1 前言
自從計(jì)算機(jī)和互聯(lián)網(wǎng)出現(xiàn)以后,人類邁入信息化時(shí)代,在信息社會(huì)中,計(jì)算機(jī)系統(tǒng)逐步嵌入到生活和生產(chǎn)的每一個(gè)角落,大到探索深空的宇宙飛船、小到家庭中的電烤箱,都裝備有計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)芯片(SoC,System on Chip),尤其是伴隨著近年興起的云計(jì)算概念,CPU及計(jì)算能力已儼然變成像生活中的水和空氣一樣普遍存在的資源。
過去,計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)中心只是為科研、軍事等部門配備的專用設(shè)施,現(xiàn)在數(shù)據(jù)中心已經(jīng)成為普通大眾生活需求的一部分,隨著數(shù)據(jù)中心數(shù)量和規(guī)模急劇膨脹,能源消耗問題越來越突出,巨大的耗電量成為數(shù)據(jù)中心進(jìn)一步發(fā)展的“攔路虎”。
當(dāng)個(gè)人或家庭使用一、兩臺(tái)計(jì)算機(jī)時(shí),使用者也許并未將這100-200瓦的功耗當(dāng)作是什么大的問題.但是,當(dāng)數(shù)據(jù)中心集中了成千上萬臺(tái)計(jì)算機(jī)服務(wù)器,24小時(shí)、365天運(yùn)行,其耗電量就是一個(gè)巨大的數(shù)字.據(jù)測算,一臺(tái)服務(wù)器平均功耗為200瓦時(shí),一個(gè)集中十萬臺(tái)服務(wù)器的數(shù)據(jù)中心年耗電達(dá)到1.752億千瓦時(shí)(度電),再加上與之相當(dāng)?shù)膹?qiáng)制降溫所耗電量,年耗電總量達(dá)到3.893億千瓦時(shí),按國家規(guī)定的噸鋼可比能耗進(jìn)行折算,每生產(chǎn)10萬噸鋼鐵的用電量為1.9億千瓦時(shí),就是說,運(yùn)行十萬臺(tái)服務(wù)器的用電量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過生產(chǎn)10萬噸鋼鐵的能耗,數(shù)據(jù)中心因而“榮登”高能耗單位、節(jié)能減排重點(diǎn)名單。
預(yù)測2011年美國的數(shù)據(jù)中心消耗了1000億度電,占全美總耗電量的2.5%,另據(jù)Gartner統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù),2011年我國數(shù)據(jù)中心總耗電量達(dá)700億千瓦時(shí),已經(jīng)占到全社會(huì)用電量的1.5%,相當(dāng)于天津市全年的總用電量,國內(nèi)超大規(guī)模的電信級(jí)數(shù)據(jù)中心已經(jīng)超過億元的電纜門檻,常年巨額的電費(fèi)超過了一次性的基礎(chǔ)設(shè)施投入。
破解數(shù)據(jù)中心巨大耗電量難題,是計(jì)算技術(shù)、甚至信息社會(huì)進(jìn)一步發(fā)展的重大問題,在工業(yè)和信息化部以及國家發(fā)改委的指導(dǎo)下,由云計(jì)算發(fā)展與政策論壇牽頭編制的《數(shù)據(jù)中心能效測評(píng)指南》,定義了數(shù)據(jù)中心電能利用效率(PUE)、局部PUE(pPUE)、制冷/供電負(fù)載系數(shù)(CLF/PLF)和可再生能源利用率(RER)等四個(gè)能效關(guān)鍵指標(biāo)[2],希望以此引導(dǎo)綠色數(shù)據(jù)中心的建設(shè).
本文從CPU、服務(wù)器、配電系統(tǒng)三個(gè)方面入手,對數(shù)據(jù)中心的耗電根源進(jìn)行了條分縷析,提出了四項(xiàng)技術(shù)創(chuàng)新組合的整體解決方案,以此來徹底解決數(shù)據(jù)中心高能耗難題,在此基礎(chǔ)上研發(fā)云計(jì)算專用芯片、微服務(wù)器、配電系統(tǒng)全套關(guān)鍵技術(shù),建立了中國第一個(gè)以太陽能為主供電源、微服務(wù)器集群架構(gòu)、全高壓直流配電、異種電源雙回路不間斷服務(wù)器專用電源模塊為整體解決方案的綠色數(shù)據(jù)中心,四項(xiàng)技術(shù)環(huán)環(huán)相扣,完美契合,節(jié)能效果和采用綠色能源比例等指標(biāo)達(dá)到國際先進(jìn)水平。
2 技術(shù)組合
數(shù)據(jù)中心耗電量集中在IT設(shè)備和降溫空調(diào)用電,IT設(shè)備主要是服務(wù)器機(jī)群,兩者相加的耗電量占數(shù)據(jù)中心總耗電量的75%以上,服務(wù)器機(jī)群是數(shù)據(jù)中心的核心業(yè)務(wù)資源或服務(wù)對象,服務(wù)器機(jī)群耗電也是數(shù)據(jù)中心耗電量的根源,服務(wù)器在消耗巨大電能產(chǎn)生強(qiáng)大的計(jì)算能力的同時(shí),電能最終以熱量形式散發(fā)出來,使得強(qiáng)制降溫成為必然,帶出了數(shù)量級(jí)相同的空調(diào)降溫用電,兩者疊加,再加上機(jī)房其他設(shè)備電能損耗,構(gòu)成了數(shù)據(jù)中心的總耗電量,PUE(Power Usage Effectiveness)值是國際通行的衡量數(shù)據(jù)中心用電效果的指標(biāo),PUE值是數(shù)據(jù)中心總耗電量與IT設(shè)備耗量電量的比值,PUE值越小,表明用電效果越高,越集中用到IT設(shè)備上,國家發(fā)改委等組織的“云計(jì)算示范工程”也要求示范工程建設(shè)的數(shù)據(jù)中心PUE要達(dá)到1.5以下,而當(dāng)下絕大多數(shù)的數(shù)據(jù)中心PUE值在1.7至2.0間。
業(yè)界提出、嘗試過一些減少數(shù)據(jù)中心耗電量的解決方案,比如空調(diào)下送風(fēng)降溫方案、集裝箱密封降溫的高密度數(shù)據(jù)中心方案、甚至還有提議把數(shù)據(jù)中心建在南極和北極讓冰山來自然、無電降溫等等,他們的目標(biāo)都是減少降溫用電,提高PUE值。
但PUE值只是反映IT設(shè)備用電量的比值,并沒有指出直接降低IT設(shè)備本身用電量的問題,而降低服務(wù)器機(jī)群的用電量,才是降低降溫用電量、降低機(jī)房總體用電量的根本之策。
同時(shí),也只有在降低服務(wù)器機(jī)群用電量、降低數(shù)據(jù)中心用電總量的前提下,才有可能把可再生能源的應(yīng)用比例提高到一個(gè)有意義的水平,因?yàn)樵偕茉?如風(fēng)能、太陽能的單位面積發(fā)電量有限,假若以常規(guī)服務(wù)器現(xiàn)有的用電量來全部改用采用再生能源供電,發(fā)電面積與服務(wù)器安裝所占面積的比例太大,將是一個(gè)不切實(shí)際的空想,只有降低服務(wù)器機(jī)群用電量,使得再生能源發(fā)電面積與服務(wù)器安裝所占面積下降到一個(gè)合適的比例,采用再生能源才會(huì)達(dá)到經(jīng)濟(jì)上、工程實(shí)施上的可行性,而不只是把再生能源作為一個(gè)點(diǎn)綴。
本文的技術(shù)方案組合是:
1)采用微服務(wù)器集群降低服務(wù)器機(jī)群的用電量絕對值;2)采用機(jī)房樓頂或鄰近空地的太陽能發(fā)電作為數(shù)據(jù)中心主供電源;3)高壓直流供配電系統(tǒng)減少供配電系統(tǒng)中多次交直流變換造成損耗;4)針對性設(shè)計(jì)的服務(wù)器電源模塊,使上述三個(gè)措施能充分發(fā)揮作用。
2.1 微服務(wù)器技術(shù)
服務(wù)器主板的功耗集中在CPU芯片,降低CPU芯片功耗,就可以有效降低服務(wù)器耗電量,進(jìn)而減少降溫空調(diào)的耗電、減少供配電系統(tǒng)中的成比例電損,達(dá)到大幅度降低數(shù)據(jù)中心的整體用電量的效果,CPU芯片的降耗,是數(shù)據(jù)中心整體降耗的關(guān)鍵,芯片級(jí)每降低IW的功耗,由此而帶來的電源轉(zhuǎn)換、配電系統(tǒng)、UPS、制冷系統(tǒng)和變壓器等一系列設(shè)備的功耗降低,將會(huì)達(dá)到2.68-2.84W.這都說明了芯片級(jí)的節(jié)能降耗是實(shí)現(xiàn)綠色節(jié)能的首要措施。
CPU芯片是服務(wù)器、數(shù)據(jù)中心計(jì)算能力、數(shù)據(jù)處理能力的動(dòng)力來源,在以往,人們在設(shè)計(jì)CPU芯片時(shí),只是單一追求CPU芯片運(yùn)算速度的提高,提高CPU主頻是提高CPU運(yùn)算速度的絕對性指標(biāo),而現(xiàn)在需要均衡考慮速度性能和功耗,追求單位功耗下計(jì)算能力的提高,而不是單一的計(jì)算能力提高,這樣就出現(xiàn)了兩條技術(shù)路線的比較。
其一是提高CPU主頻以提高服務(wù)器計(jì)算能力.為服務(wù)器安裝更高主頻、更高復(fù)雜度的CPU,以提高服務(wù)器的計(jì)算能力,這條路線會(huì)不斷增加CPU指令執(zhí)行的流水線級(jí)數(shù)、指令發(fā)射數(shù)、減少芯片中晶體管和金屬走線寬度、增加CPU數(shù)據(jù)總線的寬度等等,這些復(fù)雜、極致的設(shè)計(jì),就是為了提升CPU的工作時(shí)鐘(主頻),但它的結(jié)果是使CPU的功耗呈指數(shù)增加,它遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了CPU計(jì)算能力增加的速度,兩者的增加極度不平衡。
其二是增加CPU數(shù)量以提高計(jì)算能力,為服務(wù)器安裝數(shù)量更多的CPU、或使CPU芯片增加更多CPU內(nèi)核,來提高服務(wù)器、服務(wù)器集群的計(jì)算能力,這條路線采用的CPU往往是較低復(fù)雜度、較低主頻,例如流水線級(jí)數(shù)較少,CPU數(shù)據(jù)總線寬度較小等等,這些都顯著降低了CPU電路的復(fù)雜度,使其運(yùn)行在較低的主頻以下,它的結(jié)果是使服務(wù)器或服務(wù)器集群的計(jì)算能力隨CPU數(shù)量的增加而線性增加,功耗也是線性增加,兩者的增加速度均衡發(fā)展。
下面對此作更深入的分析,為清晰起見,本文假設(shè)兩種技術(shù)路線下CPU設(shè)計(jì)都為單核,同時(shí)忽略不同CPU架構(gòu)下的指令執(zhí)行效率。
1)提高CPU主頻來提高計(jì)算能力
CPU芯片的計(jì)算能力與IPC(Instruction per Clock),即每時(shí)鐘指令執(zhí)行數(shù)、CPU 主頻的關(guān)系可以用式
(1)表示:CP = IPC * f (1)
CP(Computing Performance)表示CPU 的計(jì)算能力,IPC表示一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)所執(zhí)行的指令數(shù),IPC 越高,CPU電路越復(fù)雜,本文用Cs 來表示CPU 電路的規(guī)模復(fù)雜度,它可以直觀地反映為CPU 電路的邏輯門單元電路數(shù)量規(guī)模,CPU 內(nèi)部總線寬度增加也會(huì)增加CPU 電路的復(fù)雜度,f 是CPU 的工作時(shí)鐘頻,即常說的主頻。
再來研究CPU 的功耗,參考CMOS 電路的能耗模型,CPU 功耗與CPU 工作電壓V、CPU 電路規(guī)模復(fù)雜度Cs、CPU 的主頻f 之間關(guān)系可以用式(2)表示:
Pcpu=Cs * V * V * f (2)
Pcpu是CPU的功耗,它正比于CPU電路的邏輯門數(shù)量,即正比于Cs,電路負(fù)載,Pcpu 正比于CPU 工作電壓的二次方,正比于CPU 主頻f,在同工藝、同設(shè)計(jì)下,要提高CPU 主頻f 也需要同步提高V,使得式(2)可以再寫為:
Pcpu=Cs * V(f) * V(f) * f (3)
Pcpu正比于f的三次方關(guān)系,其實(shí),要提高CPU的主頻f,設(shè)計(jì)復(fù)雜度提高,Cs也是f的因變量,綜合式(1)和(3),得出CP、Pcpu和f關(guān)系示意圖,如圖1(1)。
2)增加CPU數(shù)量來提高計(jì)算能力
CPU集群計(jì)算能力的提高,是以增加群內(nèi)CPU數(shù)量為主,CPU集群的計(jì)算能力表示為:
CPs = K * Mcpu * f (4)
CPs表示CPU集群的計(jì)算能力,K是一個(gè)調(diào)整系數(shù),代表CPU集群的調(diào)度效率,Mcpu表示CPU的數(shù)量,K受Mcpu影響,而K和Mcpu與f間是獨(dú)立變量,由式(4)可見,CPs與f間只是一次方關(guān)系,即線性關(guān)系。
考察CPU集群數(shù)量與功耗的關(guān)系,CPU群的功耗是單一CPU功耗與CPU數(shù)量的乘積,如式(5)示:
Pcluster=Pcpu* Mcpu (5)
Pcluster是CPU群的功耗,Pcpu是單一CPU的功耗,Pcluster與Mcpu成線性關(guān)系,綜合式(4)和式(5)得到Pcluster、Pcpu和Mcpu關(guān)系示意圖,如圖1(2)所示。
圖1 計(jì)算能力、功耗和主頻、CPU 數(shù)量的關(guān)系
要達(dá)到同等計(jì)算能力,可以通過提高CPU主頻的方法,也可以通過增加CPU數(shù)量的方法,通過上述分析可知,提高主頻會(huì)使能耗呈指數(shù)增加,而增加CPU數(shù)量只使能耗呈線性增加,所以,如果能在滿足應(yīng)用的前提下,盡量采用增加CPU數(shù)量的辦法,可以十分有效地降低服務(wù)器的能耗。
CPU追求高主頻,會(huì)增加指令執(zhí)行的流水線級(jí)(如Intel的CPU流水線已經(jīng)超過了30級(jí)),會(huì)增加CPU電路設(shè)計(jì)的規(guī)模復(fù)雜度和需要驅(qū)動(dòng)的負(fù)載數(shù)(式2中的Cs項(xiàng)),從而帶來功耗的增加;CPU提高計(jì)算速度還會(huì)加寬內(nèi)部總線寬度,這也會(huì)導(dǎo)致CPU電路的復(fù)雜度和功耗的增加;CPU電路為提高主頻,采用的線寬已經(jīng)接近物理極限,漏電流明顯增加,也帶來了電能損耗,這些都反映了繼續(xù)沿用提高主頻、增加總線寬度、減少芯片線寬,來提高計(jì)算能力的舊路已經(jīng)不適合當(dāng)展的發(fā)展要求,走到盡頭。
本文可以得出結(jié)論:根據(jù)面向的不同應(yīng)用領(lǐng)域,合理選擇CPU的主頻、總線寬度、CPU集群數(shù)量,并配合軟件的算法優(yōu)化,是提高單位功耗計(jì)算能力的正確方法。
服務(wù)器機(jī)群的應(yīng)用方面可以分為數(shù)據(jù)優(yōu)先和計(jì)算優(yōu)先兩類,以降低總體功耗、提高單位功耗計(jì)算能力為導(dǎo)向,總結(jié)出數(shù)據(jù)優(yōu)先應(yīng)用的服務(wù)器CPU芯片頂層設(shè)計(jì)規(guī)范:
1)控制主頻在1GHZ以下,因?yàn)樵谀壳靶酒谱骷夹g(shù)條件下,1GHZ以上主頻的CPU芯片在工藝、能耗和成本會(huì)出現(xiàn)階躍,工藝以90納米為界.
2)CPU總線采用32位,可以滿足大部數(shù)據(jù)優(yōu)先的應(yīng)用.
3)CPU芯片SOC化,減少對外設(shè)接口的支持,減少直至取消外圍配套芯片,增強(qiáng)對網(wǎng)絡(luò)通訊的支持。
4)采用多核、多線程計(jì)算,適當(dāng)控制流水線級(jí)數(shù)。
5)對于數(shù)據(jù)優(yōu)先應(yīng)用,或一些專門的算法應(yīng)用,不涉及浮點(diǎn)計(jì)算的應(yīng)用環(huán)境,取消浮點(diǎn)部件。
依此規(guī)范設(shè)計(jì)出來的CPU芯片,稱為“云計(jì)算節(jié)點(diǎn)專用CPU芯片”,使用這種專用芯片設(shè)計(jì)出來的微計(jì)算節(jié)點(diǎn)電路模塊,除啟動(dòng)FLASH芯片、內(nèi)存芯片外,幾乎沒有任何多余的外圍芯片和電路模塊,功耗控制在最低水平,體積也很小,多個(gè)微計(jì)算節(jié)點(diǎn)模塊,配合電源模塊、數(shù)據(jù)交換模塊,組裝出來的服務(wù)器,稱為“微服務(wù)器(Micro-Server)”,大量微服務(wù)器組成集群,可以取代數(shù)據(jù)中心大部分?jǐn)?shù)據(jù)優(yōu)先應(yīng)用的常規(guī)服務(wù)器,是實(shí)現(xiàn)大幅度降低數(shù)據(jù)中心總耗電量的首要和基礎(chǔ)步驟。
依照上述理論指導(dǎo),用0.65GHZ主頻、32位MIPS架構(gòu)的CPU組成微計(jì)算節(jié)點(diǎn),功耗為50瓦,比較對象為2.9GHZ主頻、64位雙核、X86架構(gòu)CPU的HP服務(wù)器(IntelG850),其主板功耗大于200瓦,兩者均采用網(wǎng)絡(luò)磁盤為數(shù)據(jù)儲(chǔ)存方式,以LoadRunner為加壓測試工具,測試結(jié)果如圖2所示,縱坐標(biāo)表示每秒點(diǎn)擊數(shù),橫坐標(biāo)表示加壓數(shù)。
圖2 每秒點(diǎn)擊率對比圖
為反映不同架構(gòu)微計(jì)算節(jié)點(diǎn)的綠色性能指標(biāo),本文定義了一個(gè)綠色度量單位GGPW,它把1GB內(nèi)存、1GHZ主頻、1W功耗作為一個(gè)GGPW單位,用于比較不同架構(gòu)、不同配置的CPU單位功耗計(jì)算能力參數(shù).例如:一個(gè)CPU芯片含2個(gè)內(nèi)核,主頻為1GHZ,內(nèi)存為2GB,功耗8W,那么它的GGPW值為:
2*1GHZ*2GB/8W=0.5GGPW,GGPW值越大,表示微計(jì)算節(jié)點(diǎn)的綠色計(jì)算能力越高,這個(gè)指標(biāo)是一個(gè)簡化模型,雖然在反映計(jì)算能力上欠精確,但在比較不同架構(gòu)CPU的單位功耗計(jì)算能力時(shí)簡單、實(shí)用.
由于微服務(wù)器的超低功耗特性,原來數(shù)據(jù)中心必須的24小時(shí)機(jī)房空調(diào)強(qiáng)制降溫,變?yōu)榱似胀ㄞk公環(huán)境的空調(diào)使用,微服務(wù)器降低能耗、進(jìn)而減少空調(diào)用電,僅這兩條結(jié)合在一起,數(shù)據(jù)中心的用電量可減少到原來的25%。
2.2 太陽能主供電源技術(shù)
由太陽光輻射產(chǎn)生的能量稱太陽能,太陽輻射到地球大氣層的能量僅為其總輻射能量的22億份之一,但已高達(dá)173太瓦(TW)[6],地球上的風(fēng)能、水能、海洋能和生物能,都源于太陽能,即使是化石燃料(如煤、石油、天然氣等),也是遠(yuǎn)古保存下來的太陽能,所以說,太陽能是地球上最清潔、最永續(xù)不滅的能源,在可再生能源中開發(fā)、研究得最為廣泛。
但太陽能發(fā)電在當(dāng)前存在兩個(gè)問題,一是單位面積發(fā)出的電量不高;二是時(shí)間上不均勻,不論并網(wǎng)輸送,還是離網(wǎng)應(yīng)用,都需要加裝蓄能設(shè)備,提高了發(fā)電成本,所以,太陽能給計(jì)算機(jī)供電時(shí),只能小規(guī)模應(yīng)用,或作臨時(shí)備份手段使用。
由于采用微服務(wù)器作為數(shù)據(jù)中心的服務(wù)器設(shè)備,功耗得到了大幅度的降低,使得太陽能作為數(shù)據(jù)中心的主供電源成為了可能,而且不需要占用太大的發(fā)電場地,可充分利用機(jī)房樓頂、鄰近空地等,取得經(jīng)濟(jì)和工程上的可行性,同時(shí),絕大部分?jǐn)?shù)據(jù)中心都使用蓄電池作UPS的主要蓄能裝備,本設(shè)計(jì)可以巧妙地把它們轉(zhuǎn)作為太陽能發(fā)電的蓄能用途,太陽能光伏產(chǎn)生的是直流電,給蓄電池充電時(shí)不需要整流,減少了部分整流損耗。
為反映微服務(wù)器集群構(gòu)成的數(shù)據(jù)中心,采用太陽能為主供電源的可行性,本文定義了一個(gè)太陽能面積比的指標(biāo)GSSR:GSSR=太陽能發(fā)電場面積/服務(wù)器機(jī)房面積,即在正常陽光照射條件下,可以完全滿足單位面積安裝的服務(wù)器全天使用所需要太陽能發(fā)電場面積,例如,一個(gè)500平方米機(jī)房中所有的服務(wù)器,24小時(shí)正常運(yùn)行所需要的電量可以由4000平方米的太陽能光伏發(fā)電場在接受(每天)5小時(shí)陽光照后提供,不需要其它外供電源,那么,GSSR=4000平方米太陽能發(fā)電場面積/500平方米服務(wù)器機(jī)房面積=8.0,此時(shí),可再生能源利用率接近當(dāng)?shù)厝耆照仗鞌?shù)比率,是最佳的綠色數(shù)據(jù)中心。
當(dāng)陽光照射的有效時(shí)間少于設(shè)計(jì)值時(shí),如陰天、冬季等,可以啟動(dòng)交流電(市電或柴油電)補(bǔ)充,交流電“降格”成為后備電源。
2.3 高壓直流供電技術(shù)
目前的數(shù)據(jù)中心供電以交流電為主,三相四線AC380V為標(biāo)準(zhǔn)供電電源,經(jīng)UPS模組,整流出直流電為蓄電池浮充電,蓄電池(直流電)再逆變?yōu)锳C220V交流電給服務(wù)器機(jī)房配電,經(jīng)服務(wù)器內(nèi)部的電源模塊又轉(zhuǎn)換成低壓直流使用,AC-DC、DC-AC、AC-DC三次變換,損耗率在20%左右。
本文在設(shè)計(jì)微服務(wù)器時(shí),采用兼容高壓直流輸入和高壓交流輸入的電源模塊,使得太陽能光伏發(fā)電DC240V、蓄電池儲(chǔ)能DC240V、服務(wù)器電源輸入DC240V,到服務(wù)器主板是低壓直流,整個(gè)供電、配電、變換過程都是直流電、僅一次DC-DC變換,損耗在10%以下,采用DC240V標(biāo)準(zhǔn),是兼容目前AC220V為輸入標(biāo)準(zhǔn)的開關(guān)電源模塊,保證它們的元器件耐壓指標(biāo)一致。
僅在太陽光照不足時(shí),交流電整流給蓄電池充電,縮短交流電的使用時(shí)間,由長期使用變成短時(shí)間使用,AC-DC變換只有一次。
除服務(wù)器外,通訊交換機(jī)大部分也采用直流供電,如DC48V,機(jī)房照明采用LED照明,不僅減少照明燈具本身的功耗,而且直流電下,LED的交直轉(zhuǎn)換和散熱損耗均大大降低,只有大功率設(shè)備,如空調(diào)、新風(fēng)機(jī)等,仍保留由交流供電驅(qū)動(dòng),相信未來直流空調(diào)、直流新風(fēng)機(jī)等配套產(chǎn)品面市時(shí),數(shù)據(jù)中心將成為全直流的用電環(huán)境,對功耗控制、電源質(zhì)量都會(huì)帶來質(zhì)的飛越。
2.4 專用電源模塊技術(shù)
對微服務(wù)器中的電源模塊進(jìn)行了特殊設(shè)計(jì),其原理圖如圖3所示,1)兼容高壓直流(DC240V)和高壓交流(AC220V)輸入,稱為“異種電源雙回路”;2)電源模塊內(nèi)置鎳氫電池或鋰電池,既可以實(shí)現(xiàn)異種電源雙回路的“零秒”切換,又可以充分使用太陽能。
由于微服務(wù)器的電源模塊本身就是一個(gè)小的UPS模組,使數(shù)據(jù)中心集中配備的UPS模組可以使用數(shù)量較少的蓄電池,減少一次性的投資。
圖3 異種電源雙回路不間斷的服務(wù)器專用電源模塊結(jié)構(gòu)示意圖
3 測試驗(yàn)證
由于微服務(wù)器實(shí)現(xiàn)了服務(wù)器功耗的大幅降低、進(jìn)而空調(diào)用電量同比例降低,使得太陽能發(fā)電有條件成為主供電源,太陽能光伏直流供電實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)中心全程高壓直流配電,當(dāng)進(jìn)一步采用“異種電源雙回路不間斷的服務(wù)器專門電源模塊”,使供電更穩(wěn)定和節(jié)約,每一個(gè)節(jié)能技術(shù)環(huán)節(jié)是環(huán)環(huán)相扣、嚴(yán)絲合縫的,四個(gè)節(jié)能技術(shù)措施創(chuàng)新性組合在一起,這種數(shù)據(jù)中心構(gòu)建技術(shù)稱為“綠云技術(shù)”,這樣的數(shù)據(jù)中心機(jī)房稱為“綠云房”。
表1 是按前言中的舉例,比較綠云房與普通數(shù)據(jù)中心在同等10 萬臺(tái)服務(wù)器計(jì)算能力時(shí)的電能消耗情況.
表1 普通數(shù)據(jù)中心與綠云房對比表
社會(huì)效益方面,綠云技術(shù)在大幅減少耗電量的同時(shí),把主供電源改為清潔的太陽能,節(jié)省超過3億度傳統(tǒng)電能,也就是節(jié)約燃煤100萬噸/年(按照1噸煤可以發(fā)電3000度),減少的碳排放為245萬噸/年(一噸標(biāo)準(zhǔn)煤會(huì)帶來2.4567噸的二氧化碳排放量)。
4 實(shí)際應(yīng)用
經(jīng)歷1年時(shí)間的理論測算、9個(gè)月時(shí)間的技術(shù)開發(fā)和測試,把包含四大創(chuàng)新技術(shù)組合的綠色數(shù)據(jù)中心整體解決方案充分論證定型,和當(dāng)?shù)氐闹袊?lián)通進(jìn)行合作,在深汕特別合作區(qū)建立了全世界第一個(gè)全面實(shí)施“綠云技術(shù)”的數(shù)據(jù)服務(wù)中心--“微服務(wù)器集群架構(gòu)的綠色云計(jì)算平臺(tái)”,數(shù)據(jù)中心的整體結(jié)構(gòu)如圖4所示。
圖4 中國聯(lián)通&芯靈科技綠色數(shù)據(jù)服務(wù)中心結(jié)構(gòu)示意圖
整個(gè)數(shù)據(jù)中心的設(shè)計(jì)規(guī)模和經(jīng)營情況為:
1)太陽能發(fā)電場面積5000平方米,總發(fā)電功率40萬瓦;
2)服務(wù)器機(jī)房機(jī)柜總數(shù)達(dá)100個(gè),部署微服務(wù)器1500臺(tái),微計(jì)算節(jié)點(diǎn)數(shù)18000個(gè),機(jī)房面積650平方米,單純以主頻和CPU數(shù)作比較,該機(jī)房滿裝時(shí)計(jì)算能力為IBM“深藍(lán)”超級(jí)計(jì)算機(jī)(以擊敗國際象棋大師而聞名于世)的3046倍,是Intel的超級(jí)計(jì)算機(jī)ASICRED(1997年TOP500的第一名,美國圣地亞國家實(shí)驗(yàn)用于模擬原子彈爆炸)的8.1倍。
3)MIPS和X86兩種架構(gòu)的微計(jì)算節(jié)點(diǎn)混合應(yīng)用時(shí),性能會(huì)進(jìn)一步提高。
4)主要以微服務(wù)器包年出租和計(jì)算資源按時(shí)出租兩種模式進(jìn)行經(jīng)營。
5)向其他第三方授權(quán)使用“綠云技術(shù)”,并提供核心技術(shù)和產(chǎn)品。
據(jù)中國聯(lián)通數(shù)據(jù)中心提供的數(shù)據(jù),與常規(guī)服務(wù)器機(jī)柜出租情況進(jìn)行對比,比較情況如表2所示,在租金定價(jià)不變時(shí),利潤提高了四倍,或者下調(diào)租金,給客戶更多優(yōu)惠。
表2 微服集群經(jīng)營數(shù)據(jù)對比表
上表是根據(jù)聯(lián)通公司提供原來服務(wù)器機(jī)群條件的經(jīng)營數(shù)據(jù),代入新的微服務(wù)器集群參數(shù)后計(jì)算得到的經(jīng)營效果數(shù)據(jù)。
該數(shù)據(jù)中心主體已經(jīng)建成,第一期將開通太陽能發(fā)電20萬瓦,服務(wù)器機(jī)房機(jī)柜數(shù)50個(gè),微計(jì)算節(jié)點(diǎn)9000個(gè),表3是該數(shù)據(jù)中心當(dāng)前的實(shí)測數(shù)據(jù),也是綠云房的“綠云技術(shù)”標(biāo)準(zhǔn)的推薦值。
目前,世界上已經(jīng)有一些太陽能數(shù)據(jù)中心投入使用,如Intel在美國新墨西哥州里約牧場的數(shù)據(jù)中心安裝了太陽能板,產(chǎn)生1萬瓦功率的電力;IBM在印度班加羅爾5萬瓦功率的太陽能發(fā)電設(shè)備,主要是應(yīng)對當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)設(shè)施的供電不穩(wěn)定或者幾乎不存在。
國際上這些太陽能數(shù)據(jù)中心案例,都只是簡單添加太陽能發(fā)電裝置,沒有在數(shù)據(jù)中心架構(gòu)上采取整體配套技術(shù)改造措施,而把太陽能發(fā)電、UPS配電和微服務(wù)器集群作一體化設(shè)計(jì),把它們建造成一個(gè)有機(jī)的整體是本文最大的創(chuàng)新之處,不管是四項(xiàng)技術(shù)創(chuàng)新組合的綠色數(shù)據(jù)中心,還是在全面采用微服務(wù)器集群、高壓直流配電方面,都居于領(lǐng)先地位。
表3“綠云技術(shù)”指標(biāo)設(shè)計(jì)推薦值
5 意義重大
“綠云技術(shù)”的意義不僅僅是可以建立大幅度節(jié)能減排的數(shù)據(jù)中心,“綠云技術(shù)”概念的進(jìn)一步發(fā)展,將對全球信息社會(huì)產(chǎn)生極為深遠(yuǎn)地影響,她向我們展現(xiàn)出一片美好的前景。
1)“綠云技術(shù)”成倍地提高了每瓦電能可產(chǎn)生的計(jì)算能力,讓高性能計(jì)算以合理的經(jīng)濟(jì)性走入尋常百姓家,為云計(jì)算、信息社會(huì)快速發(fā)展注入了強(qiáng)大的動(dòng)力。
2)“綠云技術(shù)”數(shù)據(jù)中心的供電、配電回歸直流電時(shí)代,微服務(wù)器率先采用全直流供、配電系統(tǒng),可能引領(lǐng)一波震天撼地的用電設(shè)備直流化浪潮。
3)由于太陽能光伏發(fā)電與直流用電設(shè)備是天然的伙伴,用電設(shè)備直流化,將猛推太陽能的普及使用.“綠云技術(shù)”帶領(lǐng)人類返璞歸真,重歸白云、綠地的自然家園。
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本文標(biāo)題:微服務(wù)器集群架構(gòu)的綠色云計(jì)算平臺(tái)
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