隨著IT技術(shù)的不斷發(fā)展,以及業(yè)務(wù)與IT日益密切的聯(lián)系,當(dāng)前的數(shù)據(jù)中心正面臨著成本、整合、能源管理等一系列挑戰(zhàn),并正在經(jīng)歷著巨大的轉(zhuǎn)變。在下一代數(shù)據(jù)中心建設(shè)方面,英特爾公司持續(xù)創(chuàng)新,用多年積極的探索取得了很多經(jīng)驗(yàn)。
行之有效的方法:虛擬化
采用虛擬化技術(shù),是減少整體IT能耗的好方法。傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心應(yīng)用物理服務(wù)器平均使用率在10%,采用了虛擬化和云計(jì)算以后,數(shù)據(jù)中心整體的IT的效率能夠提高很多。通過(guò)上述手段,英特爾與2005年相比,每年數(shù)據(jù)中心所用的服務(wù)器的支出下降了9000萬(wàn)美元,也即高達(dá)50%。
對(duì)于數(shù)據(jù)中心布局的優(yōu)化:
除了虛擬化以外,英特爾對(duì)于數(shù)據(jù)中心的建設(shè)還有很多其他探索。比如傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心的散熱使用空調(diào)模式,冷熱通道沒(méi)有封閉,該模式通常實(shí)現(xiàn)的是2到4個(gè)千瓦的每個(gè)機(jī)架的應(yīng)用。
現(xiàn)在開(kāi)始進(jìn)入云計(jì)算以后,所有的服務(wù)器,包括一些刀片式服務(wù)器,應(yīng)用密度變得非常高,所以對(duì)提高散熱效率最好的方法是采用冷熱通道分離,然后同時(shí)封閉冷熱通道,如果更高一級(jí),則需要更嚴(yán)密的封閉防止冷熱空氣的混合,比如用煙囪式機(jī)柜這樣更嚴(yán)密的封閉方式。
進(jìn)一步降低能耗的非傳統(tǒng)方法
封閉冷熱通道以后有會(huì)有什么好處?好處在于可以提高整體的空調(diào)的效率。英特爾采用了用封閉冷熱通道,然后盡可能提高回風(fēng)溫度的方法,實(shí)現(xiàn)了冷水機(jī)整體能效比系數(shù)從0.927提高到1.02,也即提高10%。
冷卻水 |
冷凍水出水溫度 ?C |
7 |
8 |
9 |
10 |
進(jìn)水溫度 |
|||||
?C |
|||||
24 |
制冷量系數(shù) |
1.029 |
1.054 |
1.078 |
1.103 |
|
壓縮機(jī)輸入功率系數(shù) |
0.841 |
0.837 |
0.832 |
0.827 |
|
能效比調(diào)整系數(shù) |
1.22354 |
1.25926 |
1.29567 |
1.33374 |
27 |
制冷量系數(shù) |
1.015 |
1.04 |
1.066 |
1.091 |
|
壓縮機(jī)輸入功率系數(shù) |
0.918 |
0.914 |
0.909 |
0.905 |
|
能效比調(diào)整系數(shù) |
1.10566 |
1.13786 |
1.17272 |
1.20553 |
30 |
制冷量系數(shù) |
1 |
1.026 |
1.052 |
1.079 |
|
壓縮機(jī)輸入功率系數(shù) |
1 |
0.996 |
0.993 |
0.989 |
|
能效比調(diào)整系數(shù) |
1 |
1.03012 |
1.05942 |
1.091 |
32 |
制冷量系數(shù) |
0.99 |
1.016 |
1.043 |
1.069 |
|
壓縮機(jī)輸入功率系數(shù) |
1.068 |
1.055 |
1.052 |
1.048 |
|
能效比調(diào)整系數(shù) |
0.92697 |
0.96303 |
0.99145 |
1.02004 |
在冷凝溫度不同的情況下,如果繼續(xù)提高水,或者每個(gè)冷所需要的千瓦時(shí)的一個(gè)對(duì)比,那么從7度到10度的時(shí)候,還是有一個(gè)10%的提升。到了12度會(huì)達(dá)到20%的提升,
同時(shí),很好的隔離冷熱通道,取得高的回風(fēng)溫度,可以增加服務(wù)器的前后端溫度差,這能在相同熱負(fù)荷的情況下,減少風(fēng)量,同時(shí)也可以減少風(fēng)機(jī)風(fēng)量和轉(zhuǎn)速,風(fēng)機(jī)的功耗它根據(jù)的轉(zhuǎn)速比值是一個(gè)立方的關(guān)系,當(dāng)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速降低一半的時(shí)候,它的功耗只相相當(dāng)于原來(lái)的八分之一;提高回風(fēng)溫度,可以隨之提高水溫,通過(guò)加大進(jìn)出空調(diào)機(jī)組的溫度差,還可以減少水泵的消耗功率,并能極大的延長(zhǎng)自然冷卻的時(shí)間。(但是這個(gè)方法并不適于風(fēng)冷型的散熱系統(tǒng),也即就是直接蒸發(fā)式的DX系統(tǒng),因?yàn)檫@種直接蒸發(fā)式的系統(tǒng),提高回風(fēng)溫度可以適當(dāng)?shù)靥岣邏嚎s機(jī)的工作效率,但是由于過(guò)高的回風(fēng)溫度,可以引起壓縮機(jī)長(zhǎng)時(shí)間的高壓的運(yùn)行,反而容易出故障。)
采用自然冷卻技術(shù):
在節(jié)能方面英特爾還考慮盡可能地利用自然冷源,在全球適合自然冷卻的區(qū)域,都可以用自然冷源對(duì)數(shù)據(jù)中心進(jìn)行降溫。比如北京,全年平均氣溫在16°C,適合自然冷卻的時(shí)間超過(guò)40%,今年一直到4月底室外還很冷,這個(gè)溫度可以給數(shù)據(jù)中心進(jìn)行自然冷卻。
北京年平均氣溫分布情況
利用室外冷空氣自然冷卻,主要分成兩種形式,
A 間接自然冷卻方式,
間接自然冷卻方式,還分為幾種方式,
1. 目前常用的是冷凍水機(jī)房專用空調(diào)系統(tǒng),配合適用于冬季自然冷卻的逆流型大冷卻塔(比夏季工況用冷卻塔容量要大3-4倍,以便盡可能延長(zhǎng)自然冷卻的時(shí)間),及隔離冷凍水系統(tǒng)及冷卻水系統(tǒng)的板式熱交換器;
Intel Portland 的數(shù)據(jù)中心就是采用的這種設(shè)計(jì)方式。
比如北京,屬于典型的溫帶大陸性氣候,冬夏時(shí)間長(zhǎng),且全年大部分時(shí)間,空氣干燥,濕球溫度遠(yuǎn)低于干球溫度,理想的可以使用自然降溫的市外干球溫度全年平均12度以下的時(shí)間可以達(dá)到45%,如果使用冷卻塔加板換的方式,更可以利用市外濕球溫度自然冷卻,冷卻塔設(shè)計(jì)的容量足夠大時(shí),全年自然冷卻的時(shí)間更可以達(dá)到60%以上;
2.就是用帶有自然冷卻盤(pán)管的干冷氣乙二醇方式,它的工作原理是在室內(nèi)機(jī)設(shè)計(jì)了兩套盤(pán)管,一個(gè)盤(pán)管是氟利昂的,一套盤(pán)管是可以走冷凍水的,這套系統(tǒng)它有什么特點(diǎn)呢?就是由于冷凍水系統(tǒng)它前提,是你的數(shù)據(jù)中心規(guī)模有足夠大,你可以有條件去設(shè)計(jì)冷水機(jī)組,螺桿機(jī)也好,但是如果你要是數(shù)據(jù)中心的規(guī)模沒(méi)有那么大的話,你設(shè)計(jì)這套冷凍水系統(tǒng)對(duì)于整個(gè)數(shù)據(jù)中心的投資造價(jià)就太高了。
這種方式可以很好的解決這個(gè)問(wèn)題,就是用傳統(tǒng)的機(jī)房專用空調(diào),傳統(tǒng)的水冷式的機(jī)房專用空調(diào),在它的蒸發(fā)器盤(pán)管上,再并一組冷凍水盤(pán)管,到了夏天的時(shí)候,它是外邊的干式冷卻器是起到一個(gè)冷卻水的作用。
到了冬季的時(shí)候,它的干冷器就變成產(chǎn)生冷凍水的作用,然后通過(guò)兩套兩通閥來(lái)調(diào)節(jié)水是經(jīng)過(guò)板式熱交換器的冷凝器還是經(jīng)過(guò)冷凍水盤(pán)管,這樣的話也可以實(shí)現(xiàn)自然冷卻方式,而且這種自然冷卻方式它有一個(gè)很大的優(yōu)勢(shì)在于它可以混合制冷,就是說(shuō)在你溫度降的比如說(shuō)室外溫度比如20度,但是機(jī)房回風(fēng)溫度是在26度的時(shí)候,也可以進(jìn)行自然冷卻,也就是說(shuō)我的從室外回來(lái)的水,可以先經(jīng)過(guò)冷凍水盤(pán)管,然后再進(jìn)行機(jī)械冷卻,這樣的話每年的自然冷卻時(shí)間,就拿北京來(lái)說(shuō),可以達(dá)到50%甚至于更高的時(shí)間,那么可以對(duì)于你數(shù)據(jù)中心的年平均值來(lái)說(shuō)可以降的很低。(很好的封閉冷熱通道,提高回風(fēng)溫度,更可以極大的延長(zhǎng)了全年自然冷卻的時(shí)間)
3. 使用轉(zhuǎn)輪式熱交換器的形式,利用轉(zhuǎn)輪內(nèi)填料的儲(chǔ)能功能,讓轉(zhuǎn)輪在兩個(gè)封閉的風(fēng)道內(nèi)緩慢旋轉(zhuǎn),被室外空氣冷卻的填料冷卻室內(nèi)空氣。
Intel協(xié)助KPN在歐洲設(shè)計(jì)世界上第一個(gè)利用轉(zhuǎn)輪自然冷卻的數(shù)據(jù)中心,每年可以節(jié)省8百萬(wàn)歐元的運(yùn)行費(fèi)用。并減少了大量的CO2排放。
按英特爾的經(jīng)驗(yàn),采用自然冷卻的方式,每年北京大概可以達(dá)到40%到60%的時(shí)間不需要啟動(dòng)機(jī)械制冷。在保障數(shù)據(jù)中心相對(duì)封閉的環(huán)境下應(yīng)用間接的自然冷卻,該方式還避免了室外空氣的濕度和潔凈度對(duì)于室內(nèi)的影響。
B .還有一種是直接采用室外新風(fēng)式的自然冷卻,英特爾在美國(guó)新墨西哥州建的數(shù)據(jù)中心,就是用的這種方式:它直接把室外的空氣送到室內(nèi)冷卻。這種方式直接利用了室外空氣,可以在24°C以下的全部時(shí)間進(jìn)行自然冷卻,但是這種室外的空氣,含塵量大,需要復(fù)雜的除塵處理,并需要專用的空氣處理機(jī)來(lái)保證足夠的風(fēng)量供應(yīng),所以也通常不能使用傳統(tǒng)的機(jī)房專用空調(diào)。同時(shí),這種自然冷卻還面臨著相對(duì)濕度很難控制在許可范圍內(nèi),因此,對(duì)服務(wù)器的品質(zhì)會(huì)有更高的要求,不適于對(duì)數(shù)據(jù)中心可靠性要求特別高的用戶。
無(wú)論設(shè)計(jì)采用何種自然冷卻方式,對(duì)于用戶來(lái)說(shuō)除了可以減少運(yùn)行成本,減少炭的排放以外,投資都會(huì)增加70%到100%,但是它的運(yùn)營(yíng)成本相對(duì)會(huì)比較低。每年TCO增長(zhǎng)會(huì)低于傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心的建設(shè)。按照英特爾現(xiàn)有數(shù)據(jù)中心建設(shè)的經(jīng)驗(yàn):如果多投入的錢是在3-5年左右的時(shí)間可以通過(guò)減少能耗及相關(guān)費(fèi)用的方法收回多投入的話,那么對(duì)于數(shù)據(jù)中心建設(shè),這種投入非常值得的。
這是全球適合做自然冷卻數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)的區(qū)域分布分析
可以看出在中國(guó),長(zhǎng)江以北的地區(qū)都可以進(jìn)行采用自然冷卻的方式,來(lái)進(jìn)行未來(lái)的數(shù)據(jù)中心的設(shè)計(jì),比如北京,屬于典型的溫帶大陸性氣候,冬夏時(shí)間長(zhǎng),且全年大部分時(shí)間,空氣干燥,濕球溫度遠(yuǎn)低于干球溫度,理想的可以使用自然降溫的市外干球溫度全年平均12度以下的時(shí)間可以達(dá)到45%,如果使用冷卻塔加板換的方式,更可以利用市外濕球溫度自然冷卻,冷卻塔設(shè)計(jì)的容量足夠大時(shí),全年自然冷卻的時(shí)間更可以達(dá)到60%以上;所以說(shuō)應(yīng)用自然冷卻對(duì)于英特爾未來(lái)的數(shù)據(jù)中心是一個(gè)很好的解決降低能耗的問(wèn)題。
目前英特爾還做了一些新的探索,比如英特爾在美國(guó)設(shè)計(jì)了一個(gè)實(shí)驗(yàn)機(jī)房模型,這個(gè)實(shí)驗(yàn)機(jī)房模型,英特爾叫雞舍式的數(shù)據(jù)中心。雞舍式的數(shù)據(jù)中心的設(shè)計(jì)靈感來(lái)自于養(yǎng)雞舍里面大量的雞自身散熱,使得空氣膨脹,空氣膨脹以后產(chǎn)生向上的動(dòng)力,驅(qū)動(dòng)整個(gè)的空氣在房間里面自然流動(dòng),而不需要任何機(jī)械的幫助。
比如在服務(wù)器機(jī)柜中,因?yàn)榉?wù)器發(fā)熱量非常大,英特爾把熱量收集起來(lái),讓進(jìn)入數(shù)據(jù)中心的空氣被這里熱量加熱后自然上升,此時(shí)只要蓋一個(gè)足夠高的煙囪讓熱空氣往上拔高,帶動(dòng)空氣流動(dòng),完成散熱循環(huán)。用這種方式可以在全年里大部分時(shí)間,甚至連風(fēng)無(wú)需開(kāi)啟,直接靠服務(wù)器產(chǎn)生的熱能,由這個(gè)熱能產(chǎn)生的動(dòng)力向外自然散熱。這種散熱方式非常適合與我國(guó)的東北大部分地區(qū)。在設(shè)計(jì)過(guò)程中,要注意處理好除塵,維持?jǐn)?shù)據(jù)中心內(nèi)部含濕量的最低要求。
?。ǜ鶕?jù)ASHARE2008的最新報(bào)告,影響數(shù)據(jù)中心內(nèi)設(shè)備的空氣水含量指標(biāo),是絕對(duì)濕度,而不是以前強(qiáng)調(diào)的相對(duì)濕度,只要露點(diǎn)溫度控制在5.5°C以上,數(shù)據(jù)中心內(nèi)的設(shè)備都可以保證安全,避免靜電的危害。
參見(jiàn)2008 ASHRAE Environmental Guidelines for Datacom Equipment-Expanding the Recommended Environmental Envelope-)
配電環(huán)節(jié)也省電
最后英特爾在數(shù)據(jù)中心上面,對(duì)于配件還有一些探索,比如英特爾現(xiàn)在正在探索用一些智能技術(shù)給服務(wù)器供電,因?yàn)樵跀?shù)據(jù)中心里大量使用UPS供電,UPS的好處是防止掉電,但是壞處是UPS要進(jìn)行兩次轉(zhuǎn)換,每次轉(zhuǎn)換都有能耗。
英特爾采用高壓直流的設(shè)計(jì),把本來(lái)要三次的轉(zhuǎn)換,只用了一次,節(jié)省兩次轉(zhuǎn)換的能耗。在國(guó)內(nèi)英特爾與一些用戶已經(jīng)在做一些相關(guān)的測(cè)試,和應(yīng)用。一些國(guó)內(nèi)的通訊運(yùn)營(yíng)商也在做一些相關(guān)的實(shí)驗(yàn)和測(cè)試,甚至于已經(jīng)制訂了數(shù)據(jù)中心直流供電的標(biāo)準(zhǔn)。
采用高壓直流供電可以節(jié)省7%左右的配電部分能耗,考慮到這部分能耗還要散熱到數(shù)據(jù)中心內(nèi),如果節(jié)省下來(lái),將帶來(lái)綜合的節(jié)能效果12-15%以上。且能夠節(jié)省數(shù)據(jù)中心的占地面積,帶來(lái)更多場(chǎng)地利用率。這種技術(shù)目前面臨的主要問(wèn)題是缺少成熟的產(chǎn)業(yè)鏈支持,建設(shè)成本還比較高。
目前支持?jǐn)?shù)據(jù)中心運(yùn)行的兩個(gè)主要大的基礎(chǔ)設(shè)施能耗的部分,是空調(diào)和配電,英特爾都在采取節(jié)能措施和做相應(yīng)的探索。其實(shí),真正能耗的根源還是在于服務(wù)器本身,在未來(lái)更長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi),英特爾正在做相關(guān)的研究探索就是要把服務(wù)器的能耗再降低80%!在創(chuàng)新引領(lǐng)之下,未來(lái)越來(lái)越多的綠色、低碳的數(shù)據(jù)中心將在業(yè)界出現(xiàn)。