (2)空調(diào)設(shè)備，如冷水機組、機房精密空調(diào)、直接蒸發(fā)制冷設(shè)備、新風(fēng)空調(diào)設(shè)備、水泵和冷卻塔等。 (3)計算設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、存儲設(shè)備。 PUE的數(shù)值越小，說明機房的節(jié)能效果越好。目前國內(nèi)外已建成的機房的PUE數(shù)值大致在1.4～2.2之間。對于IT企業(yè)來講，只有建設(shè)低能耗的機房，才能更好地滿足不斷增長的計算、傳輸和存儲的需求，才能降低能耗成本，減少整個企業(yè)的建設(shè)成本和運行成本，使企業(yè)保持競爭力，以迎接更多的商業(yè)需求和挑戰(zhàn)。

PUE因素組成

其中：CLF —制冷能效因子Cooling Load Factor

代表單位功率IT負載上消耗的制冷用電量

PLF —電力能效因子Power Load Factor

代表單位功率IT負載上供電系統(tǒng)的損耗

PUE是一個趨向于1的值，越接近1，說明數(shù)據(jù)中心全部電量基本全部供應(yīng)給IT設(shè)備，此數(shù)據(jù)中心電能利用率最高。

PUE影響因素分析圖如下：（見WORD附件圖）

2、PUE的確定方法

方法一：已知數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施耗電量（包含空調(diào)、電源損耗、機房照明等用電），IT設(shè)備耗電量，可利用公式，計算出PUE值。

方法二：設(shè)定目標PUE值，可計算出IT設(shè)備與基礎(chǔ)設(shè)施耗電量所占比例關(guān)系，根據(jù)確定的IT設(shè)備耗電量，可確定空調(diào)耗電量、電源損耗量、其他用電量。從而采取各種措施向目標值靠近。

如：設(shè)定目標PUE=1.5，含義為，每輸入1.5KW的總電量，可支持1KW 的IT設(shè)備。用于每1KW IT設(shè)備所消耗的空調(diào)、電力損耗、建筑照明等基礎(chǔ)設(shè)施電量為0.5KW。

使用此PUE確定方法需要注意：PUE值越小，代表IT設(shè)備能耗占比越大，當(dāng)PUE=1是，代表數(shù)據(jù)中心耗電全部為IT設(shè)備耗電，而不消耗其他電能。

3、PUE數(shù)值分析

3.1 PUE與IT設(shè)備能耗占比的關(guān)系

如上圖所示：

每一個PUE值都對應(yīng)一個IT與基礎(chǔ)設(shè)施耗電量比例關(guān)系，IT設(shè)備占比越大，PUE值越低

要降低PUE，增加IT設(shè)備耗電占比，降低基礎(chǔ)設(shè)施耗電占比，將盡量多的電量用于IT設(shè)備，減少空調(diào)、電源、建筑照明等能耗。

極限值是全部的電量用于IT設(shè)備，特殊設(shè)計，通常條件下無法達到。

3.2 PUE不同數(shù)值能耗分布示意及分析

（1）專業(yè)機構(gòu)所列數(shù)據(jù)中心能耗比例（資料來源：EYP Missions Critical Facilities Inc.）

根據(jù)比例關(guān)系推導(dǎo)出PUE=1.8/1.5/1.25幾個典型PUE能耗比例分配如下：

PUE=1.8為綠色數(shù)據(jù)中心的最低標準

PUE=1.5為我們希望達到的綠色數(shù)據(jù)中心PUE值

分析：電力損失至少也要7%，空調(diào)制冷+通風(fēng)耗電合計25%，必須采用冬季自然冷卻方式減少制冷耗電時間。

PUE≤1.4

大型數(shù)據(jù)中心整體采用常規(guī)方法已經(jīng)很難達到，以PUE=1.4為例

分析：此種按比例分配已經(jīng)顯得不合理，電力損失6%，難以達到?？照{(diào)系統(tǒng)21%，必須綜合考慮自然冷卻利用方式，包括水側(cè)自然冷卻、風(fēng)側(cè)自然冷卻、末端靠近負荷側(cè)等，并且增加自然冷卻使用時間。

PUE=1.25

大型數(shù)據(jù)中心整體采用常規(guī)方法做不到，以PUE=1.25為例

分析：達到此比例分配，可采用行間制冷或背板冷門，空調(diào)通風(fēng)加濕減至最低，空調(diào)制冷占15%，采用自然冷卻減少制冷耗電時間。自然冷卻方式需要考慮更為極端。

4、PUE與其他因素關(guān)系

4.1PUE與IT能效

大型數(shù)據(jù)中心總耗電量大，評價數(shù)據(jù)中心節(jié)能的關(guān)鍵指標應(yīng)該首先是IT設(shè)備的能效，其次是PUE值。我們建設(shè)數(shù)據(jù)中心，希望的是高產(chǎn)出低成本，每KW IT設(shè)備，處理能力越高越好，總耗電量越少越好。因此，評價數(shù)據(jù)中心能效應(yīng)該包含兩個指標：

IT能效PPW=最大運算能力/計算主機運行功耗：

SCCE=最大運算能力*實際運行CPU占用率/超算中心系統(tǒng)運行功耗：

數(shù)據(jù)的傳輸流量(吞吐量)級： 兆(106)字節(jié)/秒/Watt

圖示：兩指標體現(xiàn)了不同數(shù)據(jù)中心能效

分析

Ⅰ象限，IT設(shè)備能效高，PUE高，可通過節(jié)能改造降低PUE值

Ⅱ象限，IT設(shè)備能效低，PUE高，產(chǎn)出低，能耗高，不好

Ⅲ象限，IT設(shè)備能效低，PUE低，因為產(chǎn)出低，雖然能耗低，但也不好

Ⅳ象限，IT設(shè)備能效高，PUE低，是理想的綠色數(shù)據(jù)中心。我們的目標！

結(jié)論

不能單純追求PUE值低,IT的高能效應(yīng)該是考慮的首要因素，數(shù)據(jù)中心核心是IT,IT處理能力代表數(shù)據(jù)中心水平，基礎(chǔ)設(shè)施均為IT服務(wù)的，因此IT能效低的數(shù)據(jù)中心不是好的數(shù)據(jù)中心。我們建設(shè)的數(shù)據(jù)中心應(yīng)是IT能效高，PUE值低的數(shù)據(jù)中心。

4.2 PUE與總能耗/IT能耗/IT負載率

大型數(shù)據(jù)中心基地通常具有規(guī)模大，面積大，總耗電量大，IT設(shè)備耗電量大的特點。

(1)圖示

(2)分析:

Ⅰ象限，總能耗高，IT設(shè)備能耗高，滿負載，PUE高?？赏ㄟ^節(jié)能改造降低基礎(chǔ)設(shè)施耗電，降低基礎(chǔ)設(shè)施耗電占比，降低PUE值

Ⅱ象限，總能耗低，IT設(shè)備能耗低，部分負載，PUE高。在建設(shè)初期，可能出現(xiàn)這種情況，負荷率低，但基礎(chǔ)設(shè)施按全部IT設(shè)備設(shè)計及運轉(zhuǎn)，使得基礎(chǔ)設(shè)施耗電占比大，PUE值高。需要通過模塊化建設(shè)思路，提高IT負載率、提高基礎(chǔ)設(shè)施利用率、降低PUE值。隨負載提高，模塊化靈活擴容。

Ⅲ象限，總能耗低，IT設(shè)備能耗低，部分負載，PUE低。在建設(shè)初期，可能出現(xiàn)這種情況，負荷率低，基礎(chǔ)設(shè)施耗電也低，采用了模塊化概念，PUE值低，用能比例相對理想。隨負載率增加，進行模塊化擴容，保證PUE相對低值。分期建設(shè)，在IT設(shè)備未滿情況下，采用模塊化設(shè)計理念，在發(fā)展過程中，是理想的綠色數(shù)據(jù)中心。

Ⅳ象限，終期目標：總能耗高，IT設(shè)備能耗高，滿負載，PUE低。在IT全部滿載情況下，是理想的綠色數(shù)據(jù)中心。

(3)結(jié)論:

大型數(shù)據(jù)中心基地，通常是規(guī)模大，面積大，一定是高運營能力，IT耗電量大，總耗電量大。

在滿載的情況下，可以采取節(jié)能措施，降低基礎(chǔ)設(shè)施耗電占比，從而降低PUE值。

但建設(shè)初期，可能會出現(xiàn)部分負載情況，如果按全部基礎(chǔ)設(shè)施到位，全部開啟，勢必PUE值高，達不到節(jié)能目的。因此在部分負荷時，要引入“模塊化”建設(shè)概念，使得IT設(shè)備與基礎(chǔ)設(shè)施耗電同比增長，PUE值不變甚至降低。保證單位模組內(nèi)，IT負載率高，PUE值低。

“模塊化數(shù)據(jù)中心”建設(shè)理念，基礎(chǔ)設(shè)施隨IT設(shè)備規(guī)模模塊化，能保證單位模塊內(nèi),IT負載率高，PUE值低；隨需求增長，靈活部署，迅速擴容，基礎(chǔ)設(shè)施與IT設(shè)備同比例增長，PUE值保持低位。

4.3 PUE 與功率密度

數(shù)據(jù)中心發(fā)展趨勢之一，是功率密度越來越大，每機柜IT設(shè)備耗電量越來越大，局部散熱越來越大，需要特殊的制冷方式進行冷卻。隨之帶來成本會成級數(shù)增加，包括建設(shè)成本與土地成本。

（1）圖示

（2）分析：

1）在實現(xiàn)IDC同樣處理能力要求下

Ⅰ象限，如果面積成本高，適當(dāng)開發(fā)高密機架，達到高運算能力。適當(dāng)?shù)臋C柜成本投入，用機柜換面積。一般一線城市IDC策略。

Ⅱ象限，如果面積成本高，需要向高密度發(fā)展。

Ⅲ象限，如基地面積足夠，面積成本低，沒必要在高密度上投入大量成本。用面積換機柜，大面積滿足運算能力。可以依比例設(shè)置高密機架，作為實驗或者滿足高端客戶特殊需求。比如內(nèi)蒙基地可以采用此策略。

Ⅳ象限，如果面積便宜，面積成本低，全部設(shè)置高密機架，機柜投入成本高，而且總電量需求大，如果外電條件有限，即使使用高密機架，電量配置不足時，面積空置，也是一種浪費。

2）結(jié)論

功率密度足夠小，每機柜功率小，或者面積足夠大，均靠自然冷卻降溫，不開啟空調(diào)設(shè)備，全部電力輸入，減去損耗，全部用于IT設(shè)備，PUE值接近1。功率密度大，每機柜功率大，面積很小，小到只有一個機柜大。采用機柜制冷方式，減少了空調(diào)通風(fēng)耗電，PUE也可以比較低。

我們要做的，應(yīng)該是合理的功率密度，合理的面積，控制PUE值。降低PUE值，付出的成本，應(yīng)靠提高生產(chǎn)能力來平衡，換句話說，IDC高產(chǎn)，降低PUE是值得的。

5、PUE與成本關(guān)系

綠色數(shù)據(jù)中心的建設(shè)，為能源節(jié)約和利用做出貢獻，但同時也需要建設(shè)方付出高昂成本。PUE數(shù)值代表了數(shù)據(jù)中心的工作效率，它絕不僅僅只是一個數(shù)值。它測量數(shù)據(jù)中心如何有效的使用輸入電源，將電力消耗轉(zhuǎn)化為實際生產(chǎn)力。我們建設(shè)的數(shù)據(jù)中心應(yīng)是電能利用率高的數(shù)據(jù)中心。降低PUE值，付出的成本，應(yīng)靠提高生產(chǎn)能力來平衡，換句話說，IDC高產(chǎn)，降低PUE是值得的。

采用節(jié)能措施投入的成本巨大，很少有企業(yè)能夠擁有無限的投資資金。企業(yè)必須認真考慮，將每一分錢都要用在刀刃上。在考慮數(shù)據(jù)中心投資建設(shè)和運營過程中，能源利用效率的變化必須設(shè)定一個基準。在此基準之上，降低PUE，即降低運行成本，計算其需要付出的初投資。當(dāng)IT設(shè)備功率一定時，降低PUE所采用的措施成本是可以計算的，其投資回收期也是可以預(yù)估的。

例如：一個IT耗電為20MW的數(shù)據(jù)中心，應(yīng)首先確定一個PUE為1.8的建設(shè)模型，其基礎(chǔ)設(shè)施配置、規(guī)模，對應(yīng)投資做為基準。當(dāng)PUE從1.8降低到1.5，PUE降低0.3，數(shù)據(jù)中心將可節(jié)省6MW電量，以電費為0.7元/kwh計算，將可節(jié)省年運行費用為4200萬元。如果預(yù)訂投資回收期2年為目標，那么所有采用的節(jié)能措施投資增加8400萬為可接受目標。在PUE為1.8的常規(guī)數(shù)據(jù)中心投資基礎(chǔ)上，可采用多種節(jié)能措施降低PUE，其初投資增長可接受范圍為8400萬元。如果希望PUE繼續(xù)降低，如果達到此運行PUE的節(jié)能措施，其建設(shè)成本在可接受范圍內(nèi)，則可以考慮。如果超出成本范圍，則需建設(shè)方謹慎決策。

6、結(jié)束語

近年來隨著IT技術(shù)的大發(fā)展，越來越多的數(shù)據(jù)中心在全國各地拔地而起，數(shù)據(jù)中心高度集成和高耗能的特點，促使節(jié)能分析和研究的深度和廣度逐步加強，越來越多的節(jié)能設(shè)計方案得到應(yīng)用的，越來越多的節(jié)能產(chǎn)品得到推廣。降低數(shù)據(jù)中心PUE值、實現(xiàn)數(shù)據(jù)中心的節(jié)能運行，具有重要的現(xiàn)實意義。但需要注意的是，在國內(nèi)大型數(shù)據(jù)中心PUE數(shù)值有其合理的范圍，尋求合理高效的數(shù)據(jù)中心應(yīng)該是廣大數(shù)據(jù)中心從業(yè)者的追求目標。