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一、背景描述
随着社會信息化水平的快速發展，政府、經濟及社會領域的各個行業對信息系統的依賴程度越來越高，信息産業的能耗越來越高。同時，近年來，計算設備和資源數量仍在持續快速增長以滿足雲計算、大數據等新興技術發展需要，計算能耗以及IT産業對環境的影響問題日益突顯，以數據中心爲例，其每年用電量可占到全社會用電量的1.8%左右，能源消耗巨大。 因此，提升數據中心綠色發展水平，加快技術産品創新和應用，走高效、清潔、集約、循環的綠色發展道路，實現數據中心持續健康發展顯得尤爲必要。本文主要從綠色計算在數據中心的應用及其節能效果展開。 二、綠色計算的定義 早期對于綠色計算的研究主要是從功耗問題開始的，關于綠色計算完整的研究與分析，迄今文獻還比較少，目前仍然沒有公認的定義。綠色的含義可分爲三層，即能源和資源的節約，能源和資源的高效利用與循環利用，對人和環境的友好，即低碳與無害。計算可理解爲終端設備、計算機、服務器和相關子系統。所以，綠色計算的内涵可以具體有以下三層：采用高效, 節能和低功耗的計算設備和配套設施；在保證信息服務可靠性的前提下, 合理分配計算資源；保障可持續發展的低成本, 低能耗的新型系統與應用。 綠色計算的主要載體是終端設備、計算機、服務器和相關子系統數據中心機櫃、配電單元及制冷系統。綠色計算的目的是優化計算資源的設計、建設、使用及回收過程，消除計算機系統對環境的不利影響，實現節能、環保和節約的目的。綠色計算的手段主要爲計算機軟件優化，計算機硬件優化制冷方案優化，空間布局優化及回收與循環利用。 三、綠色計算的研究對象 綠色計算的研究對象廣泛，我們對研究綠色計算的相關文獻進行梳理，提取關鍵詞，制作與綠色計算有關的知識圖譜，發現目前研究綠色計算的學術資料中，大部分主要針對數據中心、雲計算、和服務器，關于這三者的研究占據綠色計算相關研究的70%。另有少部分将研究重點放在CPU、GPU、算法調度和能耗優化上，除此之外，還包括了資源管理、空間利用，二氧化碳、噪聲、輻射等。 圖1 綠色計算的研究對象 四、綠色計算在數據中心的應用及節能效果淺析 本文從IT系統、供配電系統、空調系統、以及數據中心整體架構四個層面分析了計算過程中的節能技術，包含動态電壓頻率調整技術、基于GPU加速的異構計算技術、液冷服務器技術、整機櫃服務器技術、市電直供+UPS/HVDC 高可靠節能供電技術、熱管背闆冷卻技術、氟泵空調技術。并對以上關鍵技術進行逐一分析。 1、動态電壓頻率調整 對于芯片的功耗，降低供電電壓是最有效的方法，但是降低電壓時，電路的翻轉速度将會降低，這意味着系統必須以較低的時鍾頻率運行，但是單純的降低工作頻率并不能降低能量消耗。因爲對于一個給定任務，頻率和時間的乘積爲定值，因此就出現了同時降低供電電壓與時鍾頻率的方法降低功耗，這就是DVFS（動态電壓頻率調整）技術。 DVFS系統主要流程爲： 采集與系統負載有關的信号，計算當前的系統負載。 根據系統的當前負載，預測系統在下一時間段需要的性能。 将預測的性能轉換成需要的頻率，從而調整芯片的時鍾設置。 根據新的頻率計算相應的電壓。通知電源管理模塊調整給CPU的電壓。對于應用處理器來說,需要可靠的電壓-頻率的對應關系；升頻率時先升電壓，降頻率時後降電壓。 目前，DVFS技術已經被主流處理器廠商推出的主流處理器支持。例如：英特爾推出的Speedstep和EIST技術；AMD推出PowerNow技術和Cool&Quiet模式。 2、異構計算技術 計算單元可以分成：通用計算單元（CPU），專用計算單元（GPU/DSP）等，由一個或若幹個通用計算單元加一個或若幹個專用計算單元構建的系統就是異構計算系統，由兩者協同起來共同執行通用計算任務就是異構計算，目前在PC上最常見的組合就是CPU+GPU。CPU擅長處理不規則數據結構和不可預測的存取模式，計算通用性強，計算複雜度高，但計算性能一般。 GPU擅于處理規則數據結構和可預測存取模式，如圖形處理計算，更适用于計算強度高、多并行的計算。異構計算APU的設計理念則正是讓CPU和GPU完美合作，達到整體性能的最佳化，讓CPU的更多資源用于緩存，GPU更多資源用于數據計算。CPU+GPU 平台是目前較成熟的異構平台，除此之外還有CPU+MIC、CPU+FPGA等異構計算技術，目前英特爾、IBM都在進行異構計算開發，facebook、微軟和百度等企業也通過異構計算來提升計算性能。 3、液冷服務器技術 液冷技術，顧名思義，與空氣冷卻相對立的，指的是将高比熱容的液體作爲傳輸介質，液體傳熱冷卻技術。液冷技術由于成本問題，主要應用于高性能計算領域。目前常見的液冷服務器主要有三種，沉浸式液冷服務器、冷闆式液冷服務器、噴淋式液冷服務器。 沉浸式服務器，簡單說，就是将服務器主闆完全浸泡在冷卻液之中，通過冷卻液的外部循環，将熱量帶走；冷闆式液冷通過嵌入服務器主闆上的冷卻闆，冷卻液流經冷卻闆後，循環将熱量帶走；噴淋式液冷服務器多安裝在整個機架上，自上而下，直接将冷卻液噴淋在服務器主闆上，反複循環，達到冷卻的效果。 目前，生産液冷服務器的主要廠商有中科曙光，華爲，聯想，惠普，思科，3M，富士通等。據調研，液冷技術可以減少2/3容量的空調機設備投入，傳統風冷空調的高能耗的問題，可以通過液冷服務器得到有效解決。 4、整機櫃服務器技術 整機櫃服務器，顧名思義，就是将原有機架+機器分離的架構進行融合，打包成爲一個獨立的産品，以一個整機櫃爲最小顆粒度進行交付的服務器。其主要結構在于将原先單個服務器的電源和風扇整合爲一體。 整機櫃服務器優勢主要體現在三個方面： 首先在散熱方面，單機配置獨立風扇進行散熱。單台機器一般配置6個系統風扇來保障散熱，48台服務器所需要的風扇數量将達到288個，通過集中散熱，将每個服務器節點的散熱風扇移除，整合成一個散熱風扇牆，布局在整個機櫃的後部，48個節點僅需18個風扇，數量減少93%以上，散熱功耗降低25%以上。 其次在電源方面，以單機作爲服務器的最小組成單元，考慮系統的供電冗餘，需要配置雙電源模塊以支撐。按照48台傳統機架服務器來計算，需要96個電源模塊來實現雙路供電，供電配置過高造成電源負載率過低，使得電源轉換效率僅能達到85%左右，集中供電，單個機櫃僅需8個2400W電源模塊，即可滿足48節點的供電，轉換效率高達94%，減少90%的電源數量，供電系統效率提升9%。 在次在空間利用方面，一個42U的标準機架，考慮交換機，散熱等必要外設，一般配置16台1U服務器一個42U的整機櫃服務器，最低可保證32個節點部署密度，最多可布置80個節點，空間利用率提升1-2倍。 目前，國内從事整機櫃服務器開發項目主要有浪潮信息，整機櫃服務器的标準化參數也是BAT主導的中國信通院深度參與的天蠍項目的重要組成部分。 5、市電直供+UPS/HVDC供電技術 幾十年來，爲解決數據中心内IT設備的供電間斷和供電波動等電能質量問題，數據中心一直采用UPS+後備電池方案，這種方式在世界範圍内得到了廣泛而成熟的應用。但實際項目中通常會根據不同可用性的需求，大量采用N+1或2N系統配置，因冗餘度較高而導緻實際負載率較低，直接導緻了實際系統效率僅約80%-90%。近年來，由于市電穩定性提升，市電+ups或市電+hvdc可以匹配雙路UPS的可靠性水平，但效率可以大大提升。 目前部分數據中心運營商開始嘗試采用1路市電+1路（AC）UPS同時供電的方案。随着HVDC的逐步成熟，部分用戶也開始嘗試采用1路市電+1路HVDC同時供電的方案。這個方式将成爲未來的發展趨勢。 6、背闆空調制冷技術 背闆空調是由冷卻盤管、提供冷源的制冷機組和冷卻水系統三部分組成。機房冷空氣在機櫃内部設備風扇的作用下，被吸入機櫃并對設備進行降溫，吸熱後的空氣流向安裝在機櫃背部的冷卻盤管，熱空氣與冷卻盤管進行熱交換，将熱量傳遞給換熱器内的制冷劑，溫度降低後的冷空氣從背闆吹出，完成機房空氣循環。首先背闆空調的冷卻盤管更貼近熱源，機櫃内設備排風口的溫度更高，提高冷熱溫差，強化傳熱。其次避免了局部熱點。背闆空調由于緊挨着機櫃，安裝在每個機櫃的背面，一對一冷卻設備，直接對局部熱點進行降溫，達到消除局部熱點的目的。第三背闆空調占用空間小，不需要放置空調，也取消架空地闆節省數據中心内部的空間。 7、氟泵雙循環空調系統技術 所謂的氟泵雙循環空調系統，是采用智能雙循環設計，在冬季或過渡季室外溫度較低時，利用制冷劑泵（氟泵）對制冷劑進行室外循環換熱，充分利用室外自然冷源；在夏季或過渡季室外溫度較高時，采用壓縮機對制冷劑進行壓縮循環換熱；此種智能雙循環設計能夠在全年一定時間内不必開啓壓縮機制冷，大大降低空調能耗，也稱之爲智能雙循環氟泵節能空調，依據其特點，簡稱爲“氟泵空調”，在同一套制冷系統中實現壓縮機制冷、泵系統制冷以及壓縮機和泵混合制冷三套循環系統。雙冷源空調在北京地區的全年能效比AEER爲7.37；普通空調運行壓縮機的全年能效比AEER爲3.91；AEER計算滿負荷運行全年節約約46.9%，節能效果明顯。 五、小結 随着工信部相繼出台《信息通信産業節能減排工作指導意見》《加強綠色數據中心建設的指導意見》《工業綠色發展規劃》，綠色計算技術目前在國内新建的數據中心已開始部分或批量應用，目前數據中心在互聯網企業和第三方IDC企業的帶動下，PUE已可以達到1.5左右的水準，我國的綠色數據中心發展趨勢呈現出定制化、模塊化、虛拟化的發展趨勢；新建的數據中心以超大型爲主，逐步向高功率密度、低PUE發展。
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