高效節(jié)約型高校數(shù)據(jù)中心的建設(shè)和實(shí)踐探索

王京南，陳領(lǐng)起，高廣宇

(北京理工大學(xué) 軟件學(xué)院，北京 海淀區(qū) 100081)

目前，一個(gè)強(qiáng)大而穩(wěn)定的數(shù)據(jù)中心是云計(jì)算和大數(shù)據(jù)分析的重要支撐。而且，加大云計(jì)算和大數(shù)據(jù)分析等技術(shù)的研究，也需要更好的數(shù)據(jù)中心來實(shí)現(xiàn)資源共享，進(jìn)而改變教學(xué)科研模式，提高教學(xué)科研水平[1]。事實(shí)上，越來越多的高校意識(shí)到數(shù)據(jù)集中、IT基礎(chǔ)設(shè)施集中、運(yùn)行服務(wù)集中的必要性，以清華大學(xué)數(shù)據(jù)中心建設(shè)為代表，國內(nèi)各高校紛紛規(guī)劃建設(shè)自己的數(shù)據(jù)中心[2－3]。然而，高校數(shù)據(jù)中心普遍存在數(shù)據(jù)稀少、軟硬件資源缺乏及利用率低、運(yùn)維成本高等問題，成為面向大數(shù)據(jù)分析和云計(jì)算的數(shù)據(jù)中心發(fā)展的瓶頸[4]。

事實(shí)上，在新一輪數(shù)據(jù)中心建設(shè)背后，如何高效地建設(shè)和管理高效節(jié)約型的數(shù)據(jù)中心必然或已經(jīng)成為一個(gè)重要的研究熱點(diǎn)[5]。傳統(tǒng)的高效節(jié)約型數(shù)據(jù)中心建設(shè)往往指電力能源的節(jié)約等，但在高效數(shù)據(jù)中心的建設(shè)和管理中，包括人員配備、軟硬件資源及社會(huì)資源等各種資源都對高效節(jié)約型高效數(shù)據(jù)中心建設(shè)起到至關(guān)重要的作用。因此，本文結(jié)合北京理工大學(xué)數(shù)據(jù)智能中心建設(shè)和管理過程中的實(shí)際情況，從人力資源、軟硬件資源以及社會(huì)資源等幾個(gè)方面的優(yōu)化配置來對建設(shè)高效節(jié)約型的數(shù)據(jù)智能中心展開新的思考和實(shí)踐探索。

1 高校數(shù)據(jù)中心現(xiàn)狀

高校數(shù)據(jù)中心是近些年來伴隨著云計(jì)算和大數(shù)據(jù)技術(shù)的興起，在工業(yè)界數(shù)據(jù)中心建設(shè)帶動(dòng)下，為實(shí)現(xiàn)高校信息化建設(shè)，高校教學(xué)科研活動(dòng)和創(chuàng)新人才培養(yǎng)服務(wù)而建設(shè)的重要基地。高效數(shù)據(jù)中心是高校進(jìn)行科研、教學(xué)的重要場所，不僅能夠滿足實(shí)驗(yàn)課程的基本需求，還能為學(xué)生全面發(fā)展、科研提供基礎(chǔ)保障，是高?？蒲兴健⒐芾硭降闹匾w現(xiàn)，是高校學(xué)科建設(shè)和綜合發(fā)展的關(guān)鍵。數(shù)據(jù)中心的建設(shè)和管理對學(xué)生實(shí)踐能力、創(chuàng)新精神的發(fā)展及培養(yǎng)具有重要作用，直接影響高校的人才培養(yǎng)和科研進(jìn)步。

近年來，針對高校數(shù)據(jù)中心建設(shè)的研究工作很多，文獻(xiàn)[6]探討了高校數(shù)據(jù)中心建設(shè)過程中應(yīng)該注意的技術(shù)及管理問題。文獻(xiàn)[4]對云計(jì)算和虛擬化技術(shù)深入分析研究，提出了一套適應(yīng)于高校應(yīng)用與實(shí)施的基于云計(jì)算的高校數(shù)據(jù)中心建設(shè)方案。文獻(xiàn)[7]則較為全面和系統(tǒng)的對高校數(shù)據(jù)中心的實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了詳細(xì)討論。此外，近年來，還有許多關(guān)于高校數(shù)據(jù)中心中有關(guān)云計(jì)算技術(shù)研究、虛擬化和安全性探討的工作[8－9]。

然而，在高校數(shù)據(jù)中心建設(shè)方興未艾之際，傳統(tǒng)的商業(yè)數(shù)據(jù)中心建設(shè)則已經(jīng)開始就高效節(jié)能型數(shù)據(jù)中心建設(shè)展開研究和實(shí)踐。科技領(lǐng)域全球領(lǐng)軍企業(yè)之一的谷歌，從位于愛荷華州和俄克拉何馬州的風(fēng)電場所采購的電力被并入了當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)，此舉提高了當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)中可再生電力的比例，以及提升了其位于這兩個(gè)州的兩個(gè)數(shù)據(jù)中心的可再生電力的比例。阿里云通過建設(shè)位于浙江千島湖的數(shù)據(jù)中心，利用深層湖水制冷并采用阿里巴巴定制硬件，設(shè)計(jì)年平均PUE(能源效率指標(biāo))低于1.3，最低時(shí)PUE為1.17，比普通數(shù)據(jù)中心全年節(jié)電約數(shù)千萬度，減少碳排放量一萬多噸標(biāo)煤，也是目前國內(nèi)亞熱帶最節(jié)能的數(shù)據(jù)中心之一。富士康數(shù)據(jù)中心則投資1.3億元，有6 000臺(tái)服務(wù)器，但其PUE僅為1.1。

高校數(shù)據(jù)中心在建設(shè)目的、建設(shè)與使用方式、安全標(biāo)準(zhǔn)、管理維護(hù)上同商業(yè)數(shù)據(jù)中心相比，具有如下特點(diǎn):高校數(shù)據(jù)中心為學(xué)校信息化建設(shè)內(nèi)部服務(wù)，不以盈利為目的；高校信息化需求多樣化明顯，設(shè)備種類復(fù)雜，但規(guī)模相對不大；由于預(yù)算限制和建設(shè)目的，高校數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)低，對未來需求考慮不足，對節(jié)能考慮較少；高校數(shù)據(jù)中心專職管理維護(hù)人員較少，運(yùn)行規(guī)范相對欠缺，優(yōu)勢是機(jī)房地理位置離用戶最近，反應(yīng)迅速。因此，傳統(tǒng)商業(yè)數(shù)據(jù)中心在高效節(jié)約建設(shè)方面的方法并不完全適應(yīng)高校數(shù)據(jù)中心。事實(shí)上，高校數(shù)據(jù)中心在高效節(jié)約型建設(shè)方面也展開了一些工作[10－12]。

基于上述討論，如何合理有效地整合資源，提高軟硬件資源、人力資源及社會(huì)資源等方面的優(yōu)化配置，在高校這一特定的環(huán)境下，就建設(shè)高效節(jié)約型高校數(shù)據(jù)中心進(jìn)行深入的思考和實(shí)踐是本文重點(diǎn)討論的內(nèi)容。

2 高效節(jié)約型高校數(shù)據(jù)中心建設(shè)新模式探討

從上文可知，高效數(shù)據(jù)中心是在特定環(huán)境下，背負(fù)特定使命，但又追趕前沿科技潮流和技術(shù)前沿，為面向?qū)嶋H問題的教學(xué)科研和人才培養(yǎng)服務(wù)為主的重要基地。本文重點(diǎn)是在有限的規(guī)模和資源供給環(huán)境下，結(jié)合商業(yè)數(shù)據(jù)中心在高效節(jié)能方面的先進(jìn)技術(shù)，從軟硬件資源、人力資源和社會(huì)資源的優(yōu)化配置三方面出發(fā)來展開討論。

2.1 廣泛借鑒，從細(xì)節(jié)著手實(shí)現(xiàn)軟硬件資源的優(yōu)化配置

北京理工大學(xué)數(shù)據(jù)智能中心占地約150 m2，服務(wù)于大數(shù)據(jù)與云計(jì)算科研與教學(xué)等服務(wù)，結(jié)合大型機(jī)、大數(shù)據(jù)與云計(jì)算技術(shù)，堅(jiān)持以 “產(chǎn)、學(xué)、研”結(jié)合開展教學(xué)和科研活動(dòng)，同時(shí)系統(tǒng)、專業(yè)地為學(xué)校及社會(huì)各界提供強(qiáng)大的計(jì)算與存儲(chǔ)資源。除了大型機(jī)相應(yīng)的配套基礎(chǔ)設(shè)施之外，計(jì)劃配置4個(gè)機(jī)柜的存儲(chǔ)共同構(gòu)成實(shí)現(xiàn)裸存1PB，進(jìn)行二重復(fù)制實(shí)際可用容量為528 TB的海量云存儲(chǔ)單元，如圖1所示。

圖1 100 m2機(jī)房平面圖

數(shù)據(jù)智能中心的建設(shè)從一開始就嚴(yán)格以學(xué)校和學(xué)院領(lǐng)導(dǎo)提出的高效節(jié)約型建設(shè)為核心目標(biāo)。在建設(shè)初期，廣泛走訪調(diào)研相關(guān)數(shù)據(jù)中心，包括華中科技大學(xué)、華南理工大學(xué)和四川大學(xué)依托IBM大型機(jī)建設(shè)的數(shù)據(jù)中心等。從數(shù)據(jù)中心的選址、招標(biāo)、大型機(jī)的進(jìn)場安裝配置、電路網(wǎng)路改造、消防安防建設(shè)等各個(gè)方面全方位深入地專人專點(diǎn)跟蹤、討論和規(guī)劃。同時(shí)，還對商業(yè)數(shù)據(jù)中心建設(shè)廣泛調(diào)研，著力于建設(shè)具有企業(yè)級(jí)使用價(jià)值的高校數(shù)據(jù)中心。最后，數(shù)據(jù)智能中心的建設(shè)參照商業(yè)數(shù)據(jù)中心建設(shè)的流程，通過招標(biāo)專業(yè)施工企業(yè)，嚴(yán)格按照國家A級(jí)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)。并且將施工企業(yè)和設(shè)備供應(yīng)商作為重要的一員納入到數(shù)據(jù)中心的日常管理和維護(hù)工作中。在實(shí)驗(yàn)室選址、數(shù)據(jù)中心規(guī)劃等方面，充分利用電力、網(wǎng)絡(luò)及辦公環(huán)境等各個(gè)方面的便利條件來優(yōu)化軟硬件資源的布局和配置。

在軟硬件資源的優(yōu)化配置上，具體而言:

1)電力供應(yīng)方面，就地取材，積極協(xié)調(diào)后勤部門，在現(xiàn)有的電力網(wǎng)路基礎(chǔ)上，通過就近改造，重新接入軟件樓附近的另一路地下電力網(wǎng)路實(shí)現(xiàn)雙路供電，并通過6組電池的UPS電源實(shí)現(xiàn)電力供應(yīng)的高效保障；2)數(shù)據(jù)智能中心選址上，除緊靠第二路供電線路節(jié)約成本外，還緊靠原有的網(wǎng)絡(luò)控制室，通過增加光纖接入和千兆萬兆交換機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)中心的高性能網(wǎng)絡(luò)供應(yīng)，同時(shí)又減少了網(wǎng)絡(luò)改造的難度和資源浪費(fèi)，也便于網(wǎng)絡(luò)管理；3)在節(jié)能方面，詳細(xì)記錄每天數(shù)據(jù)中心的耗電量來分析各個(gè)細(xì)節(jié)操作對節(jié)能的影響，通過增加窗簾、采用下順風(fēng)、精密空調(diào)與傳統(tǒng)壁掛式空調(diào)混合使用、采用里外兩層隔音降噪防護(hù)門等措施有效地降低了電力消耗并減少了噪聲污染；4)在計(jì)算資源的優(yōu)化方面，根據(jù)不同時(shí)期教學(xué)科研任務(wù)的進(jìn)展頻繁程度，合理靈活地開放存儲(chǔ)和計(jì)算資源。如在學(xué)生利用數(shù)據(jù)中心大量提交作業(yè)和科研項(xiàng)目重點(diǎn)運(yùn)行的階段，通過開放更多的存儲(chǔ)資源和CPU資源來保證教學(xué)科研任務(wù)的正常進(jìn)行，以保證精密空調(diào)等高耗電設(shè)備的平穩(wěn)運(yùn)行，避免因?yàn)橥蝗坏呢?fù)載增加帶來不必要的高能耗。

2.2 深度融合，實(shí)驗(yàn)人員與教學(xué)科研人員的交叉合作

前文提到高效數(shù)據(jù)中心在人員配備上，同商業(yè)數(shù)據(jù)中心相比專職管理維護(hù)人員較少，而且專職管理人員往往更加專注于實(shí)際的機(jī)房管理。而事實(shí)上，在新一代的數(shù)據(jù)中心建設(shè)和管理中，如果專職管理人員能夠懂得數(shù)據(jù)中心到底在跑什么數(shù)據(jù)，計(jì)算資源到底是如何分配和使用的，不僅能夠讓實(shí)驗(yàn)室管理人員更加靈活的根據(jù)數(shù)據(jù)運(yùn)行情況來調(diào)整相應(yīng)的軟硬件資源、網(wǎng)絡(luò)、電力等資源的分配，還能夠使得專職管理人員真正參與到數(shù)據(jù)中心相應(yīng)的教學(xué)科研項(xiàng)目中。這樣，不僅實(shí)現(xiàn)了高效數(shù)據(jù)中心的高效節(jié)能目的，還對人才培養(yǎng)起到了重要作用?；诖耍瑪?shù)據(jù)智能中心采用實(shí)驗(yàn)人員與教學(xué)科研人員的深度交叉合作來優(yōu)化人力資源的配置。具體而言有以下3個(gè)方面。

1)為專職實(shí)驗(yàn)人員提供各種條件，參加數(shù)據(jù)中心實(shí)際科研項(xiàng)目使用到的軟件系統(tǒng)和大數(shù)據(jù)分析軟件的相關(guān)培訓(xùn)，如數(shù)據(jù)智能中心的實(shí)驗(yàn)人員分別赴華南理工大學(xué)、華中科技大學(xué)以及四川大學(xué)參加這些學(xué)校以及IBM舉辦的大型機(jī)硬件配置、軟件系統(tǒng)安裝、資源分配管理等培訓(xùn)和技術(shù)交流活動(dòng)。同時(shí)，定期邀請IBM、SAP、VMware等企業(yè)工程師來學(xué)校同相關(guān)教師和學(xué)生舉辦講座和討論會(huì)。

2)讓專職實(shí)驗(yàn)人員發(fā)揮自身在網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)管理方面的優(yōu)勢，通過負(fù)責(zé)系統(tǒng)構(gòu)建等實(shí)際功能模塊參與到各實(shí)驗(yàn)室基于數(shù)據(jù)中心的科研項(xiàng)目中。優(yōu)勢互補(bǔ)，以數(shù)據(jù)中心為紐帶發(fā)揮團(tuán)隊(duì)合作的最大作用。如通過專職科研教師和數(shù)據(jù)智能中心的專職實(shí)驗(yàn)人員合作，在不到一個(gè)月的時(shí)間內(nèi)完成了 “IBM Developer Cloud”項(xiàng)目平臺(tái)搭建(其中IBM Developer Cloud項(xiàng)目是以Z10大型機(jī)為核心建設(shè)的用于開源項(xiàng)目托管的云計(jì)算平臺(tái))以及程序設(shè)計(jì)方法實(shí)踐教學(xué)系統(tǒng)的建設(shè)和運(yùn)行 (程序設(shè)計(jì)方法實(shí)踐教學(xué)系統(tǒng)是用于本科二年級(jí)200人使用的Online Judge在線答題系統(tǒng))。

3)讓教學(xué)科研人員同專職實(shí)驗(yàn)人員合作申請交叉課題和項(xiàng)目。如數(shù)據(jù)智能中心的實(shí)驗(yàn)人員和科研人員合作先后獲得多個(gè)基礎(chǔ)科研和工程項(xiàng)目，例如，北京理工大學(xué)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)與管理軟課題；數(shù)據(jù)智能中心資源高效利用與管理實(shí)踐新機(jī)制研究；IBM公司提供的云計(jì)算和大數(shù)據(jù)分析相關(guān)橫向課題等。同時(shí)，也積極地讓研究生參與到數(shù)據(jù)中心相關(guān)的項(xiàng)目中，并在一定程度上參與到數(shù)據(jù)中心的管理工作中，以更低的成本應(yīng)對高校數(shù)據(jù)中心人員配備不足的問題。

2.3 全面拓展，緊抓校企合作，充分利用社會(huì)資源

本文所述的社會(huì)資源主要指的是產(chǎn)學(xué)研合作和校企合作中，以企業(yè)為代表的校外資源。校企合作和產(chǎn)學(xué)研合作是一種注重培養(yǎng)質(zhì)量，注重在校學(xué)習(xí)與企業(yè)實(shí)踐，注重學(xué)校與企業(yè)資源、信息共享的 “雙贏”模式。校企合作做到了應(yīng)社會(huì)所需，與市場接軌，與企業(yè)合作，實(shí)踐與理論相結(jié)合的全新理念，為教育行業(yè)發(fā)展帶來了一片春天。在數(shù)據(jù)智能中心建設(shè)和管理過程中，通過長期的摸索和實(shí)踐，總結(jié)出以下措施來拓展校企合作的深度和廣度。

1)因地制宜，圍繞數(shù)據(jù)中心同企業(yè)建立深入的項(xiàng)目合作。數(shù)據(jù)智能中心一開始就是圍繞IBM公司提供的Z10系列大機(jī)建設(shè)的。同IBM公司深入合作，數(shù)據(jù)中心核心設(shè)備的日常管理、維護(hù)都有效地獲得了IBM公司最直接和有效地支持。在項(xiàng)目的選題、設(shè)計(jì)、任務(wù)分配和管理上嚴(yán)格按照公司開展項(xiàng)目的流程和模式。因?yàn)閿?shù)據(jù)中心中的設(shè)備是企業(yè)級(jí)設(shè)備，企業(yè)可以通過這種深度項(xiàng)目合作的方式將一些企業(yè)耗費(fèi)成本高的項(xiàng)目移植到數(shù)據(jù)智能中心中來，以此降低成本；而高校則可以以更貼近產(chǎn)業(yè)需求的方式培養(yǎng)和鍛煉師資力量和學(xué)生。同傳統(tǒng)意義上的校企合作項(xiàng)目不同的是，這種新的模式，企業(yè)提供企業(yè)級(jí)設(shè)備，高校建設(shè)對應(yīng)的數(shù)據(jù)中心，大家緊緊圍繞在其周圍，能夠更加深入地展開合作。

2)學(xué)生培養(yǎng)模式的創(chuàng)新。校企合作中，企業(yè)希望培養(yǎng)能直接進(jìn)入該企業(yè)工作并且動(dòng)手能力較強(qiáng)的人才，并且希望學(xué)生作為廉價(jià)的勞動(dòng)力能直接參與企業(yè)的相關(guān)項(xiàng)目。而高校人才培養(yǎng)的目的是培養(yǎng)綜合素質(zhì)全面發(fā)展的可面向不同行業(yè)不同領(lǐng)域的人才，并希望研究生能夠投入到基礎(chǔ)科研或者前沿技術(shù)相關(guān)工程項(xiàng)目中，以具備更強(qiáng)的適應(yīng)能力?；诖?，通過讓學(xué)生積極參與到上文所述的以數(shù)據(jù)中心為核心的校企深度合作項(xiàng)目中，大部分時(shí)候是以學(xué)校的培養(yǎng)目標(biāo)為主。在參與項(xiàng)目實(shí)際過程中，不僅鍛煉了學(xué)生實(shí)際工程能力，還讓學(xué)生對企業(yè)有更深更全面的了解，同時(shí)又不影響其完成學(xué)校的學(xué)習(xí)任務(wù)。在這些項(xiàng)目中表現(xiàn)比較出色的學(xué)生，由長期參與校企合作項(xiàng)目的企業(yè)人員選派至企業(yè)定向定點(diǎn)參與跟校企合作項(xiàng)目有關(guān)的實(shí)習(xí)。

3)承辦企業(yè)培訓(xùn)和行業(yè)論壇。依托數(shù)據(jù)智能中心擁有企業(yè)級(jí)設(shè)備這一優(yōu)勢，數(shù)據(jù)智能中心先后承辦了IBM Power系列主機(jī)培訓(xùn)、IBM Z系列大機(jī)培訓(xùn)以及基于大型機(jī)的大數(shù)據(jù)分析等培訓(xùn)。并且在同企業(yè)的深入合作中，加大了企業(yè)對學(xué)校相關(guān)實(shí)驗(yàn)室情況和所開展研究項(xiàng)目的了解，企業(yè)根據(jù)自身興趣及需要，先后將輕工食品追溯項(xiàng)目、碳排放交易等項(xiàng)目引入到大型機(jī)平臺(tái)下。同時(shí)，企業(yè)還主動(dòng)提出建設(shè)基于Mainframe主機(jī)和傳統(tǒng)PC機(jī)之間的Spark性能比較的項(xiàng)目。此外，學(xué)校相關(guān)教師和科研團(tuán)隊(duì)也積極投入到企業(yè)舉辦的各種論壇和技術(shù)培訓(xùn)中，加深了了解和信任。

4)為保證教學(xué)內(nèi)容能夠及時(shí)反映行業(yè)發(fā)展情況，切實(shí)滿足企業(yè)對人才的需求，定期邀請IBM、SAP、VMware等企業(yè)專家擔(dān)任兼職教師，承擔(dān)課程講授任務(wù)和項(xiàng)目指導(dǎo)。兼職教師掌握先進(jìn)的技術(shù)，實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)，具備較高的職業(yè)素質(zhì)，彌補(bǔ)了學(xué)校教師在這方面的不足，提高了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的質(zhì)量。為此，數(shù)據(jù)智能中心專門開辟了企業(yè)工程人員定期過來臨時(shí)辦公的實(shí)驗(yàn)室，而企業(yè)也為數(shù)據(jù)智能中心提供了包括智能電話會(huì)議系統(tǒng)等軟硬件資源來保障雙方的合作。

3 結(jié)束語

如何高效地建設(shè)和管理綠色節(jié)約型的數(shù)據(jù)中心是數(shù)據(jù)智能中心一直在探索和實(shí)踐的重要工作，也是本文重點(diǎn)討論的內(nèi)容。本文通過對北京理工大學(xué)數(shù)據(jù)智能中心在建設(shè)和管理中面臨的諸多實(shí)際情況和問題，從軟硬件資源、人力資源及社會(huì)資源等幾個(gè)方面的優(yōu)化配置對建設(shè)高效節(jié)約型的數(shù)據(jù)智能中心展開思考和實(shí)踐探索，總結(jié)出了一套靈活、高效、合理的數(shù)據(jù)中心建設(shè)管理新模式。具體而言，在有限的規(guī)模和資源供給環(huán)境下，廣泛借鑒商業(yè)數(shù)據(jù)中心在高效節(jié)能方面的先進(jìn)技術(shù)。

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