一、前言

數據中心守護著(zhù)企業(yè)重要IT設備的運行，如服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò )設備以及存儲設備等，在數據中心支持全球數十億人口上網(wǎng)的同時(shí)，也產(chǎn)生大量的機房能耗，因此，勢必要研究具體的機房能效改善對策，才能真正實(shí)現節能。對于當前的數據中心管理者來(lái)說(shuō)，必須采用高效率的機房經(jīng)營(yíng)方針，才能取得“環(huán)?！奔啊敖?jīng)濟”雙贏(yíng)的好處。

提升數據中心能源效率的第一步，便是審慎評估能源使用效率（PUE, Power Usage Effectiveness），簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，PUE就是數據中心總耗電除以IT設備總耗電，或是數據中心總設施消耗的能源除以IT設備消耗的能源。PUE是由Green Grid所召集的政府及產(chǎn)業(yè)專(zhuān)家組成的項目小組所制定的一項指標，不僅信賴(lài)度高，而且可以用來(lái)檢驗機房的能源效率，可以廣為適用于一般數據中心，目的是建立一個(gè)“一致且可重復使用的衡量指標”，提供數據中心管理者持續監控并改善能耗狀況。根據Uptime Institute于2014年進(jìn)行的調查研究顯示，全球業(yè)界平均PUE為1.7，高于2013年的1.67，但低于2012年的1.8，表示機房節能仍有改善空間(如圖1)。

圖1：數據中心平均PUE調查, 2011-2014

（數據來(lái)源：2014 數據中心產(chǎn)業(yè)調查報告--Uptime Institute）

受到近年來(lái)大數據、物聯(lián)網(wǎng)浪潮的推動(dòng)，各地的機房建設持續進(jìn)行，同時(shí)，在環(huán)保意識高漲的氛圍下，“機房節能”也成為了一門(mén)新的研究領(lǐng)域。從客觀(guān)事實(shí)來(lái)看，首先，數據中心的電力支出占總持有成本（TCO, Total Cost of Ownership）的一大部分，僅次于人力成本；其次，數據中心常背負著(zhù)“不環(huán)?！钡膼好?。然而，實(shí)際上，以美國為例，數據中心僅消耗了總能源的百分之二，且低于全世界平均值，可見(jiàn)仍有許多機房采用節能手段達到節能減排的目標。

截至目前為止，仍有許多數據中心尚未采用任何效率指標，導致數據中心的節能毫無(wú)標準可循。雖然PUE仍存有許多爭議，但是PUE值仍是衡量數據中心基礎設施效率的主要指導方針，而且對于擬定及執行數據中心的綠色節能策略也很有參考價(jià)值。

二、數據中心綠色節能策略

根據《自然氣候變化（Nature Climate Change）》發(fā)表的一篇論文《低碳數據中心的特征》表示，IT設備如：服務(wù)器、存儲設備、通訊技術(shù)、基礎設施（風(fēng)扇、冷卻、水泵、配電等），其本身的效率以及碳排放，是影響數據中心產(chǎn)生溫室氣體的主要因素。這篇論文提出建議，如果專(zhuān)注于能耗改善的部分，將可對數據中心的綠色節能計劃產(chǎn)生顯著(zhù)的影響。

以下列舉七大數據中心的綠色節能策略，將有助于改善數據中心能耗，并優(yōu)化PUE。

策略一：定期進(jìn)行硬件檢查

全球IT巨擘如Facebook、谷歌及蘋(píng)果持續投入研發(fā)來(lái)提升數據中心的效率，他們的做法可能看似很了不起，但是這里所建議的第一個(gè)策略是屬于大部分企業(yè)都能做到的，就是例行性檢查既有的硬件設備。

數據中心普遍存在許多不必要的IT設備，所謂“休眠的服務(wù)器”指的是仍然插在機柜里，實(shí)際上卻已不再使用的服務(wù)器，但是會(huì )占據寶貴的機柜空間，消耗大量能源，并且使PUE惡化。為了了解此問(wèn)題的普遍性，Uptime Institute于2013年進(jìn)行了一項相關(guān)調查，發(fā)現大約有半數的被調查者并未執行計劃性的檢查及拔除多余的服務(wù)器。此外，在美國EPA樣本研究（U.S. EPA sample study）中，大部分機房的現場(chǎng)并無(wú)法準確地監控所有基礎設施及IT負載，可見(jiàn)機房節能改善之路還很長(cháng)。

以總部位于倫敦的英國巴克萊銀行為例，該銀行于2013年拔除了9,124個(gè)多余的服務(wù)器之后，不僅減少了使用的電力、冷卻和機柜空間，同時(shí)并擴大了計算能力以及節省了450萬(wàn)美金的電費，可見(jiàn)減少服務(wù)器的好處非常明顯。

除了IT設備的檢查，對于非IT的基礎設施，也必須做定期的檢核，例如機房的不間斷電源系統（UPS），有別于傳統的工頻單機UPS，當前的趨勢是采用高頻模塊化UPS，為了達到機房節能，選用UPS時(shí)應該考慮以下兩大條件：

1． 隨需擴容：模塊化UPS可以配合機房擴容的腳步，適時(shí)增加電源模塊的數量，不需要在機房建置初期投入大量的資金，并且不占據多余的機房空間，使機房業(yè)務(wù)逐步成長(cháng)時(shí)，UPS電源仍可“無(wú)縫接軌”(圖2)；除了增加電源模塊，UPS也必須滿(mǎn)足多機并聯(lián)的需求，以因應機房規模擴大的可能性。

圖2：模塊化UPS滿(mǎn)足機房無(wú)縫擴容的需求

2． 輕載高效：一般數據中心為了確?？煽慷?，會(huì )配置電源冗余N+X，甚至配置2N雙母線(xiàn)，導致負載率大約在30-40%甚至更低，因此UPS所標榜的“滿(mǎn)載”高效率實(shí)際上是不太可能實(shí)現的。有鑒于此，市場(chǎng)調查機構Gartner在2013年的報告就指出，除了追求UPS滿(mǎn)載效率之外，也要關(guān)注20-100%負載率區間的效率曲線(xiàn)(如圖3)，設法達到“輕載高效”的理想境界。以一臺容量200kVA的高效率模塊化UPS為例，考慮數據中心日間和夜間負載率的差異，相較于一般傳統UPS，高效率UPS可以省電5%左右(表1)。

圖3：UPS效率曲線(xiàn)

表1：高效率模塊化UPS與傳統UPS效率比

策略二：例行測量PUE值

如前所述，PUE是量化能源效率的主要業(yè)界標準，大部分原因是其具有簡(jiǎn)單性及可行性，但是在觀(guān)察的幾個(gè)行業(yè)中卻很少實(shí)施。不定期的紀錄并無(wú)法確實(shí)了解實(shí)際的能源使用狀況，所以業(yè)內人士不斷建議執行例行性的PUE檢測，以便監測數據中心PUE隨季節變化及其他因素而波動(dòng)。此外，為了能實(shí)時(shí)精確量測總電力，并紀錄實(shí)際的PUE，必須在關(guān)鍵測量點(diǎn)安裝傳感器，并記錄實(shí)際電力(kW及kVA)，并且應該要記錄一段時(shí)期之內的能源使用狀況，才能做出最佳的分析(圖4)。

圖4：PUE值監測儀表板

策略三：更新硬件，提升服務(wù)器效率

服務(wù)器效率與PUE直接相關(guān)，而且是提升PUE的關(guān)鍵要素，但是想要正確估計服務(wù)器效率，還必須考慮幾個(gè)因素。我們可以從CPU利用率出發(fā)，針對能效不佳的CPU，虛擬化技術(shù)(virtualization)可以大幅提升CPU能效及服務(wù)器的效率，而不需要更新服務(wù)器；此外，也應該將每一只機柜的負載能力與消耗電力，列入效率的計算中。采用刀片服務(wù)器（blade servers）是提高機柜密度的一種手法（每一機柜最多可容納1,024 CPU核心），也可以降低設施的冷卻及電力需求。

將實(shí)體服務(wù)器合并與虛擬化，將可提高數據中心效率，IT管理人員應該在硬件升級時(shí)將此列入考慮。根據研究指出，合并服務(wù)器的好處有：

平均每年每一服務(wù)器最多可節省美金560元

減少熱量的產(chǎn)生及相關(guān)的冷卻成本

釋出多余空間并擴大運算能力

值得注意的是，虛擬化技術(shù)及刀片服務(wù)器會(huì )產(chǎn)生一個(gè)負面影響，亦即會(huì )產(chǎn)生額外的熱量及冷卻需求。目前有數種解決方案，例如“冷熱通道封閉”或是“機柜式空調(列間空調)”等氣流管理手段，就是為了處理機房高密度負載的問(wèn)題，請看以下策略四。

策略四：提升機房冷卻效率

冷卻是僅次于IT負載之外，最大的耗電來(lái)源，因此，安裝能源監控及測量機制非常重要，可以了解冷卻對于PUE的整體影響與改善的方法。

谷歌已是數據中心節能領(lǐng)域的佼佼者，具有令人稱(chēng)羨的PUE 1.12。在最新的Android Emotions報導中指出，最新的谷歌AI產(chǎn)品正在嘗試找出能進(jìn)一步降低PUE的方法。谷歌更在網(wǎng)志《Efficiency: How others can do it》中，分享了數據中心經(jīng)理人及經(jīng)營(yíng)者可用來(lái)降低PUE的五大手法，其中三項與提升機房冷卻效率有關(guān)的做法是：

1、 優(yōu)化氣流管理

設計良好的冷熱通道封閉，可避免熱空氣和冷空氣混合，以提升冷卻系統的效率。為了有效排除機房熱點(diǎn)，建立理想的熱能分布狀態(tài)，可以借由適當地放置溫度傳感器，利用計算機仿真工具找出熱點(diǎn)并加以排除。根據EPA的研究，有效的冷熱信道封閉系統，可減少25%的風(fēng)扇能耗，以及20%的冰水主機能耗。

圖5：熱信道封閉技術(shù)實(shí)例

2、 提高機房環(huán)境溫度

谷歌已打破了數據中心必須保持約攝氏21℃的迷思，確認了冷通道可以在約攝氏27℃的溫度下運轉，因此在提高溫度的同時(shí)，關(guān)閉再熱器和除濕機，便可以有效節約能源。

3、 采用自然冷卻技術(shù)（Free Cooling）

空調系統的冰水主機會(huì )消耗大量的能源，可以視天候條件，選用自然冷卻系統，將外面的冷空氣吸進(jìn)來(lái)，加以利用后再排放到外面去。其他自然冷卻的來(lái)源包括：引入外界的空氣、水蒸氣或設置大型的熱儲存器。

策略五：提高機房溫度

長(cháng)久以來(lái)，機房IT人員受限于傳統機房溫度的迷思，不太愿意提高機房溫度，然而，美國空調冷凍工程師學(xué)會(huì )（ASHRAE）最新發(fā)布的機房工作溫度建議，范圍修訂為18℃至27℃（64.4°F至80.6°F）；除了溫度，ASHRAE也提高了濕度建議范圍。受惠于這樣的修訂，數據中心將可以創(chuàng )造更多冷卻成本的節約，也更能符合自然冷卻的條件。

就機房溫度而言，如果太過(guò)保守，維持機房低溫，將會(huì )使營(yíng)運成本居高不下，造成PUE值較差或冷卻成本較高；此外，根據英特爾一項研究數據顯示，機房環(huán)境溫度每提升1℃可以帶來(lái)4%的制冷成本節約。有鑒于此，一些高溫節能產(chǎn)品就應運而生，舉例如下：

§ 高溫節能服務(wù)器：“高溫”是指服務(wù)器耐高溫能夠在5℃至47℃環(huán)境溫度下，無(wú)需空調制冷，能穩定運行，由于服務(wù)器能適應更高的機房溫度，而帶來(lái)制冷能耗的減少，相對傳統服務(wù)器而言，高溫節能服務(wù)器具有耐高溫、低能耗、易部署等特點(diǎn)，對于機房節能也是一大功臣。

§ 高溫冰水空調：一般機房?jì)却蠖嗍菍儆陲@熱，只有很少數的潛熱，因此除濕的需求非常少，機房精密空調的入水溫度便可以從一般的7℃往上調升，在此情況下，冰水主機的制冷量增加，能效比改善，也就爭取更多空調節能的機會(huì )。

策略六：導入數據中心管理系統(DCIM)

為了協(xié)助數據中心經(jīng)營(yíng)者更有效、全面地管理數據中心，數據中心基礎設施管理系統（Date Center Infrastructure Management, DCIM）就應運而生。DCIM可通過(guò)機房鳥(niǎo)瞰圖，協(xié)助IT經(jīng)理人實(shí)時(shí)應對、事先規劃、管理可能的風(fēng)險，并減少停機時(shí)間。如前所述，個(gè)別服務(wù)器利用率低是數據中心普遍存在的問(wèn)題，DCIM可協(xié)助數據中心人員找出長(cháng)期閑置的服務(wù)器，加以重新配置，以提升效率，并準確測量數據中心資產(chǎn)及能源的使用狀況。

圖6：數據中心管理系統(DCIM)電視墻與機柜管理接口

策略七：利用純凈的再生能源

百分百純凈的能源是遙不可及的夢(mèng)想，然而還是有許多企業(yè)用的是“混搭”策略來(lái)接近此理想目標。舉例來(lái)說(shuō)，包括利用再生能源、就地發(fā)電以及遠距電網(wǎng)等等。IT巨擘如蘋(píng)果所安裝的55,000片太陽(yáng)能板、eBay在猶他州Quicksilver工廠(chǎng)利用燃料電池，以及微軟利用風(fēng)力和太陽(yáng)能。中小企業(yè)或許可以與當地公用事業(yè)合作，取得干凈的電力或再生能源，也可在新數據中心選址時(shí)，考慮設置在純凈能源公用事業(yè)的周邊地區。

三、結論

數據中心綠色節能需要發(fā)揮相當的創(chuàng )意，不應受到傳統思維的局限。業(yè)界有許多案例均顯示機房節能可以帶來(lái)許多實(shí)質(zhì)的好處，而PUE值可以作為一個(gè)能效指標的基礎，對于創(chuàng )造永續的綠色數據中心而言是非常重要的。谷歌、Facebook、蘋(píng)果及微軟等IT大廠(chǎng)，皆已投資數百萬(wàn)元進(jìn)行綠色數據中心的研發(fā)，且通過(guò)驗證提出綠色數據中心最佳解決方案，能使數據中心的PUE接近理想值。業(yè)界一致認為必須全面稽核IT基礎設施以提升數據中心的效率，同時(shí)，一般企業(yè)可以透過(guò)例行測量PUE，以及善用管理工具（如DCIM）找出并修正IT低效率的部分，減少碳排放，提高個(gè)別服務(wù)器的使用率，最終達到PUE及ROI優(yōu)化的目標。