适用于高效率、高密度

适用于高效率、高密度数据中心的改进型架构第126号白皮书作者：NeilRasmussen©2008年AmericanPowerConversion。保留所有权利。未经版权所有人的书面许可，不得使用、复制、影印、发送或在任何性质的检索系统中存储本出版物的任何部分。万兆瓦时，这部分电力在IT设备供电过程中未发挥任何作用。这对于整个行业来说是巨大的经济负担，同时也会造成严重的公共环境问题。本白皮书介绍一种可立即实现的新型商用数据中心架构，以期大幅提高数据中心的电力效率。©2008年AmericanPowerConversion。保留所有权利。未经版权所有人的书面许可，不得使用、复制、影印、发送或在任何性质的检索系统中存储本出版物的任何部分。简介在典型的数据中心里，只有不到一半的电力真正用于计算机负载。一半以上的电费均用于购买电源系统、冷却系统和照明所消耗的电力。全部耗电量可分为两大部分：(1)IT负载消耗的电力；(2)支持设备消耗的电力（图1）。本白皮书论述的重点是支持设备消耗的电力，其中包括供电线路设备的损耗以及非供电线路支持设备消耗的全部电力。图1–数据中心功耗计算机设备供应商提供了一些可减少IT负载功耗的新型解决方案，如可能减少执行特定功能所需的IT设备总量的虚拟化技术。但是与此同时，IT系统在未来会以更高的单位功率消耗密度运行，其电力需求也会随时间不断变化。这使得数据中心的电源及冷却系统的电力效率不断降低（参见右框）。已有相关文献提出各种建议，希望通过提高电源及冷却系统的性能来减少数据中心的电力浪费。例如，直接在IT设备和直流配电系统上连接水管，借以增强系统效率，但这些提议现在都不可行。本白皮书介绍一种切实可行的改进型数据中心架构，在典型的安装环境中，该架构可减少50%以上的电源及冷却系统能耗。为什么高密度和变化的IT负载会降低数据中心的效率？如有“智能型”列式电源和制冷系统辅助的话，高密度和动态负载实际上有可能提高效率。但是，如果没有合里的重新设计相应的电源和制冷系统（事实上，这种情况很常见），则可造成以下典型后果：•为了解决数据中心内的热点问题，不得不提高室内制冷系统的制冷能力，从而造成制冷能力浪费•运行负载降低，电源容量和制冷能力过剩，导致整体效率降低（因为低负载意味着低电源和制冷系统的远行效率）本白皮书的后面章节会讲解因电源容量和制冷能力过剩或定向不当而造成的效率损失。IT负载消耗的电力有效电力如果将IT负载消耗的电能看作数据中心内的有用“功”，那么所有以上这些均可被认为是“浪费”。支持设备消耗的电力•供电线路损耗（=热量）•其他支持系统消耗的电力目标是降低该耗电量支持电力©2008年AmericanPowerConversion。保留所有权利。未经版权所有人的书面许可，不得使用、复制、影印、发送或在任何性质的检索系统中存储本出版物的任何部分。本文所介绍的新型架构并不仅仅是设备的物理配置或者只改进个别设备的效率，而是对整体系统的改造，其中综合了数据中心设计的各种昀佳要素：•单个设备的工程设计•配电系统•各部件间的通信与协调•制冷策略•系统规划•管理工具如果将所有这些要素组合成一个集成系统，那么性能的提升将极其可观。电力都用在了哪些地方？图2显示电能流经一个典型的2N数据中心的过程。电力以电能形式进入数据中心，但几乎所有电力（99.99%以上）均以热量形式从数据中心散发出去（其余电力则经IT设备转化为计算能力）。图2–一个典型2N数据中心的电能利用情况33%3%9%IT30%PDU5%UPS18%1%1%©2008年AmericanPowerConversion。保留所有权利。未经版权所有人的书面许可，不得使用、复制、影印、发送或在任何性质的检索系统中存储本出版物的任何部分。请注意，在本示例中，数据中心消耗的电力实际上只有约30%用来为IT负载供电（图1中称之为有效电力），其余电力均被电源、制冷及照明设备所消耗（转化为热量），（还有很小一部分电力被消防和物理安全系统所消耗，本明细表中未列出）。可以说这个数据中心的效率为30%，因为只有30%的总输入电力用于IT负载。因此，70%的输入电力未对该数据中心做任何“有用功”（即用于IT负载），数据中心效率低下（用效率模型的术语来说就是“浪费”）。要明白如何能够显著减少这种低效率状况（请牢记一点，在本模型中，所有非供电线路支持设备均视作是低效率），我们需要了解造成低效率的五大关键因素：1电源设备的效率低2制冷设备的效率低3照明系统的电力消耗4电源和冷却系统过度规划5配置因素造成的低效率虽然大多数用户都知道电源、冷却和照明设备效率低是一种浪费，但事实上，上面所列的其他各项才是造成低效率的主要因素，大多数用户还不是很清楚这一点。APC第113号白皮书数据中心的电力效率模型中对上述五大主因进行了深入分析，这里只简述其功耗特性：1电源设备的效率低UPS、变压器、转换开关和配线等设备在工作时会消耗部分电力（表现为热量）。虽然此类设备标称的效率评级很高（90%或更高），但这些效率值却有误导性，其实不能将其用于计算设备在真实安装环境中损耗的电力。当出于冗余目的成倍配置设备或设备在远远低于其额定功率的情况下运行时，效率会明显降低。而且，电源设备中这部分“浪费”能源产生的热量还必须使用冷却系统制冷，从而致使空调系统使用更多的电力。2冷却设备的效率低空气处理器、冷却器、冷却塔、冷凝器、水泵和风干冷却器等设备在执行冷却功能时会消耗部分电力（即，输入功率中会有部分以热量形式散发出去，而不是完全用于冷却的机械功）。事实上，冷却设备的效率低下（废热）通常远远高于电源设备的效率低下（废热）。当出于冗余目的成倍配置设备或设备在远远低于其额度功率运行时，效率会明显降低。因此，提高冷却设备的效率可直接增进整个系统的效率。3照明系统的电力损耗照明会消耗电力并产生热量，这些热量又必须经制冷系统冷却，并相应地增加空调系统消耗的电力，即使此时室外温度很低。如果数据中心内没有工作人员时或在数据中心的未用区域仍开启照明设备，便会产生无用的功耗。因此，提高照明系统的效率或控制照明系统仅在需要的时间及地点开启，可极大地增进整个系统的效率。造成电力效率低下的五大主因这些均会构成图1的辅助电力©2008年AmericanPowerConversion。保留所有权利。未经版权所有人的书面许可，不得使用、复制、影印、发送或在任何性质的检索系统中存储本出版物的任何部分。过度规划过度规划是造成电力浪费的昀大动因之一，但却昀难以为用户所认知和评估。当电源和冷却系统的设计值高于IT负载时，便会导致电源和冷却设备过度规划。下述因素的任意组合均可造成这种情况：•高估IT负载，并按照超大负载确定电源和冷却系统规模•IT负载分阶段部署，但却按照将来更大的负载确定电源和冷却系统规模•冷却系统设计不当，致使需采用过度规划的冷却设备才能顺利冷却IT负载从投资角度来看，显然安装过多的电源和冷却设备是一种浪费。过度规划还能极大地降低整体系统的电力效率，并导致过多的持续电力损耗，这一点却并不容易发现。电源和冷却设备过度规划导致数据中心电力效率降低的根本原因在于，负载减少时，许多电源和冷却设备的电力效率会大幅度下降。虽然某些电气设备（如电气线路）在低负载下效率更高，但大多数重要设备（如风扇、水泵、变压器和变频器）在低负载下的效率会下降（这是由“固定损耗”造成的，它在IT负载为零时依然存在）。制造商的数据表格通常只报告昀佳负载（通常为高负载）下的效率，因此很难从该表格中发现这种效率下降。有关如何量化系统过度规划对功耗造成影响的详细技术说明，请参见APC第113号白皮书数据中心的电力效率模型。5配置因素造成的低效率IT设备的物理配置会对冷却系统的能耗产生极大影响。不当的配置不但会迫使冷却系统超过IT设备的实际需要增加空气流动，还会导致冷却系统产生温度低于IT设备实际需要的空气。此外，物理配置可能会导致多种冷却设备发生“冲突”（如某台设备正在减少空气湿度，而另一台却在增加空气湿度），形成会极大降低系统效率但又难以诊断的典型情况。目前新数据中心及现有数据中心内电力密度不断增加的趋势更加剧了这些低效率情况。当前，几乎所有正在运行的数据中心都存在这些配置问题，并由此产生无谓的能源浪费。因此，对物理配置进行系统优化的架构可大大减少能源损耗。什么是DCiE?数据中心效率的标准化测量方法DCiE=DataCenterinfrastructureEfficiency（数据中心基础设施效率）DCiE即将成为数据中心整体效率的行业标准测量方法，定义为给IT负载输送的电量与进入数据中心的总电量之比。数据中心CoolingLightsFireSecurityGeneratorSwitchgear冷却设备照明消防安全发电机开关装置UPSPDUCablingUPSPDU布线至IT设备的供电线路给IT设备供电IT负载IT给IT设备供电DCiE=进入数据中心的电力进入数据中心的电力至IT设备的供电线路为其他支持设备供电为其他支持设备供电给IT设备供电负载给IT设备供电进入数据中心的电力进入数据中心的电力有关DCiE及其他数据中心效率测量方法的信息，请参见APC第157号白皮书选择用于测量数据中心效率的行业标准度量方法©2008年AmericanPowerConversion。保留所有权利。未经版权所有人的书面许可，不得使用、复制、影印、发送或在任何性质的检索系统中存储本出版物的任何部分。经过优化的数据中心架构前面的章节介绍了导致数据中心效率低下的五大因素。回顾一下这些因素，就不难发现它们是相互关联的。因此，一个有效的优化方法必须以整体看待数据中心系统—尝试优化个别低效率设备的效果极其有限。如果您仔细分析这些电力损耗（低效率）因素，就会发现基于下述原则制定集成系统可大大提高数据中心的效率：•目前用不上的电源和冷却设备不应供电•尽量减少系统过度规划的情况，以便设备能够在其效率曲线的昀佳范围内运行•电源、冷却和照明设备应采用昀新技术，以昀大限度地减少功耗•对于必须低于额定功率（以支持冗余）运行的子系统，应优化该部分负载运行时的效率，而非设备的满负载效率•应使用容量管理工具昀大限度地减少数据中心内的“闲置容量”，在所有电源和冷却系统能够承受的情况下安装尽可能多的IT设备，以期使系统在其效率曲线的昀高点1附近运行•昀佳的一体式物理配置应来源于数据中心系统，而不与其所安装的房间的特征相关。例如：行间冷却应与IT机柜一起考虑，而与机房冷却无关•系统应配备监控装置，以便在出现不良功耗时显示和预警，方便工作人员迅速解决问题•系统应包含安装和运行工具及规则，以昀大限度地提高运行效率，并尽可能减少或消除导致不佳配置或安装的可能性1有关闲置容量的更多信息，请参见APC第150号白皮书数据中心的电源和冷却能力管理新架构的设计原则这些指导系统的实施©2008年AmericanPowerConversion。保留所有权利。未经版权所有人的书面许可，不得使用、复制、影印、发送或在任何性质的检索系统中存储本出版物的任何部分。显示了符合上述原则的商用集成式数据中心系统。图3–高效率集成式数据中心系统图3中的数据中心系统的功耗较传统设计降低了40%，图4对减少的损耗进行了详细分类。配备本地显示监控装置，并通过网络与中央管理系统连接IT机架IT机架IT机架IT机架IT机架IT机架©2008年AmericanPowerConversion。保留所有权利。未经版权所有人的书面许可，不得使用、复制、影印、发送或在任何性质的检索系统中存储本出版物的任何部分。