大型資料中心現地測試
機房節能措施TOP 10

何謂能源邏輯  

簡單地說，能源邏輯是採用順序方法降低資料中心能耗，並推薦按照節能效果的順序執行，採用10大最佳節能措施。雖然順序很重要，但能源邏輯並不意味著只有上一步執行完後再執行下一步。能源邏輯中的節能措施應該被認為是一種指導。  

隨著低效率設備逐漸被高效率設備所取代，這些具備節能特性的新設備能夠為資料中心能耗優化打下紮實基礎。特別是對於利用率波動很大的資料中心，能源管理軟體在節能降耗方面能發揮重大作用，是能源優化策略的重要組成部分。  

能源邏輯方法的第一步是建議採用低功耗微處理器和高效率電源，並建議在IT設備採購中強化節省能耗的導向。只要處理器節省1瓦，資料中心便能節省總耗電量的2.84瓦。

▲在級聯效應下，伺服器元件每節省1瓦功率可降低設施內2.48瓦的功耗。

十種節能措施

採用低功耗處理器

由於處理器並沒有類似美國交通部針對汽車制訂的燃油效率標準，所以採用了熱量設計功耗（TDP）來衡量處理器消耗的功耗。目前典型的處理器TDP介於80瓦到103瓦之間（平均為91瓦）。由於溢價的原因，處理器製造商往往提供比標準處理器功耗低上30瓦的低電壓版本。

▲英特爾和AMD公司提供各類低功率處理器，平均可節省功率27瓦～28瓦。

根據獨立研究機構研究顯示，這些低功耗處理器具有高功耗處理器等同的性能。在本文的5,000平方呎的資料中心模型中，採用低功耗處理器可使資料中心總體功耗減少10%。

▲獨立研究機構研究顯示，這些低功耗微處理器具有和高功耗微處理器同樣的性能。

提高伺服器電源效率

一項真實的情況是，目前正被使用的伺服器電源，其運行效率比市面上新的伺服器電源效率要來得低。EPA估計2005年所安裝的伺服器電源平均效率大約為72%。因此，在這項實驗中，我們大膽假設了優化前的資料中心伺服器電源效率為79%。這個數據是綜合考慮了典型的資料中心4∼5年數種伺服器之後，各時期伺服器電源效率的平均後得出的。

如今，一流的伺服器電源效率可以達到90%。使用這些電源，可以使資料中心模型功耗減少約124千瓦，也就是優化前總能耗（1127千瓦）的11%。

與資料中心的其他系統一樣，伺服器電源的效率隨負載變化而有不同。在特定負荷狀況時，部分伺服器電源的效率會比其他電源模組高，而這一點對於雙電源設備尤其重要，尤其是在雙電源設備電源負荷小於30%時，更為明顯。

下圖顯示了雙電源模組在不同負載下的電源效率。在20%的負荷下，模型A的效率大約是88%，而模型B的效率卻只有82%。這張圖也顯示提高效率的另一個途徑：電源容量的選取應該接近實際負荷。

由圖中可以注意到伺服器電源的最大配置是額定值的80%而典型配置情況只有額定值的67%。伺服器製造商應該允許採購者針對一般的狀況或最大配置來選取電源容量。

▲電源供應器的效率因負載的不同而不同，而電源供應器的負載經常必須超過最大伺服器配置。

啟動能源管理功能

通常，資料中心的流量很少按照峰值條件來選取。一般而言，商業資料中心日常需求，會從上午5點到11點逐漸增加，然後在下午5點之後開始回落。

▲一般狀況下，企業資料中心的每日使用情況。

當伺服器負荷減少，伺服器的功耗仍然偏高。即使在空閒模式下，大多數伺服器仍然消耗70%到85%的滿載功率。由此便可推論出一個結果，即使只運行了20%工作容量的設備，也可能會消耗100%容量下所需的能源的80%。

傳統上，伺服器內建的能源管理功能，可以協助處理器在空閒狀態時減少功耗。由於考慮到回應時間，這些功能往往被禁止，但這項功能其實可以大量節約能源，因此讀者在停用能源管理功能之前，應該再重新評估。

▲工作在20%容量的設備可能會消耗同一設備工作在100%容量下所需能源的80%。

這項實驗也得出了一個數據，假設伺服器在沒有啟動能源管理功能的情況下，空閒狀態消耗的功率是80%的滿載功率，啟動後，能源管理功能讓功耗減少到45%的滿載功率。換句話說，能源管理功能可以為企業節省86千瓦的功耗，也就是優化前資料中心總能耗的8%。

採用刀鋒伺服器

企業部署刀鋒伺服器的目的是為了滿足資料處理需求，並且改善伺服器管理。雖然採用刀鋒伺服器的驅動力不是來自於節能考量，但刀鋒服務器在降低功耗方面起了重要作用。刀鋒伺服器可比同等機櫃伺服器減少消耗10%的功率，原因是多個刀鋒會共用同一電源、冷卻風扇和其他元件，而使得電力需求降低。

實驗中更發現，當20%的機架櫃伺服器被替換成刀鋒伺服器後，總能耗降低1%。另一方面，由於刀鋒伺服器促進高密度資料中心架構的發展，從而節約大量的能源。

導入伺服器虛擬化技術

隨著伺服器技術優化，虛擬化技術應用也越來越廣泛，因而有效地增加伺服器的利用率並且大量減少伺服器的數量。

假設資料中心內有25%的伺服器被虛擬化，且1個虛擬伺服器可取代8個傳統伺服器。虛擬伺服器可應用於單處理器和雙處理器，而虛擬應用主機則至少具有兩個處理器。在這樣的條件下，採用虛擬化技術使5000平方呎內的資料中心功率消耗減少8%。

找出最佳冷卻方法

大多數的資料中心已經採用一些「最佳方法」，例如按照熱通道／冷通道分開的機架佈局、改善地板密封、在機架空位上安裝假面板以避免熱空氣和冷空氣混合等。IT人員不妨參考ASHRAE所發表關於最佳製冷方法的文章，這些文章提供了許多節能方法可以做為改善的技巧。

要優化資料中心氣流方向，建議可採用計算流體動力學工具（CFD）來找出冷卻效率低落的原因。包括Emerson Network Power在內的許多機構都能提供機房CFD圖像，該圖像是資料中心評估服務的一部分，目的是提高冷卻效率。

▲CFD圖像可以用來評估製冷效率和優化氣流組織。該圖像顯示由於設備位置不恰當，熱空氣通過再迴圈被回送到CRAC。

要提醒的是，若溫度低於20℃，冷通道的溫度可能會上升。冷凍水溫度可從7.2℃上升到10℃。在這次實驗中，通過採用最佳冷卻方法，冷卻系統的效率提高了5% 。這樣，不需要投資新技術就可把設施總能耗降低1%。

調整交流配電

關鍵電源系統提供了降低能耗的另一個機會。然而，在採用之前，必須以維持設備可用度為前提才行。大多數資料中心會使用一種雙變換結構的UPS。這類系統的運作模式是把輸入的市電轉換成直流電，再由直流電逆轉變成受控的交流電。這種做法的目的是讓UPS所提供的電能是可靠的而且純淨的，適合IT設備運用，另一方面也能有效地隔離IT設備和市電。

但並不是所有的UPS都需要轉換電能，目前市面上也有不對輸入市電進行變換的UPS系統（例如線上互動或離線式UPS系統），而且更有效率。因為這兩種UPS沒有完整的雙變換的過程，因此也不會產生相對應的功率損耗。但這類系統可能在設備保護方面有所欠缺，因為系統沒有完全控制和隔離市電。

整體而言，UPS也成了節能的一個環結。原則上，資料中心所採用的UPS大多提供了480伏特的電，一旦通過變壓器降壓，最後輸入配電系統的電能只有208伏特，明顯地在過程中有功率損耗。讀者不妨把通過UPS輸出電能變換成415伏特來消除該降壓損耗。（譯者註：此處UPS系統供電制式為美國供電制式，和台灣制式有所不同） 在415V三相電源系統中提供240V單相電源，可直接提供給伺服器。該電壓不但消除了降壓損耗，還提高了伺服器電源效率。伺服器器和其他IT設備可以毫無問題地接受240伏特AC單相交流輸入。而台灣現有供電制式，則有380V三相電源系統提供220V單相電源提供給伺服器，以減少降壓損耗。

▲415V配電提供比採用208V電源更具效率的替代方案。通過使用415V交流配電可將設施總能耗降低2%。

可變冷卻容量

資料中心系統容量是依據峰值負荷選取的，而實際上峰值負荷很少出現。因此，實際運行效率往往低於滿載負荷的運行效率。不妨採用一些新技術，例如數位式以及變頻驅動技術等等，應用在電腦機房空調（CRACs）時，可以允許其在部分負荷下仍可保持高效率。

數位渦轉壓縮機能允許在不開關壓縮機的情況下，使機房空調的容量完全和機房實際條件匹配。一般情況下，CRAC風機恆速運行並產生恆定氣流。若把這些風機更換成變頻驅動風機，則可以允許風機轉速和功耗隨著負荷減少而降低。

風機功率直接和風機轉速的立方成正比，這樣風機轉速降低20%，可使風機的功耗降低50%。建議企業可以對CRAC進行升級改造，這項投資往往在一年內便可收回。在本分析中使用的水冷式空調系統，並採用變頻技術，可以讓資料中心總能耗降低4%。

高密度輔助冷卻

在保持IT設備安全以及環境控制方面，傳統的機房冷卻系統是有效的。然而，由於以前一台機櫃約可放六台伺服器，對於冷卻效能要求不高，而現今一台機櫃可容納64組刀鋒，熱度增加至12KW以上。

優化資料中心能源效率則需要把傳統資料中心能量密度（2～3KW／每個機櫃）提升到可支持的更高能量密度（超出12KW）。這需要要求傳統CRAC設備和輔助製冷設備協同工作，協同解決高熱密度條件下的冷卻問題。輔助冷卻設備安裝在設備機架上方或旁邊，直接從熱通道抽取熱空氣，並向冷通道補充冷空氣。

輔助冷卻設備和傳統冷卻方法相比，可減少30%的冷卻成本。這是因為輔助冷卻設備的冷卻源更接近發熱源，風機的能耗因此大為降低。同時，它們也採用了效率更高的熱交換器，並只對顯熱負荷進行冷卻，這對於只產生顯熱的電子設備冷卻是理想的選擇。

冷媒通過頂部管道系統被送到輔助冷卻模組，該管道一旦被安裝好，可允許用戶根據環境的變化來增加冷卻模組或重新放置冷卻模組。若將20個機架（每個機架的密度為12千瓦）採用高密度輔助致冷，而剩餘40機架（密度為3.2千瓦）則由傳統機房製冷系統致冷。這樣可使資料中心總能耗降低6%。隨著設施變化並且更多機架變成高密度機架，會節約更多能源。

實施監控和優化

設備密度上升的其中一個後果是使資料中心狀況變得多樣化。在資料中心，機架熱密度很少會一致，若不採用監控和優化措施，冷卻效率有可能會降低。例如在場地一側的機房冷卻設備可能會根據所在位置的情況加濕，而在另一側的設備會除濕。

冷卻控制系統可以監控資料中心內的狀況，並協調多個設備的運行，從而加強冷卻單元之間的合作並能避免衝突。在這次的實驗中，由於採用了系統級的監控和控制，約莫節省1%的總能耗。

▲系統級控制減少在資料中心內不同區域運行的機房空調設備之間的衝突。

結論

資料中心管理者和設計者、IT設備製造商和設施供應商必須緊密配合，從而能夠真正優化資料中心效率。對於資料中心管理者，可以採取很多措施來降低能耗，並釋放空間和電源和冷卻容量以支援業務增長。

節能應該從鼓勵使用高效率IT技術開始，特別是低功耗微處理器和高效率電源。這將使資料中心能夠應用更高效率的技術，這種應用本身也是設備正常更新的一部分。

取決於資料中心利用率，應該在適當的應用中考慮使用能源管理軟體，因為與其他技術相比，它的應用可節約大量能源。IT合併專案也在資料中心優化中有著重要作用。刀鋒伺服器和虛擬化技術都可節約能源並支援高密度環境，從而推動資料中心進行真正的優化。

能源邏輯優化策略的最後一步專注於基礎設施系統，綜合採用最佳措施方法和高效率技術以提高電源和冷卻系統的效率。這些策略在Emerson Network Power開發的5000平方呎的資料中心模組中，可減少52%的能耗，同時消除了增長瓶頸。