數據中心IT設備的能量消耗

轉自 

   在數據中心的IT設備，包含服務器、存儲器、交換機等，其中以服務器數量最多，占絕大多數。這些IT設備用電特性基本類似，本文以服務器為例。
    在數據中心中眾多服務器為機架式服務器，部分高端數據中心采用小型機、大型機等大型服務器設備。

    服務器上的電源（POWER），和PC（個人電腦）電源一樣，都是一種開關電源。比如聯想萬全2200C/2400C服務器就采用了EPS標準的電源，輸出功率為300W，該電源輸入電壓寬范圍為90～264V，功率因數大于0.95。
    看看業界某知名廠商的一款1U標準服務器電源的銘牌：

    關于服務器電源的銘牌，一般不會直接貼在服務器的外殼，而是貼在服務器電源外殼比較空曠的地方，通常都只有在從服務器取出服務器電源后才能看到。
    需要特別強調的是INPUT(輸入) 中220V是服務器電源額定輸入電壓；而4A指的是最大輸入電流能力，表征的電源最大輸入電流能力。因此，服務器電源的輸入功率（即消耗功率）不能直接用輸入額定電壓×輸入最大電流來計算。
    OUTPUT(輸出) 250W MAX，這個參數才是該服務器電源最大輸出功率，這個參數對于數據中心設計者才具有重要的設計意義，但很遺憾的是，通常服務器廠家沒有將這個參數標識在服務器外殼上，這個參數通常只有在服務器電源銘牌上才能看到。
    服務器電源的輸出最大功率為250W，按照AC/DC轉換效率85%（平均值），那么服務器的輸入功率（消耗功率） P_SERVER為：
    P_SERVER=P_{MAX OUT}/ η =250w/0.85=294.12W ≈ 295W

    其中 P_{MAX OUT}等于250w，η為AC/DC效率，取平均值85%。
    服務器的輸入功率（消耗功率） P_SERVER代表服務器的最大工作功率，即在設計滿配置（CPU、內存、硬盤等全滿配置），CPU、內存和硬盤等設備全負荷100%速度工作時，所能消耗的最大功率，而服務器使用過程中這種工況是非常罕見的。
在數據中心設計中，我們可以參考配置系數c，同時利用系數k。
    P_ACTUAL= P_SERVER × c × k=295 × 0.8 × 0.8=188.8w，
    其中配置系數c取0.8，代表服務器電源的廠家裕量。k為同時利用系數，取0.8。
上述數據符合實測結果，在某數據中心測量Dell Poweredge 1U和2U服務器的波形為：

    左圖為1U服務器222.5V*0.65A=144.63VA，右圖為2U服務器223.8*1.37=306.61VA

    以上討論的是服務器配置一個電源的工作功率，但是為了提高服務器工作可靠性，目前服務器普遍采用冗余電源技術，它具有均流、故障切換等功能，可以有效避免電源故障對系統的影響，實現24×7的不停頓運行。
    冗余電源較為常見的是N 1冗余（1 1、2 1、3 1等），可以保證一個電源發生故障的情況下系統不會癱瘓（同時出現兩個以上電源故障的概率非常?。Ｈ哂嚯娫赐ǔ：蜔岵灏渭夹g配合，即熱插拔冗余電源，它可以在系統運行時拔下出現故障的電源并換上一個完好的電源，從而大大提高了服務器系統的穩定性和可靠性。
    因為冗余電源的應用，帶來新的問題：每一個服務器電源工作在較輕負荷狀態之下，導致工作效率降低，比如1 1電源配置下，每一個服務器電源的負載均小于50%（通常只有20%負載），這樣電源模塊的效率將只有80%左右，甚至更低至75%。

    為了提高服務器電源的工作效率，減小服務器體積，服務器行業開始向刀片式服務器升級。
    所謂刀片式服務器，就是指服務器外形扁而平，活像個刀片，于是形象的叫做“刀片服務器”。在標準高度的機架式機箱內可插裝多個卡式的服務器單元（即刀片，其實際上是符合工業標準的板卡，上有處理器、內存和硬盤等，并安裝了操作系統，因此一個刀片就是一臺小型服務器），這一張張的刀片組合起來，進行數據的互通和共享，在系統軟件的協調下同步工作就可以變成高可用和高密度的新型服務器。
    這些刀片服務器共用系統背板、冗余電源、冗余風扇、網絡端口、光驅、軟驅、鍵盤、顯示器和鼠標，一個機箱對外就是一臺服務器，而且多個刀片機箱還可以級聯，形成更大的集群系統。

    因為一個標準機架式機箱通常內置了8～14個刀片服務器，這些服務器是共用冗余電源，所以服務器電源的工作效率得到很大提升。而刀片服務器因為體積小，與同等速度與配置的機架式服務器相比，更加省電與節能。
    表1列出了IBM某款刀片服務器與同等配置機架服務器的功率和發熱量對比。

    表1：2008年IBM某型號刀片式服務器與機架式服務器功耗對比
    顯然，采用刀片式服務器，休眠狀態、最大工況下，功率和發熱量分別降低33%和28%，取中間值30%。
    在一個中等規模的數據中心，通常會有數千臺服務器，假定某中型有2800臺服務器（全部折算為1U的標準機架服務器），那么折算的用電功率為：
    參考配置系數c=0.8
    P_{ALL SEVER}=P_MAX × c × 2800=377 × 0.8 × 2800=844.48kw，
    如果全部采用刀片式服務器，需要200個刀片機框 2800片刀片單元，這用電功率為：
    P_{ALL BLADE}=P_MAX × c × 2800=270 × 0.8 × 2800=604.8kw，
    顯然，采用刀片式服務器，節約電力239.68kw，假設全年計算時間利用效率為0.7，那么可節省的電費為：
    E=(239.68×365×24×0.7)/0.9=2332885.33kwH
    Y=E×0.7元/度=163萬元
    其中0.7為全年同時利用率；0.9為UPS的效率；電費粗略計為0.7元/度典。
    可見采用新型的刀片式服務器，節約的電費是驚人。而因為功率的節省，還會帶來機房空調的節電，這在下一節中介紹。

    宏觀上，中國大陸每年的PC服務器總發貨量在70萬臺左右，按照每臺服務器400W功耗計算，一年消耗電力24億度，如果全部采用刀片，可以節約7.3億度電，相當于少燃燒36萬噸標準煤。
    即便我們能把10％的服務器改成刀片也還能節約僅4萬噸標準煤，這對當前倡導節能減排還是非常有意義的。（假定1噸煤可發電2000度電）