绿色运算—IT 对节约能源的响应

绿色运算的迫切性

众所周知，能源是地球上有限资源。人类生产力的不断发展，使人类的生活不断提高，但同时也在加速耗尽地球的能源储备。能源的急剧消耗也带来污染等环境问题，能源的消耗往往伴随产生二氧化碳，大量二氧化碳排放形成地球的温室效应，全球气候变暖开始给人类带来种种难题。人类一方面需要寻找新的、环保能源以外，另一方面要提高能源的使用效率，节约能源多办事。

数据中心作为一个用电单位，也需要响应提高能源使用效率的号召。而事实上，由于硬件的计算能力不断提升，计算密度不断增大，数据中心在用电和冷却方面的能耗已经引起了人们的高度重视：

两三年前，数据中心一个机柜的用电功率通常在 2千瓦，而产生每平方英尺 40瓦的散热；而在当今的高密度运算环境下，一个机柜的用电功率在 10千、15千、甚至是 25千瓦，散热在每平方英尺 350瓦至 500瓦。计算设备对用电和冷却要求的提高很容易超出数据中心原来的设计能力。

计算设备消耗大量的电能，维持数据中心的冷却也要使用大量的电能。数据中心能源消耗不断增大。近年来能源成本不断升高，电费在数据中心的整体拥有成本中所占的比例不断增加，提高数据中心能源效率所带来的成本节省可以是非常明显的。

数据中心已经从单纯追求运算能力，变成追求运算能力和能源效率并重的绿色运算了。

绿色运算的含义

如下图所示，一个数据中心的整体用电可以分为三大部份：IT 设备用电、冷却用电和其它用电，而 IT 设备用电则还要通过 UPS（不间断电源）、PDU（电源分送单元）、开关和电缆等设施。

绿色运算的含义便在于：

尽量减少数据中心的整体用电量。
尽量增大数据中心整体用电中用于 IT 系统比例。
尽量减少用于非计算设备（电源转换、冷却等）的用电消耗。

提高数据中心能源效率的方法

IBM建议采用 6个方法提高数据中心的能源效率：

引进刀片式架构—— 使用刀片服务器取代传统台式或机架式设备。
选择节能服务器—— 使用采纳能源高效设计和部件的系统。把单位能源消耗下的计算性能作为选择系统的一个重要指标。
精确计算用电功率—— 使用用电管理软件精确计算用电功率和智能化控制系统用电。
虚拟化—— 通过虚拟化合并物理服务器，并提高服务器使用率。
考虑水冷——采用风冷与水冷相结合的冷却方案可大大降低冷却成本。
提高机房设施整体能源效率—— 通过专业的机房评估、测量、设计和建设服务提高数据中心的整体能源效率

引进刀片式架构

刀片式系统的设计思想在于简化 IT 基础架构，提高物理资源的利用率：

多个刀片服务器使用同一机箱，与相同配置、相同数量的机架式服务器相比，可节省多至 50% 的空间。

多个刀片服务器共用冗余电源和冗余送风设施，与机架式服务器相比较，电源转换和输送上的损耗、送风部件的耗电摊分到多个刀片服务器上，整体的能源效率提高可达 44%。

局域网交换机模块和SAN交换机模块集成到刀片服务器中心（机箱），多个刀片服务器共用机箱内集成的、冗余的 I/O 连接设施，刀片服务器与外部网络和存储网络的连接被大大简化，外部网络交换机和存储网络交换机的数量也得以减少，进一步节省能源消耗。

选择节能服务器

服务器内部有多个部件在消耗能源：CPU、内存、硬盘、主板、电源和风扇等等。其中单个部件所占总体耗电比例最大的是 CPU，多达 30%。近年 CPU 的生产厂商都致力提高 CPU 的能源效率，不再单一追求性能，最明显的一个改变就是通过多核技术而非通过提高时钟频率提升性能。CPU 也逐渐融入了其它节能的功能，如根据工作负荷自动调整时钟频率和功耗的智能。

基于 x 86 架构的服务器，各厂商采用相同的 CPU，节能水平的差异就体现在服务器的其它部份了：电源和风扇，这两个部份占总体耗电的比例可达 40% 以上。

以刀片服务器为例，IBM 的刀片中心采用先进的校准矢量冷却技术（Calibrated Vector Cooling），以少量的送风部件便可满足整体冷却要求，减少活动部件便可减少功耗和提高可靠性。

另外 IBM 刀片中心采用数量较少而能效最高电源部件，交流转直流的效率可达 91%，远远高于市场上的普通电源（交流转直流的效率在 65%~ 75% 之间）。交流转直流的损耗实际上是转化为散热，电源的高能效一方面节约的耗电，另一方面减少了散热，进一步数据中心整体的散热能耗。

IBM 刀片中心是市场上同类产品的“节能标兵”。

精确计算用电功率

通常来说，UPS 等供电设施在工作负荷越高时损耗比例越低，能源效率越高。所以精确地计算设备的用电功率，配以适当容量的供电设施，可以提高数据中心的能源效率。

目前，数据中的供电通常以计算设备额定标称的用电功率来做计划。而厂家确定的额定标称用电功率是在设备满配功耗的基础再加以一定的预留量制定，实际使用中的功耗往往与额定标称有相当大的距离。如果可以对实际功耗进行准确的监测记录，就能更精确的计算数据中心的用电功率。

IBM 的 PowerExecutive 软件可以很好地解决这个问题。PowerExecutive 是 IBM Director 的一个插件，通过 IBM Director 平台与 IBM 各种服务器通讯，实现数据和命令的传送。IBM 服务器的不同部位安装了感应器，用电和温度的数据可以随时准确地送给 PowerExective。需要强调的是，在服务器一端，数据收集、与 PowerExecutive 通讯和执行 PowerExecutive 命令的功能是由 IBM 服务器的微码实现的，在服务器上不需额外安装软件，也与操作系统无关，这一点是在业界领先的。

PowerExecutive 除了可以对服务器各部份的用电和温度进行实时监控，提供最准确的用电数据外。还有其它智能控制服务器用电的功能。其中一个功能是“封顶”（Capping），可以对服务器的用电功率进行封顶，即可以通过控制服务器的性能而达到保证用电功率不超过封顶值的效果。有了这个功能，数据中心就可以放心地按照服务器封顶值配置供电设施，也可以在不增加当前供电设施容量的情况下，安全地安装更多的计算设备。

PowerExecutive 对服务器用电的智能控制功能还在不断地丰富，支持的硬件平台也在不断增加，在未来，必定成为控制数据中心用电的上佳工具。

虚拟化

虚拟化方案是用小量高端物理服务器内的逻辑分区替代大量低端的物理服务器，虚拟化的其中一个作用就是提高物理服务器的使用率。实际使用的统计表明，大部份 Window/x 86 服务器的平均使用率只在 8 ~ 10% 左右，而通过虚拟化，在提供相同性能的前提下，物理服务器的平均使用率可达到 70% 以上。可见虚拟化可以大大减少物理设备的数量，整体能耗也能显著地降低。

IBM 在服务器虚拟化领域，一直处于领先的地位。System p 通过 Advanced POWER Virtualization，System x 通过与 VMware 的战略联盟，为广大客户提供业界最为完善和先进的虚拟化方案。

考虑水冷

近年来，退出数据中心已经十年的机房水冷方案又重新得到数据中心的青睐。其根本原因就是冷却成本，水冷与风冷配合可以显著降低数据中心冷却的整体用电，在实际应用中可达到冷却方面用电成本减半的效果。

IBM 的 Cool Blue Rear Door Heat eXchanger（RDHX，背门热交换器）就是一个容易实施、有效的机柜水冷产品。RDHX 是一个 5 公分厚的机柜门板，面板是内通冷水的滤网，以 RDHX 取代原有的机柜背门，并与建筑物的冷水循环系统相结合，机柜内设备散出来的热风经过 RDHX 的热交换得到冷却，数据中心对空调的要求会大大降低，冷却所需的耗电也大大减少。

另外，RDHX 也是用于解决数据中心局部热电的有效和经济的方案。

提高机房设施整体能源效率

数据中心的用电和冷却其实是很复杂的问题，需要考虑的方面很多，如：机柜的布置、空调的布置、气流的控制、供电设施的选用等等。要提高数据中心的整体能源效率，常常没有一个单一的方案，而什么方案才是最经济、最有效，更不是一个有简单答案的问题。对数据中心的专业评估、设计和建造服务可以带来最佳的节能效果，往往达到最好的成本控制。

IBM 数据中心和智能化集成服务（IBM Site and Facilities Services）从 1986 开始实践，设计和建设了超过 3千万平方英尺架高地板的机房；拥有机械和电力方面的工程师、空间布置专家和项目经理，大部份有超过20年的从业经验；并且可以调动产品方面的专家和研发方面的资源，可以提供客户机房和IT环境的实施、整合和自动化方面的专业知识和技能，帮助客户创建优化的、可靠的和高效的基础设施，支持业务的发展。

总结

IBM 作为全球最大的 IT 系统和服务供应商，一直积极响应社会对节约能源和保护环境的号召，倡导和参与 IT 行业各种节约能源和保护环境的运动和实践，在提高数据中心能源效率方面上有大量人力和物力的投入。IBM 能从 IT 产品、冷却方案、专业的数据中心设计和建设服务上向广大客户提供全面的解决方案，实为广大客户实现绿色运算的最佳合作伙伴。