数据中心IT设备的能量消耗

中国电子工程设计院 钟景华
艾默生网络能源有限公司 朱利伟 曹播

 

   在数据中心的IT设备，包含服务器、存储器、交换机等，其中以服务器数量最多，占绝大多数。这些IT设备用电特性基本类似，本文以服务器为例。
    在数据中心中众多服务器为机架式服务器，部分高端数据中心采用小型机、大型机等大型服务器设备。

图1：机架安装式服务器、小型机等

    服务器上的电源（POWER），和PC（个人电脑）电源一样，都是一种开关电源。比如联想万全2200C/2400C服务器就采用了EPS标准的电源，输出功率为300W，该电源输入电压宽范围为90～264V，功率因数大于0.95。
    看看业界某知名厂商的一款1U标准服务器电源的铭牌：

图2：业界某知名厂商的一款电源的铭牌

    关于服务器电源的铭牌，一般不会直接贴在服务器的外壳，而是贴在服务器电源外壳比较空旷的地方，通常都只有在从服务器取出服务器电源后才能看到。
    需要特别强调的是INPUT(输入) 中220V是服务器电源额定输入电压；而4A指的是最大输入电流能力，表征的电源最大输入电流能力。因此，服务器电源的输入功率（即消耗功率）不能直接用输入额定电压×输入最大电流来计算。
    OUTPUT(输出) 250W MAX，这个参数才是该服务器电源最大输出功率，这个参数对于数据中心设计者才具有重要的设计意义，但很遗憾的是，通常服务器厂家没有将这个参数标识在服务器外壳上，这个参数通常只有在服务器电源铭牌上才能看到。
    服务器电源的输出最大功率为250W，按照AC/DC转换效率85%（平均值），那么服务器的输入功率（消耗功率） P_SERVER为：
    P_SERVER=P_{MAX OUT}/ η =250w/0.85=294.12W ≈ 295W

    其中 P_{MAX OUT}等于250w，η为AC/DC效率，取平均值85%。
    服务器的输入功率（消耗功率） P_SERVER代表服务器的最大工作功率，即在设计满配置（CPU、内存、硬盘等全满配置），CPU、内存和硬盘等设备全负荷100%速度工作时，所能消耗的最大功率，而服务器使用过程中这种工况是非常罕见的。
在数据中心设计中，我们可以参考配置系数c，同时利用系数k。
    P_ACTUAL= P_SERVER × c × k=295 × 0.8 × 0.8=188.8w，
    其中配置系数c取0.8，代表服务器电源的厂家裕量。k为同时利用系数，取0.8。
上述数据符合实测结果，在某数据中心测量Dell Poweredge 1U和2U服务器的波形为：

图3：2003年实际工作功率，非最大功率

    左图为1U服务器222.5V*0.65A=144.63VA，右图为2U服务器223.8*1.37=306.61VA

    以上讨论的是服务器配置一个电源的工作功率，但是为了提高服务器工作可靠性，目前服务器普遍采用冗余电源技术，它具有均流、故障切换等功能，可以有效避免电源故障对系统的影响，实现24×7的不停顿运行。
    冗余电源较为常见的是N+1冗余（1+1、2+1、3+1等），可以保证一个电源发生故障的情况下系统不会瘫痪（同时出现两个以上电源故障的概率非常小）。冗余电源通常和热插拔技术配合，即热插拔冗余电源，它可以在系统运行时拔下出现故障的电源并换上一个完好的电源，从而大大提高了服务器系统的稳定性和可靠性。
    因为冗余电源的应用，带来新的问题：每一个服务器电源工作在较轻负荷状态之下，导致工作效率降低，比如1+1电源配置下，每一个服务器电源的负载均小于50%（通常只有20%负载），这样电源模块的效率将只有80%左右，甚至更低至75%。

图4：较高效率的服务器电源效率图

    为了提高服务器电源的工作效率，减小服务器体积，服务器行业开始向刀片式服务器升级。
    所谓刀片式服务器，就是指服务器外形扁而平，活像个刀片，于是形象的叫做“刀片服务器”。在标准高度的机架式机箱内可插装多个卡式的服务器单元（即刀片，其实际上是符合工业标准的板卡，上有处理器、内存和硬盘等，并安装了操作系统，因此一个刀片就是一台小型服务器），这一张张的刀片组合起来，进行数据的互通和共享，在系统软件的协调下同步工作就可以变成高可用和高密度的新型服务器。
    这些刀片服务器共用系统背板、冗余电源、冗余风扇、网络端口、光驱、软驱、键盘、显示器和鼠标，一个机箱对外就是一台服务器，而且多个刀片机箱还可以级联，形成更大的集群系统。

图5：IBM刀片服务器现场照片，每个机框可安装14个刀片

    因为一个标准机架式机箱通常内置了8～14个刀片服务器，这些服务器是共用冗余电源，所以服务器电源的工作效率得到很大提升。而刀片服务器因为体积小，与同等速度与配置的机架式服务器相比，更加省电与节能。
    表1列出了IBM某款刀片服务器与同等配置机架服务器的功率和发热量对比。

    表1：2008年IBM某型号刀片式服务器与机架式服务器功耗对比
    显然，采用刀片式服务器，休眠状态、最大工况下，功率和发热量分别降低33%和28%，取中间值30%。
    在一个中等规模的数据中心，通常会有数千台服务器，假定某中型有2800台服务器（全部折算为1U的标准机架服务器），那么折算的用电功率为：
    参考配置系数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务器，需要200个刀片机框+2800片刀片单元，这用电功率为：
    P_{ALL BLADE}=P_MAX × c × 2800=270 × 0.8 × 2800=604.8kw，
    显然，采用刀片式服务器，节约电力239.68kw，假设全年计算时间利用效率为0.7，那么可节省的电费为：
    E=(239.68×365×24×0.7)/0.9=2332885.33kwH
    Y=E×0.7元/度=163万元
    其中0.7为全年同时利用率；0.9为UPS的效率；电费粗略计为0.7元/度典。
    可见采用新型的刀片式服务器，节约的电费是惊人。而因为功率的节省，还会带来机房空调的节电，这在下一节中介绍。

    宏观上，中国大陆每年的PC服务器总发货量在70万台左右，按照每台服务器400W功耗计算，一年消耗电力24亿度，如果全部采用刀片，可以节约7.3亿度电，相当于少燃烧36万吨标准煤。
    即便我们能把10％的服务器改成刀片也还能节约仅4万吨标准煤，这对当前倡导节能减排还是非常有意义的。（假定1吨煤可发电2000度电）