环保计算

构建环保数据中心

Dave Ohara

概览:

• 能源监视系统
• 环保数据中心的主要特征
• H.R. 的努力
• 入门最佳实践

“环保”是当今的热门话题，这一概念影响了人们考虑数据中心的方式。全球各地的公司都在通过购买硬件和服务来

节约能源和降低成本。但是，关于如何采取行动控制能源消耗的指南却很少。在过去，与空间成本一样，电力一直被视为间接成本。然而，随着能源消耗以及可靠性、供应和生产能力等相关问题的日益显现，电力需要有自己特定的策略。

几乎每个行业领域的日常最佳实践都包含有关优化性能和降低成本的项目。那么为什么不以同样的方式来处理能源消耗呢？

作为 IT 专业人员，我们中有很多人负责确定如何配置和设置服务器、组织购买设备的规格以及升级和构建数据中心的要求。我们甚至在应用程序开发过程中提供早期设计投入。谈到这些项目，我们显然拥有优化和影响任何数据中心能源效率的绝佳机会。

任何策略最开始都是了解当前的能源使用情况。您需要了解在数据中心中能源都用在了何处、由哪些特定设备使用以及哪些是有效使用，哪些是浪费。遗憾的是，很难找到适当的能源消耗计量方法来细化使用情况以便人们看到实施后的效果。大多数组织通常只会查看将消耗降到了底线的每月总能源消耗累计帐单。这对于如何节约能源没有多大帮助，因为个人看不到他们的决策产生的影响，他们也无法证明自己做出的更改实际上节约了能源。

考虑环保数据中心计划时，人们面临的一个首要问题是他们在执行方面是否得到了支持。在本文中，我假定“没有”获得支持。执行支持要求郑重承诺主动为计划提供资源和预算。尽管对环保数据中心的讨论已经很多，但实际上在执行方面通常仍缺少真正的支持。如果您在执行上确实已经得到了支持，那么现在就可以着手准备运行环保数据中心了。

即便假设您尚未得到所需的支持，您仍然可以采取很多行动以推进环保数据中心计划。那么如何确定实现目标可采取的操作呢？幸运的是，能源效率已经不是新概念，IT 专业人员可以从其他行业得到很多启示。

能源消耗概述

在撰写本主题时，我遇到的最大难题之一是了解不同来源提供的数字出现巨大差异的涵义。有些研究表明，数据中心的电力消耗占美国电力消耗的 1.2％ 到 2.0％。有些则认为，如果将数据中心本身作为一个行业来看待，美国数据中心在能源使用方面属于前 5 位的行业。同时，电力消耗在美国企业数据中心运营成本中所占的比例高达 15％ 到 20％。

美国节能经济委员会劳伦斯伯克力国家实验室的一项研究表明，数据中心与传统的办公大楼相比，前者的能源消耗是后者的 40 倍。该研究从设施角度详细介绍了如何提高能源效率（请参见 eetd.lbl.gov/emills/PUBS/PDF/ACEEE-datacenters.pdf）。最好先确定您的数据中心会在多大程度上使用此研究提出的最佳实践。

毫无疑问，关于电源消耗的观点、研究和数据相当多。然而，经常研究的一个课题依然是大量能源浪费。想一下，为了以最少的成本获得最多的资源购买了多少服务器，这就意味着在预算范围内购买尽量多的 CPU 能力、内存、存储器和冗余电源。这些服务器中有很多在过去 3 到 5 年内的平均使用率只有 10％ 到 15％。尽管人们通常只关注 CPU，但实际上其他组件也消耗着不少能源，内存、磁盘、网络接口都是重要的电源消耗因素，它们合起来会超过 CPU 的电源消耗。

同时，过多的硬件容量（从处理器到冗余电源设备）都可能导致重大浪费。考虑到大多数 IT 部门的风险规避策略，通常要准备额外容量。最安全的决策是准备额外的硬件容量，即使从财务方面考虑可能不是最佳办法。尽管能源是一个重要因素，但是在计算生命周期成本时却往往被忽略。遗憾的是，并不存在购买有效解决方案的促进因素，因为在部署之后没有提供给决策制定者的成本效益分析。

然而，有一个折衷的办法。如果高级主管意识到实际使用的数据中心硬件资源是多么少，并开始将服务器合并作为降低成本的办法，则实际上走上了另一个极端。相对于部署后合并服务器，提前适当地确定服务器规模更为简单。

随着 IT 行业日趋成熟，通过降低成本进行优化成为头等大事。能源消耗是一个指标，高级主管可将其用于衡量有关 IT 硬件生命周期决策的有效性。AMD、Intel、服务器及其组件 OEM 都提供其平台的每瓦特性能。每瓦特性能数可用于通过逆向公式计算操作成本：每性能单位消耗的瓦特数。对于从事开发 IT 解决方案（设施、应用程序开发、架构、实施和业务部门方面）的人员，每瓦特性能回答了“我得到了什么收益”的问题，这样就可以了解各解决方案在能源效率方面的差异。

为什么通常会忽略影响运营成本和设施成本的能源消耗以及决策呢？您看到有多少数据中心由于能源和散热限制而达到极限容量？曾有一段时间，为数据中心提供充足的物理空间是个问题。然而，现在问题在于您是否有足够的容量对设备进行供电和散热，以及多长时间内容量会不足。

能源监视系统的重要性

很难计算准确的能源消耗。在上文中我已提到大多数公司将能源消耗作为一个整体累计，而不是在特定部门之间细化能源消耗。这种将能源视为整体费用的方法会导致大家认为能源成本不属于业务部门的控制范围。然而，这种观点是错误的。

数据中心每平方英尺使用的能源是普通办公环境的数十倍，因此，在数据中心，即使效率改进特别小，也可以节约大量能源。毫无疑问，成本节省是数据中心实施能源节约计划的主要原因。问题在于最大程度上降低成本的方法通常是减少能源耗损，而数据中心操作的每月设施成本是整体累计计算的。然后，成本会基于物理位置和/或端口连接分为几组，这种方法对于细化运行某个数据中心设备所产生的真正成本没有多大帮助。

组织很难找到计算单个数据中心设备实际能源使用率的计量解决方案，主要是因为安装能源计量和报告系统需要很多的前期投入。然而，对此类系统的投入会大大降低以后的成本。

当然，监视系统的能源本身是远远不够的，您还需要规划如何使用收集的数据更好地管理能源消耗，并最终看到投资收益。以加拿大公司 Abitibi Consolidated 为例，该公司是最大的新闻纸和印刷用纸生产商。在 2001 年，由于将对安大略解除电力市场管制，Abitibi Consolidated 面临着市场价格和电力提供方面的波动。为了优化其能源购买，公司实施了监视和计量系统。由于公司通过更有效地购买能源节省了 1％ 的能源，新系统的投入在几个月的时间内就收回了成本。

需要节省多少能源对于数据中心计划能源监视功能升级才算合理呢？Microsoft 的 Windows Server® 2008 开发总经理 Bill Laing 在最近的一次采访中说，启用了默认节能功能的新 Windows Server 版本对能源消耗减少了 20％，这是一项重大节约。（图 1 显示了 Windows Server 2008 beta 3 中的一些电源选项。）请注意，尽管如此，也不能将节约直接计算为消耗电源成本的减少，因为其中还涉及很多其他因素，如构建新数据中心的成本以及当前支持更少的有效配置的其他系统的数量。

图 1** Windows Server 2008 beta 3 中的电源选项 **(单击该图像获得较大视图)

现在，您可以选择 Windows Server 2003 SP1 中的“服务器平衡处理器电源和性能”选项。但是，如果没有适当的计量系统，则不能确定节约的数量或有利于和支持此更改的任何其他因素。

还应该注意，对于很多数据中心，电源消耗在 24 小时之内通常只浮动 4％，这表明电源消耗与负载无关。硬件供应商最近进行了革新，对于新设备此结果有所不同，在负载较轻的情况下，消耗的电量也会随之减少。

定义环保数据中心

如果要列出环保数据中心的标准和特性，可能要占用几页的篇幅。当然，在本文中，我无法做到面面俱到，但是我想重点介绍一些主要的特征，如果您对实施环保数据中心很感兴趣，则应记住这些特征。即使现在只处于规划阶段，您也可以根据此列表确定您的数据中心的当前立足点：

1. 使用计量器将能源使用情况细化到组件级别（如 2U 服务器、4U 服务器、开关、SAN 和 UPS）并确定由哪些业务部门承担这些组件使用的电量的费用。
2. 不断对能源使用情况进行监视，以确定最高和最低能源要求。
3. 将在整个数据中心级别对能源容量的监视一直细化到各个流程，以确保所有流程都在可接受的范围内。
4. 记录能源节省计划，并给予相应的奖励。
5. 定期检查能源节省计划，并采取相应的更正措施解决出现的故障。
6. 确定业务部门如何回收成本有利于约束行为，鼓励在独立的业务部门内实施能源节省。必须在执行级别强调这一点。
7. 在服务器上启用 CPU 限制，并由性能试验确定在各种负载下消耗的电量。
8. 温度曲线测试技术用于确定热点和散热情况。
9. IT 性能工程包括能源效率测量。
10. 将实时数据反馈给各个组织，以便采取相应的措施。（California ISO 尽可能向网站用户提供实时数据，如图 2 所示。）

图 2** California ISO 网站提供的实时快照，其中包括当前需求和客户当前请求的节能级别 **(单击该图像获得较大视图)

您拥有的上述特征越多，您成功运行高级能源监视系统的可能性越大。我提供了一个记分卡（请参见图 3），您可以思考一下其中的八个问题，了解您的数据中心当前所属的级别：初级、中级还是高级。

Figure 3 您的数据中心环保程度如何？

仅仅知道是不够的

您面临的另一个问题是组织内的标准化。进行我在本文中所述的更改（即测量能源范例的更改，以及需要组织内的各业务部门参与的更改）需要多个数据中心（它们为广泛的 IT 组服务）的设施组保持一致。此类组织问题是影响成功实施能源节约计划的主要障碍。

确保有专门的个人或小组负责监视数据中心的能源消耗情况很重要。此监视中心（大多数公司在能源监视方面都有所欠缺）很关键。还应确保相关工具按照统一方式从不同设施收集数据，并按照一致的方式将结果报告给业务部门（图 4 显示了报告数据的示例仪表板）。

图 4** 全局数据监视仪表板示例（经 OSIsoft 许可） **(单击该图像获得较大视图)

如果不使用正确的设备，您将无法了解操作是否真正有效 — 各业务单位也无法了解其努力是否有结果。如果确实要更改相关人员的行为，您需要为用户提供有关历史数据趋势的实时信息，以便他们看到其行动所造成的结果。如果每个业务单位都使用不同的系统，却使用一组不同的工具和不同的测量来报告其成功，您将无法有效奖励在能源效率方面取得成就的组。

行业行动

在力求公司更加环保的过程中，您不会感到孤单。其他市场中的领导者 — 从公司（如 Boeing 和 Toyota）到政府机构（如加利福尼亚州）— 在使其操作和产品提高能源效率方面都在进行谨慎投资。

对于 IT 领域，2006 年美国众议院通过了一项议案 H.R. 5646（现在是公法第 109-431 条），号召环境保护署 (EPA) 调查服务器和数据中心的能源消耗和电源消耗以及对开发能源效率更高的系统的潜在影响。由 ENERGY STAR（EPA 计划）开展的研究反映了美国计算机服务器和数据中心在能源消耗方面的近期增长，评估了与计算机服务器和数据中心能源效率改进相关的潜在费用和能源节省，并评定了提高能源效率的计算机服务器和数据中心的潜在诱因和自愿计划。研究的最终结果已于 2007 年 8 月提供给议会。energystar.gov 上提供了有关此项研究的更多信息。

环保建筑的新建筑标准也正在制定。这些标准要求根据目的和能源消耗对电路进行每小时子测量功能等标准，构建将能源消耗数据传输给仪表数据管理系统的仪表，仪表数据管理系统存储数据并创建用户报告，以显示针对每个仪表计算出的每小时、每天、每月和每年的能源消耗量。如果您注册的能源节省计划要求您证明更改已发挥作用（例如，可更新的能源资产、碳资产和能源节约计划），必須具备上述许多标准才能实现一致的系统）。

某些用户已要求进行规范测试，但要表示其使用范围相当困难。目前正在尝试进行一些标准化测试，但是这些测试与大多数其他性能测试一样，可用于优化“已知”结果，而这些结果并不代表着实际使用情况。以每加仑行驶的英里数 (MPG) 为例。EPA 评估估计了典型司机在典型城市和高速公路条件下每加仑应行驶的英里数。但是，大多数司机和开车环境与典型情况并不一致，而且影响燃油效率的因素也可以发生明显变化。这种情况同样适用于数据中心的能源节省。只有在自己的环境中测量能源节省，才能获得组织的准确结果。

在哪些方面实现节省？

确定节省需要考虑许多因素。您知道在给定区域添加更多能源的成本吗？是否制定了最大程度降低能源限制的策略？是否可以通过找到能源比较便宜的数据中心来解决问题？或者是否应重点改善现有设施中的操作？

对于某些公司，缩减成本的最好方法可能是将数据中心重新定位到电力来源较便宜的区域。减少能源消耗的另一方法是采用服务器虚拟化。事实上，某些电力公司（例如，PG&E、SoCal Edison 和 SDG&E）正在为进行服务器虚拟化项目的客户提供财政支持，这些项目将减少服务器设备。

但是，您可以采取更简单、更缓和的步骤。大多数 IT 部门目前并不知道其系统消耗了多少能源，这意味着在节能方面有相当大的潜力可以挖掘。第一步可以先查看与个人设备相关的能源消耗，然后查看是否可以在每台设备上进行更改。许多小的更改综合起来，就可以实现明显的节省。

例如，在一个典型的家庭中，主人不知道家中每台设备的能源消耗量，而只是每月支付总电费。您可以使用简单而便宜的设备（如 Kill A Watt）来测量单个设备的能源消耗。微波炉在不使用时，保持通电状态需要消耗多少能源？用手机充电器充电会消耗多少能源？使用这种方法，可将电力仪表添加到机架并收集各种设备的数据。可使用管理工具从具有能源消耗 SNMP 陷阱的某些服务器中直接收集数据。

入门

图 5 简要介绍了在实施计划中应采用的最佳实践。在此阶段，一定要明白您并不仅限于从两个极端中进行选择。您可以选择更折衷的方法，它可能更具现实意义。从基层的每个人做起，确定贵公司中热衷于能源节省的这些人。开始测量某个业务部门中的一些设备以提供可见性。获取一些要素并显示可量化的结果有助于您获得所需的回馈，以扩大公司在提倡环保方面的投资。

Figure 5 成功实施能源节省计划的关键

贵公司中有哪些人可以推动能源效率？他们是高级主管、中层管理人员还是只关心公司对环境所造成的影响的个人？每个公司都有充满热情的人。您先要决定是否尝试群策群力的方法并从开始就让这些人参与进来。

最后，无论您选择哪个方向，为数据中心规划能源效率计划都需要各 IT 小组之间的协作。到目前为止，规划 IT 解决方案的典型方法忽略了设计阶段初期的能源消耗，侧重于要购买的硬件和软件以及此解决方案的劳动力和承办成本。当在数据中心运行解决方案的开销中包含能源时，能源效率处于低优先级。公开解决方案实际消耗的电量是更改组织行为的首要步骤。

Dave Ohara在技术方面已有 26 年的工作经验，曾任职于 Microsoft、Apple 和 Hewlett-Packard 等公司。在产品开发、销售、技术推广、基础体系结构、过程设计、可靠性设计和分发物流方面，Dave 积累了丰富的经验，现在负责为多家公司实施环保计划。

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