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发布时间:2024-05-14 04:09
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时间:2024-07-26 12:58
数据中心作为经济社会运行不可或缺的关键基础设施,是公认的高耗电行业。
据前瞻产业研究院分析,过去十年间,我国数据中心整体用电量以每年超过 10% 的速度递增,其耗电量在 2020 年突破 2000 亿千瓦时,约占全社会用电量的 2.71%,2014-2020 年,数据中心耗电量占比逐年升高。数据中心供电结构中,火电占比超过 70%,会产生相对大量的温室气体和其他污染物。
PUE (Power Usage Effectiveness,电能利用效率) 是衡量数据中心能源使用效率的重要指标。PUE 越接近于 1,代表数据中心对于电能的利用越有效率。截至 2019 年年底,全国超大型数据中心平均 PUE 为 1.46,大型数据中心平均 PUE 为 1.55。这与《关于加快构建全国一体化大数据中心协同创新体系的指导意见》建议的 1.3 以下相比,尚有一段距离。
可见,限电对于数据中心产业影响挺大的。顺应碳中和发展趋势,逐步降低碳排放,是数据中心亟需做出的改变。
数据中心降碳,可双管齐下数据中心如何才能提升能源效率,为降碳做出贡献?主流的数据中心降碳举措可分为 IT 和 非 IT 基础设施两个方面。
非 IT 基础设施方面,常见的有数据中心选址靠近绿色清洁能源、尽量使用可再生能源、采用液冷技术取代风扇散热、数据中心余热回收再利用等等。这其中最为有效的不外乎在数据中心乃至公司运营范围内 100% 使用可再生能源,但这绝非易事——苹果用了 5 年时间才实现公司运营范围内 100% 可再生能源利用。
而在 IT 基础设施方面,企业可立即采用诸多举措来提升能源效率:通过分布式和虚拟化技术将“僵尸”服务器连接起来,最大程度减少 IT 设备空闲;实现服务器和存储的虚拟化与池化,从而大幅提升硬件利用率;通过采用更高能效的芯片产品,结合芯片的自适应电源管理功能来有效管理芯片用电,等等。
其中,虚拟化和超融合基础设施 (HCI) 有望引领数据中心能效的提升。虚拟化已十分普遍,超融合基础设施也在近年来逐渐成为主流。作为一种融合的、统一的 IT 基础架构,超融合包含了数据中心常见的元素:计算、存储、网络以及管理工具。超融合以软件为中心,结合 x86 或 ARM 架构的硬件替代传统架构中的专用硬件,从而解决传统架构中管理复杂、难以扩展等问题。
相比传统架构,超融合将架构由三层缩减至两层,不仅可以大幅度节省机房空间,还能进一步整合计算资源,从而提升机房能效。超融合架构自带计算虚拟化和分布式存储,取代了传统物理环境和传统虚拟环境,对数据中心降碳的影响显著。
经过通用场景下的对比计算,从传统物理环境到传统虚拟环境,仅是虚拟化这一层即可带来 20%-80% 的节能;而从传统虚拟环境进一步过渡到超融合架构,通过将分布式存储融合到计算侧,可再带来高达 31% 的能耗节省。以下为计算详情(以下为理论值,不同负载情况下物理服务器能耗会有有所不同,不同服务器也会表现不同,同时不考虑交换机等因素)。
计算虚拟化是从 IT 基础设施层面提升能效的关键。它实现了 IT 基础设施从物理架构到虚拟化的跃升,减少物理服务器的数量、增加 IT 资源的利用率,让数据中心得以使用更少的基础设施即可运行更大的工作负载。IDC 报告指出,数据中心中计算、存储、网络层虚拟化程度越高,所带来的碳影响就越小。
以 4 台物理服务器搭配 1 台存储系统的配置为例,通过用虚拟化取代原有的物理机,能实现约为 20% 到 80% 的能耗节省(取决于虚拟机部署的密度)。
传统物理环境 vs. 传统虚拟环境
(以 4 台物理服务器搭配 1 台存储系统为例)
如图所示,此场景中两种架构的最大差异在于对计算资源的利用率不同:在相同的硬件条件下,计算资源的利用率越高,能获得的节能优势就越大。虚拟化架构通过高度利用 CPU 资源(此场景预设的 CPU 超分比例为 1:4,通常属于中到重度计算需求使用),可将平均每计算核心耗能降低约 74%。
在实际使用场景中,虚拟机部署密度的不同,也会带来不同的节能效果:
高密度虚拟机场景下(1 : 20,1 台物理服务器支撑 20 台虚拟机),平均每台服务器(虚拟机)耗能为 321 W/Hr,相比物理服务器降低约 80%;
低密度虚拟机场景下(1:5,1 台物理服务器支撑 5 台虚拟机),平均每台服务器(虚拟机)耗能 1284 W/Hr,相比物理服务器降低约 20%。
若进一步将 CPU 超分比例提高,物理环境和虚拟环境的耗能差距将会更大。
存储与计算节点融合部署:再节能约 31%超融合基础设施将计算与存储服务模块融合部署在同一物理服务器(物理节点),完全舍弃了传统集中存储的需求,能够在虚拟化降低能耗的基础上,进一步为数据中心节能。
以相同的硬件配置为例(4 台物理服务器搭配 1 台存储系统),超融合架构通过去除传统集中存储硬件,可将平均每计算核心耗能再降低约 31%。
传统虚拟环境 vs. 超融合
(以 4 台物理服务器搭配 1 台存储系统为例)
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以上场景所设定的硬件配置为 4 台物理服务器搭配 1 台存储系统,若单纯增加物理服务器的数量而存储系统保持不变,则两种架构的能耗会趋于接近。不过,计算资源(物理服务器)的增加,通常意味着对存储资源(性能与容量)的需求也会随之提升,所以从实际部署的场景来看,传统虚拟化架构的计算资源增加与相应的存储资源提升,整体的能耗与超融合架构相比仍存在不小的差距。