上海宽带技术及应用工程研究中心 上海 200336
摘要：如今，人类社会的飞速发展所造成的能源危机和气候问题日趋严重，各行各业都在开展节能减排工作。随着信息通信技术的迅猛发展，人类进入了互联网时代，互联网行业所消耗电力的比重越来越大。云计算是当今互联网的主流技术，作为云计算的核心，数据中心日益增长的电力消耗问题不容小觑。因此，开展绿色数据中心节能技术研究的必要性是显而易见的。基于此，本文主要分析了数据中心机房基础设施，并进行了相关案例的分析，最后提出了提高数椐中心能效管理的措施，以供参考。
关键词：绿色数据中心；节能技术；设施；策略
引言
人类己经进入了信息时代，信息通信技术正在进行着飞跃式的发展。这种发展趋势促使网络服务提供商需要不断地更新升级它们的设备，以满足更大的信息交换速率和容量。这使得互联网的规模如雪球般越滚越大，由此带来的能耗问题也越来越突出。能耗问题逐渐成为阻碍互联网发展的一个极其关键的因素。
1数据中心机房基础设施
1.1电力供配系统
数据中心机房依靠配电房供电才能运行，核心部件包括电源分配单元PDU，非易失性电源UPS，以及自动电力切换开关ATS等。传统的配电房不论采取1条通路还是冗余通路，都是采用中央式供电方式，各个大型的电力部件牵一发而动全身，难以扩展，而且中央式UPS因为AC/DC双重转换原因能效很低。
1.2空调制冷系统
传统数据中心一般是开放式制冷，采取穿孔地砖/通气式地板，CRAC空调是关键单元，提供冷风。开放式机房存在的问题主要是冷热气流缺乏管理，再循环空气导致制冷效率下降，尤其是在机柜顶端和边缘会出现不均衡制冷。通过降低送风温度可以使热通道温度大幅下降，达到建议的服务器温度值，但这种方法非常浪费。另外，升降式地板的运维成本也很高，建设周期长。
1.3网络电信设备
数据中心另一个重要部分是电信系统。从电信通信角度来看，其布局至少包括一个主要分布区（MDA），一个或者多个水平分布区，以及一个或多个设备分布区。主要分布区是数据中心线缆基础设施的中心。计算机机房中心路由器、中心局域网（LAN）开关、中心存储区域网络（SAN）等经常位于主要分布区。主要分布区的线缆往往会在不同楼层间垂直走线。相对于主要分布区，水平分布区的电缆则用来连接某一数据中心水平区域的各个设备。整体来说，目前主流的数据中心布局体现为电力线缆、网络线缆及送风通道贯穿机房，层次化的供电、网络、制冷设备分布于机柜间，而大型供电设备和制冷机组一般都在机房外配有额外空间。提升能效降低成本是布局的关键。
2案例分析
雅虎“鸡笼”式数据中心YCC（上榜理由——最优PUE示范项目）雅虎YCC数据中心是自主设计的数据中心，被美国能源部作为示范性项目，属于大型数据中心，其PUE能效也非常高。该数据中心位于纽约州Lockport市，设计规模9MW，PUE仅1.08。相比而言Facebook的美国俄勒冈数据中心达到1.07，苹果位于北开罗来纳的数据中心为1.1，谷歌在得克萨斯的数据中心（部分风能）为1.12，这些都使用或购买可再生能源。而传统数据中心一般在2.5以上。雅虎通过5年的时间逐步摸索，采取了一系列改进措施（水冷制冷塔，室外风处理，模块化设备，通风管理等），才得到如今的极佳PUE。鸡笼式设计的最大亮点在于百叶窗能够管理进入机房的气流，此外该数据中心还利用风扇控制由穹顶排放的空气，并且调节再循环空气的温度。
3节能建设具体实施内容和先进性
3.1电信设备具有前瞻性
服务器节点的更新比较容易，而对网络设施的改造就相对困难。电信机房内的主要分布区和水平分布区都需要考虑未来数据通信量的爆发和服务器节电的拓展，否则极易造成拥堵。虽然目前以10G以太网为主流，但在大数据爆发时代，应瞄准40G和100G网络设备。
3.2服务器采取异构集群
这使得我们能够提供多样化的服务。为此设计了5类标准化的服务器节点，并建设了3大类集群：前段集群、服务器集群、后端集群。不同的集群具有不同的处理器和存储设备性能。
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3.3精准管控设备利用率
服务器的利用率严重影响数据中心的整体运营成本。利用率越高则数据中心的利润率越大。因此，我们针对服务器电源负载和电池充放电进行了优化。
3.4环境全局实时监控
采用智能配电检测单元、网络通信监测单元、电池监测模块、电力切换控制器、智能环境监测单元等，这不仅能提升服务器和网络的安全性，还能极大降低超载和温度失控等问题的发生。
3.5选择模块化设备
对于目前国际上一流数据中心设计来说，其供电设备一个主要特点是分布式和模块化。模块化预定制的供电设备便于系统扩张，安装调试方便，能避免单点错误。
3.6混合多模式制冷
多模式运行即为结合外部环境情况来实现经济高效的制冷运行。比如在冬季，直接借助室外冷空气的交换；在夏季，利用水蒸气蒸发散热；只有在极端请情况下，才利用比较耗电的压缩机主动降温。另外，降低对水资源的要求是中西部地区设计数据中心的一个关键，多模式运行能够节省水资源，每兆瓦仅需要1000m。
3.7新能源热电联产
新能源热电联产的出现，使得我们能够进一步优化综合供能。热电联产模式下的制冷机本身可以不再需要额外电力。据目前估算，回收的这部分热能生产的冷却水刚好能够满足所供服务器的制冷需求。
3.8缜密的冗余设计
缜密的冗余设计这对于提升数据中心可用性非常重要。除了一般的电力设备冗余外，其他一些关键设备也不能忽视。比如选择具有双风扇的服务器刀片，可避免因内部风扇故障而产生的致冷失效。借助冗余设计以及有效的负载平衡，往往可以避免数据中心接入层的单点错误，
规范化布局建设
关于布线等细节的规范化建设对于打造一流数据中心非常重要。这包括机柜内部的横纵走线管理，机柜顶部的横纵走线管理，标签命名方式，以及线缆的颜色标定等，并提供高精准度机房、布局、走线三维建模和物理智能运维支持，使得任何故障能实时定位和维护辅助支持，大大减缓了大数据中心运维难、排除故障不具实时性的问题。
4提高数据中心能效管理的措施
第一，实现精细化管理。可通过能耗监测系统实现对各服务器的功率、电压、电流、功率因数等参数进行采集、汇总生成报表。通过横向纵向对比，及时发现髙能耗点，使管理思想深入到可操作的细节中去，为精细化管理提供有效的支撑手段。也可通过采用智能精密配电柜和动力环境监控、软件对服务器进行集中管理，及时发现髙能耗设备并及时采取相应技术措施。
第二，建立有效的能效模型。通过建立有效的能效模型的应用，一旦发现如空调、等能耗增加，工作人员可通过技术手段进行设备的改进，实现基础设施硬件设备的节能，从而降低数据中心整体值。
第三，集成化管理。可通过现有整合电力、制冷及设备集中管理软件管理数据中心设备，并实现和公司的管理软件互相通信，互联互动，最后可实现和基础设施的集成化管理。
结束语
总而言之，供电设备、制冷设备、网络设备是目前机房建设的三大部分，一般以结构化和模块化为特点，注重容量的可扩展性和核心设备的可用性，从多方面提升供电与用电效率。前沿设计无不善用“光、风、水”来为数据中心提供环保及可持续的供电、散热、制冷。
参考文献：
[1]王浩然.绿色数据中心节能技术研究[D].电子科技大学，2014.
[2]彭成磊.云数据中心绿色节能需求的虚拟机负载均衡技术研究[D].南京大学，2016.
[3]彭和平.新一代绿色数据中心（机房）先进节能技术[J].智能建筑与智慧城市，2016，09：46-49.
注：课题编号：15DZ0501200
课题题目：模块化数据中心设计与节能评估的关键技术与共性技术标准研究。
论文作者:郑贤清,方行
论文发表刊物:《基层建设》2017年第22期
论文发表时间:2017/11/20
标签：数据中心论文; 分布区论文; 设备论文; 机房论文; 服务器论文; 互联网论文; 电力论文; 《基层建设》2017年第22期论文;