中小型數(shù)據(jù)中心PUE值與可用性平衡方法的研究

◆田輝 田峻超 穆釗

中小型數(shù)據(jù)中心PUE值與可用性平衡方法的研究

◆田輝 田峻超 穆釗

（中國石油集團(tuán)東方地球物理勘探有限責(zé)任公司信息技術(shù)中心 北京 100007）

數(shù)據(jù)中心的PUE值與可用性是一對矛盾體，由于計算復(fù)雜、難以量化等原因，其平衡方法相關(guān)的研究工作一直未能深入展開，但該項研究對數(shù)據(jù)中心運行的穩(wěn)定性和節(jié)能方面都具有重要的意義。本文以多個企業(yè)中小型數(shù)據(jù)中心的測試數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，深入探討了PUE值與可用性之間的關(guān)系，以及維持PUE值與可用性平衡的主要計算方法，并在中小型數(shù)據(jù)中心進(jìn)行了實際驗證，驗證了方法的有效性，為該項研究的繼續(xù)展開提供了一定的依據(jù)。

數(shù)據(jù)中心；節(jié)能；PUE；可用性

1 前言

隨著我國信息化進(jìn)程的高速推進(jìn)，各種不同級別的數(shù)據(jù)中心被陸續(xù)建立起來并投入到使用中，特別是一些企事業(yè)單位的中小型數(shù)據(jù)中心，其數(shù)量占據(jù)到數(shù)據(jù)中心總量的70%-80%，能耗體量巨大。而這些中小型數(shù)據(jù)中心往往受到成本或其他條件約束，并非完全按照國家規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)來建設(shè)，因此中小型數(shù)據(jù)中心在能源效率和可用性維持上并不盡如人意。面對這樣的問題，能否從數(shù)據(jù)中心PUE值與可用性相互關(guān)系上入手來尋找某種節(jié)能方法，即：保持一定可用性的前提下，盡可能降低數(shù)據(jù)中心PUE值，從而達(dá)到中小型數(shù)據(jù)中心節(jié)能的目標(biāo)。

2 數(shù)據(jù)中心PUE值與可用性的關(guān)系

2.1 數(shù)據(jù)中心PUE

數(shù)據(jù)中心PUE（Power Usage Effectiveness）是目前衡量數(shù)據(jù)中心或機(jī)房能源效率的通用指標(biāo)，其計算公式為：

在數(shù)據(jù)中心能耗結(jié)構(gòu)中，制冷設(shè)備能耗是除IT設(shè)備能耗以外最大的能耗，相對于供配電系統(tǒng)與輔助系統(tǒng)的運行能耗來說，制冷設(shè)備運行能耗變化范圍最大。一些較為著名的綠色數(shù)據(jù)中心PUE值可達(dá)到1.2左右，其制冷設(shè)備、供配電系統(tǒng)以及輔助系統(tǒng)的能耗合計只占數(shù)據(jù)中心的總能耗的20%左右，但此類綠色數(shù)據(jù)中心在制冷設(shè)備、供配電系統(tǒng)、輔助系統(tǒng)、場地建設(shè)、動環(huán)控制系統(tǒng)的成本投入遠(yuǎn)高于普通數(shù)據(jù)中心，對為數(shù)眾多的中心型數(shù)據(jù)中心和機(jī)房來說，根本無法達(dá)到，因此許多機(jī)房節(jié)能方法的研究重點集中在如何降低制冷設(shè)備能耗的方面，如：采用精密制冷設(shè)備、改善氣流組織、機(jī)房保溫措施等。

2.2 數(shù)據(jù)中心可用性

數(shù)據(jù)中心的可用性構(gòu)成比較復(fù)雜，由于數(shù)據(jù)中心是多種不同系統(tǒng)的綜合體，其可用性是：網(wǎng)絡(luò)可用性、IT設(shè)備可用性、制冷設(shè)備可用性、供配電以及其他輔助設(shè)備可用性共同組成，內(nèi)部既有冗余子系統(tǒng)的并行，也有不同子系統(tǒng)的串行。就基礎(chǔ)設(shè)備可用性而言可通過平均無故障時間MTBF（Mean Time Between Failures）與平均修復(fù)時間MTTR（Mean Time to Repair）等指標(biāo)計算完成，具體公式為：

從公式可以看出：數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)備可用性的提高方法在于提高平均無故障時間MTBF或降低平均修復(fù)時間MTTR，降低MTTR與人員、技術(shù)、管理等因素的相關(guān)度較高，而延長MTBF與設(shè)備自身的可靠性和運行環(huán)境的相關(guān)度較高。

2.3 PUE值與可用性相互關(guān)系

通過研究發(fā)現(xiàn)，在一定條件下數(shù)據(jù)中心PUE值與可用性存在一定的相關(guān)性，數(shù)據(jù)中心的服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)、UPS、監(jiān)控等基礎(chǔ)設(shè)備的可用性受到溫濕度環(huán)境因素影響較大，而制冷設(shè)備的工作狀態(tài)又直接影響了數(shù)據(jù)中心的PUE值，當(dāng)維持較低的環(huán)境溫度時，制冷設(shè)備能耗的提升則導(dǎo)致PUE值的升高，反之亦然。據(jù)統(tǒng)計：環(huán)境溫度每高于器件工作溫度10攝氏度，設(shè)備元器件壽命就會縮短30%-50%，可靠性MTBF下降25%左右。已知一個線路輸出30kW企業(yè)級小型數(shù)據(jù)中心，在其能耗結(jié)構(gòu)中IT設(shè)備耗電占44%、制冷設(shè)備占38%、供配電設(shè)備占15%、其他輔助設(shè)備占3%，PUE值為2.27，可用性為99.99%，工作全年最多允許中斷（1-99.99%）*365天*24小時=0.876小時。當(dāng)制冷設(shè)備溫度上調(diào)10攝氏度時，該數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)備可靠性MTBF下降25%，假定平均修復(fù)時間MTTR取最大允許停機(jī)時長0.876小時，則根據(jù)公式2可推算出：數(shù)據(jù)中心當(dāng)前可用性下降為99.96%，溫度上調(diào)后，制冷設(shè)備功耗降低為原來的50%-60%，根據(jù)公式1可計算出該數(shù)據(jù)中心PUE值為1.84，比原可用性狀態(tài)下的PUE值下降了18.9%。通過對多個中小型數(shù)據(jù)中心的PUE值與可用性數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)：數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)備的可用性與PUE值在一定范圍內(nèi)呈現(xiàn)正比關(guān)系，每個數(shù)據(jù)中心可用性與PUE對應(yīng)關(guān)系并非完全一樣，但在關(guān)系曲線的某一段取值范圍內(nèi)呈現(xiàn)局部線性關(guān)系，正好可以利用這種線性關(guān)系，通過調(diào)整數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)備的可用性來降低數(shù)據(jù)中心的PUE值，從而達(dá)到節(jié)能的目標(biāo)。如圖1所示：在A點與C點之間的區(qū)域內(nèi)，可用性與PUE值關(guān)系曲線為局部線性遞增關(guān)系，A點的可用性為0.9，PUE為1.4，C點的可用性為0.999，PUE為2.2，對中小型數(shù)據(jù)中心來說可用性分布在0.9-0.999之間較為合理，PUE值可在1.4-2.2范圍之內(nèi)調(diào)節(jié)，因此A點與C點之間的區(qū)域為平衡區(qū)域。平衡區(qū)域的實際物理意義在于，數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)備的可用性過低或過高都是不可取的，特別對于中小型數(shù)據(jù)中心來說，維持0.999以上的可用性極大地增加了數(shù)據(jù)中心制冷設(shè)備能耗，而單純?yōu)樽非笾评湓O(shè)備極低功耗，把可用性下降到0.9以下，將引發(fā)數(shù)據(jù)中心嚴(yán)重的熱島效應(yīng)，可能造成大面積的設(shè)備損壞。依照國際數(shù)據(jù)中心等級標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的Tier 1的可用性為99.67%，恰好位于A點與C點PUE的均值點B附近，因此，B點為能耗與可用性平衡的最優(yōu)位置。

圖1 中小型數(shù)據(jù)中心可用性與PUE值關(guān)系曲線

3 維持PUE值與可用性平衡的方法

為維持?jǐn)?shù)據(jù)中心PUE值與可用性的平衡關(guān)系，需要分別計算當(dāng)前PUE與可用性的具體數(shù)值，數(shù)據(jù)中心PUE值可以通過監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)值直接計算，而可用性的計算相對來說較為復(fù)雜，公式2所給出的只是針對單個系統(tǒng)或單一設(shè)備的計算公式，整體計算需要考慮到不同子系統(tǒng)之間的耦合關(guān)系，通常使用RBD（Reliability Block Diagram）模型和Markov模型進(jìn)行計算，這里不做贅述，本文的重點是論證可用性與能耗之間的關(guān)系，為簡化可用性的計算方法，可采用如下方法：（1）把中小型數(shù)據(jù)中心看作一個單一的基礎(chǔ)設(shè)備來計算其可用性；（2）采用黑盒測試的方法，采集環(huán)境溫濕度、制冷設(shè)備能耗等作為輸入數(shù)據(jù)，采集數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)備平均無故障運行時間MTBF和平均修復(fù)時間MTTR作為輸出數(shù)據(jù)，模擬可靠性與制冷設(shè)備能耗、溫濕度關(guān)系曲線；（3）確定最佳平衡點，即可靠性在0.99附近對應(yīng)的環(huán)境溫度與制冷設(shè)備能耗的數(shù)值，即是制冷設(shè)備所調(diào)控的目標(biāo)。需要說明的是：可靠性與制冷設(shè)備能耗之間并完全非線性關(guān)系，可通過建立二次或三次多項式進(jìn)行擬合，并采用最小二乘法求解最優(yōu)參數(shù)值：

Y=AX2+BX+C

這里Y為基礎(chǔ)設(shè)備可用性，X為制冷設(shè)備即時能耗，A、B、C為求解參數(shù)。除了多項式的擬合方法外，其他基于機(jī)器學(xué)習(xí)的方法也可以使用，如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法等模型方法，如果數(shù)據(jù)中心有完整的日志數(shù)據(jù)與測試數(shù)據(jù)，則對數(shù)據(jù)模型的訓(xùn)練更有幫助。

4 結(jié)語

本文對國內(nèi)某企業(yè)的中小型數(shù)據(jù)中心進(jìn)行長期測試實驗和日志數(shù)據(jù)的收集與整理，并利用文中所介紹的方法建立了基礎(chǔ)設(shè)備可靠性與制冷設(shè)備功耗的關(guān)系曲線，進(jìn)而求解出PUE與可用性的平衡點，并以此來控制制冷設(shè)備的工作狀態(tài)，使得數(shù)據(jù)中心在保持0.99可用性的前提下，PUE值得到明顯改善。當(dāng)然每個數(shù)據(jù)中心的情況也不盡相同，并非都存在相同的關(guān)系曲線與平衡點，文中的方法是否具有普適性，還需進(jìn)一步的研究與探討。

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