數(shù)據(jù)中心機房功率變化探討

周濤

【摘要】數(shù)據(jù)中心和網(wǎng)絡(luò)機房的功率總量隨負載的變化而瞬息萬變。這種變化的幅度已經(jīng)在增長，并且隨著電源管理技術(shù)在服務(wù)器和通信設(shè)備中的部署會繼續(xù)急劇增長。本文對動態(tài)功率的變化進行了分析，并提出了有針對性的解決思路。

【關(guān)鍵詞】數(shù)據(jù)中心；功率變化；負載

1.前言

數(shù)據(jù)中心和網(wǎng)絡(luò)機房消耗的總電源功率是已安裝的IT設(shè)備所消耗功率的總和。在以前，這類設(shè)備的功耗隨計算負載或工作模式的不同，只會發(fā)生極小的變化。為延長筆記本電腦的電池供電時間，需要對處理器的電源消耗進行管理。電源管理技術(shù)的應(yīng)用使筆記本電腦處理器在負載較小的情況下可節(jié)電高達 90%。隨著此項技術(shù)的逐漸成熟，人們已開始將其移植到服務(wù)器的設(shè)計中。其結(jié)果是當新開發(fā)的服務(wù)器的工作負載隨時間發(fā)生變化時，其功耗可能會隨之發(fā)生顯著變化。

當功率隨時間發(fā)生變化時，隨之而來的是數(shù)據(jù)中心和網(wǎng)絡(luò)機房設(shè)計和管理方面的各種新問題。在幾年以前，這種問題是可以忽略的。現(xiàn)在，問題已到達不容忽略的程度，并且問題的嚴重性還在不斷加劇。這種功耗波動會導致在數(shù)據(jù)中心和網(wǎng)絡(luò)機房環(huán)境中發(fā)生意外的不良后果，包括斷路器跳閘、過熱和冗余電源系統(tǒng)中的冗余功能喪失。這種情況給數(shù)據(jù)中心和網(wǎng)絡(luò)機房的設(shè)計和操作人員帶來了新的挑戰(zhàn)。

2.動態(tài)功率變化

在新的IT技術(shù)出現(xiàn)前，通常來說服務(wù)器所消耗的功率都接近于恒定。造成服務(wù)器功率變化的主要因素是磁盤驅(qū)動器的旋轉(zhuǎn)以及溫控風扇的速度變化。處理器和內(nèi)存子系統(tǒng)上的計算負載所導致的功率變化很小，在總功耗中可以忽略不計。

要大幅度降低功耗，需要BIOS、芯片組、處理器和操作系統(tǒng)之間協(xié)調(diào)配合。不同的供應(yīng)商和不同種類的處理器采用不同的方法來實現(xiàn)低功率狀態(tài)。但是，最常見的方法包括減少或停止時鐘和減少或停止對處理器、芯片組和內(nèi)存的各個部件供電。

最近，處理器供應(yīng)商開始引入可在CPU執(zhí)行任務(wù)時節(jié)省電力的方法。這些方法包括改變處理器的時鐘頻率和電壓大小，以便更好地匹配處理器在非空閑狀態(tài)下的工作負載。

需要注意的是，任何在一定條件下減小處理器功耗的方法，所減小的都是系統(tǒng)平均功耗。最大功耗不會改變，并且每一代新CPU都有功耗升高的趨勢。另外，當處理器功耗在服務(wù)器總功耗中所占比例較大時，由計算負載造成的服務(wù)器總功耗的變化也會相應(yīng)變大。因此，擁有多處理器的服務(wù)器和磁盤驅(qū)動器很少的服務(wù)器，其動態(tài)功率變化百分比最高。

3.動態(tài)功率變化帶來的問題

3.1 分支電路過載

在多數(shù)時間下，大部分服務(wù)器都在小計算負載下運行。對于具有電源管理功能的服務(wù)器而言，這意味著服務(wù)器將消耗少于潛在功耗的功率。但是，大多數(shù)數(shù)據(jù)中心和網(wǎng)絡(luò)機房的安裝或維護人員并沒有意識到其通常觀察到的服務(wù)器功耗可能遠小于高計算負載下的潛在功耗。這種情況可能會導致數(shù)據(jù)中心或網(wǎng)絡(luò)機房的操作人員或IT工作人員無意地將過多的服務(wù)器連接到分支電路中。

當分支電路中服務(wù)器的最大功耗總和超過分支電路的額定值時，就有可能發(fā)生過載。在這種情況下，這些服務(wù)器將會正常運行，直到條件發(fā)生變化，即足夠多的服務(wù)器同時在大負載下運行。導致此類過載的計算條件很少發(fā)生，因此系統(tǒng)可能會連續(xù)數(shù)周甚至數(shù)月無故障地正常運轉(zhuǎn)。

在由于上述情況而導致的過載條件發(fā)生期間，分支電路將在高于電路額定值的電流下工作。在數(shù)據(jù)中心或網(wǎng)絡(luò)機房環(huán)境中，此情況造成的最嚴重后果是分支電路斷路器可能跳閘并中斷對計算設(shè)備的供電。此外，由于這種供電中斷是發(fā)生在計算負載很高的時間段，因此計算設(shè)備有可能正在處理大量事務(wù)，這意味著故障很有可能發(fā)生在最不希望發(fā)生的時間點上。

3.2 過熱

在數(shù)據(jù)中心和網(wǎng)絡(luò)機房中，計算設(shè)備所消耗的所有電能都會變成熱量散發(fā)出來。當計算設(shè)備的功耗因計算負載而變化時，其熱量輸出也會變化。如果數(shù)據(jù)中心某一處設(shè)備的功耗突然增加，就會在數(shù)據(jù)中心出現(xiàn)局部熱點。數(shù)據(jù)中心制冷系統(tǒng)的制冷能力可能已根據(jù)典型功率耗散情況進行了分配，因此局部區(qū)域的功率突增可能導致局部溫度的上升，而這種溫度上升在設(shè)計制冷系統(tǒng)時并未考慮。這可能導致設(shè)備在過熱時關(guān)機，工作異常或者使設(shè)備的保修失效。

3.3 冗余失效

很多服務(wù)器都具有雙冗余電源輸入，而具有最高可用性的數(shù)據(jù)中心和網(wǎng)絡(luò)機房正是利用這一特性為服務(wù)器提供雙路供電。當其中一條供電線路上的任何一點徹底無法供電時，這些系統(tǒng)仍然可獲得電能并繼續(xù)運行。在正常運行條件下，計算機設(shè)計為讓兩條供電線路平均分擔負載。當其中一條供電線路發(fā)生故障時，服務(wù)器的全部負載就會轉(zhuǎn)移到剩下的另一條供電線路上。這會導致供電線路上的負載翻倍。因此，對于為雙路供電系統(tǒng)中的設(shè)備供電的AC電源分支電路而言，其負載必須小于額定載流容量的50%。這樣，它才有足夠的剩余能力在必要時承擔全部負載。

當負載呈現(xiàn)出動態(tài)變化的功耗時，確保分支電路的負載小于其額定值的50% 變得更加困難。系統(tǒng)在安裝時已經(jīng)過測試并且分支電路確實是在其額定值的50% 之下運行。但是，當未來某個時刻出現(xiàn)高計算負載時，系統(tǒng)就有可能開始在大于額定值的50%的條件下運行。 如果雙路供電系統(tǒng)的分支電路出現(xiàn)負載超過自身能力的50%的情況，那么系統(tǒng)就喪失了冗余功能。如果一條供電線路發(fā)生故障，第二條供電線路會立即過載并可能發(fā)生上一節(jié)所述的斷路器跳閘情況。同樣，由于這種供電中斷是發(fā)生在計算負載很高的時間段，因此計算設(shè)備有可能正在處理大量事務(wù)，這意味著冗余功能喪失很有可能發(fā)生在最不希望發(fā)生的時間點上。

4.管理動態(tài)功率變化

4.1 為每臺服務(wù)器提供專用分支電路

如果每臺服務(wù)器都有獨立的分支電路，分支電路過載就不會發(fā)生。這是因為設(shè)計方案假定每一臺服務(wù)器都通過專用分支電路供電運行。此方法解決了分支電路過載問題和冗余功能喪失問題。

4.2 充分考慮安全容限標準

多數(shù)數(shù)據(jù)中心和網(wǎng)絡(luò)機房操作人員都有負載容限標準，通常以占全部負載分支電路額定值的百分數(shù)表示。要確認與標準的兼容性，應(yīng)對實際分支電路進行測量并確保其符合標準。注意，當系統(tǒng)具有動態(tài)變化的功耗時，由于在測量時很難知道計算負載的情況，使用此方法會面臨嚴峻的問題。最好的方法是在測量時將大計算負載加在有保護的設(shè)備上，以確保在最壞的情況下也能符合標準。

4.3 實時監(jiān)控負載運行情況

考慮到負載運行情況的重要性，需要建立安全容限并通過自動監(jiān)控系統(tǒng)對所有分支電路進行實時連續(xù)監(jiān)控。當分支電路負載開始進入安全容限區(qū)域時，發(fā)出警告。例如，如果使用60%的分支電路負載標準，則當負載超過60%時就會發(fā)出警告。所建立的安全容限應(yīng)該確保操作人員能夠提前獲得有關(guān)問題區(qū)域的警告，并且在電流過載情況發(fā)生前有足夠的時間來采取糾正措施。此方法可與前面所述的其他方法配合使用。它的最大優(yōu)點在于其適用于用戶可能在數(shù)據(jù)中心管理員不知情的情況下安裝、移動設(shè)備或?qū)⒃O(shè)備插入其他插座的情況。這種情況在數(shù)據(jù)中心時的實際運行中時有發(fā)生。此方法還可對即將發(fā)生的冗余功能失效發(fā)出警告。它是數(shù)據(jù)中心管理員管理多變環(huán)境中的動態(tài)功率變化的最有力方法.

5.結(jié)論

隨著時間的推移，功耗隨負載變化而顯著變化的IT負載在網(wǎng)絡(luò)機房或數(shù)據(jù)中心所占的百分比正在不斷增加。這種情況給數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施操作人員帶了許多不曾預(yù)料到的問題。因此，需要對以前用于減小過載風險的措施加以改進以便適應(yīng)新的情況。對于要在其中安裝大量服務(wù)器的新設(shè)施和現(xiàn)有設(shè)施而言，正確的規(guī)劃和監(jiān)控分支電路功率是確保其可靠運行的關(guān)鍵所在。認識了功率變化對系統(tǒng)安全的影響，掌握了一定的處理方法，這樣就可以大大提高數(shù)據(jù)中心系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

參考文獻

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