新一代绿色数据中心设计及新技术研究王东伟（上海延华智能科技集团股份有限公司，上海 200060）摘 要：通过对下一代绿色数据中心发展趋势、绿色指标和适用技术的研究，从六层体系架构逐一对构造绿色数据中心的关键技术等设计要素进行了分析，提供了绿色数据中心建设的一种途径和方法。

关键词：数据中心；绿色；设计；新技术1 新一代数据中心建设挑战随着云计算为核心的第四次信息技术革命的迅猛发展，信息资源已成为与能源和材料并列的人类三大要素之一。

作为信息资源集散的数据中心的建设正在发展成为一个具有战略重要性的新兴产业，成为新一代信息产业的重要组成部分和未来3-5年全球角逐的焦点。

数据中心不仅是抢占云计算时代话语权的保证，同时也是保障信息、安全、可控和可管的关键所在，数据中心发展政策和布局建设已上升到国家战略层面。

纵观新趋势下数据中心的建设极具挑战性，呈现出规模化整合、绿色环保节能、高密度和高容量、负载动态自适应、可视和高度自动化的特点，可以概括为以下四点：其一，建设运维模式向一体化方式转变。

传统的数据中心的建设包括需求的评估，设计、土建和系统的部署等。

而现在模块式数据中心，一体化的解决方案使建设模式走向简约化。

其二，数据中心的IT基础设施，正在加速云化或池化，从网络资源、存储资源到计算资源对用户来说都是透明的，符合虚拟化管理、一体化解决方案的趋势。

其三，数据中心绿色和节能技术的采用。

由于数据中心规模、资源虚拟化和海量数据集中化，IT设备本身和机房设备的高耗能，在绿色、节能、环保和降低运营成本等方面都有量化要求。

其四，数据中心的运维的管理，正趋于自动化的方式。

由于业务创新和IT复杂度不断的提升，出现了大量第三方的服务商和基于数据中心管理的系统软件产品。

国内目前还没有关于绿色数据中心的建设以及能耗管理的标准，政府和国内相关部门领正在制订符合我国国情的行业指导意见和规范。

本文结合目前已建和在建工程以及国际上数据中心绿色建设的相关标准，提出绿色数据中心建设和技术供同行探讨。

2绿色数据中心规划设计体系下一代数据中心基于虚拟化技术、动态调度、智能化管理、弹性使用和按需的付费模式，并且支持业务发展，灵活IT支持架构等需求，对数据中心的建设模式，管理理念、技术手段、应用模式等都提出全面创新的挑战。

要实现数据中心的整体绿色目标，首先有一个整体绿色体系构架，该体系构架应该包括以下六方面的内容：1）数据中心设计与建造绿色目标和实施路线；2）数据中心技术架构的绿色规划；3）数据中心配电绿色规划；4）数据中心空调绿色规划；5）数据中心布线绿色规划；6）数据中心管理绿色规划。

3数据中心绿色目标和实施路线数据中心设计与建造涉及建筑体绿色标准和数据中心绿色标准确定，选址、气候条件、能源策略、水资源、交通、建筑材料、绿化、施工过程等要素。

3.1 数据中心绿色衡量标准分析如何衡量数据中心的绿色可以分成两部分：其一是绿色节能，其二是绿色环保。

数据中心绿色节能可以从数据中心建筑群体和数据中心绿色以及设备设施能源效率两个层面来衡量。

在数据中心建筑群体节能体系方面，最具代表性的是我国《绿色建筑评价标准》(GB/T50378—2006)，以及美国LEED™绿色建筑认证体系; 在数据中心设备设施能源效率方面，最具代表性的是绿色网格组织的PUE值评估。

分析各国际代表性机构正在分布和制定各类绿色IT指标虽然其各有侧重，但尚未解决可以全面衡量并适应动态发展的技术和应用需求。

（1）PUE(能源利用率)PUE是迄今为止使用最广泛的数据中心效率指标。

该指标揭示了数据中心有多少能源被分配给了服务器、网络和存储等IT设备，以及有多少能源被用于冷却、照明和动力设备。

一个“完美的”PUE值应当是1。

PUE非常适合快速浏览数据中心运行时消耗的能源，可以从那里着手进行改进。

PUE还无法帮助监测所供应的电力的有效使用情况。

例如，使用虚拟化来提高平均服务器利用率，那么相应的效率提升并不能反映在PUE上。

（2）CUE (碳使用效率)与WUE(水使用效率)CUE是用以衡量数据中心的碳排放量。

CUE值的计算方法为测量数据中心总的CO2排放量，然后除以IT设备的能耗。

WUE也是一个相对较新的指标，用于衡量IT的用水情况。

WUE值计算方式与CUE值相似，为设施总用水量除以IT设备能耗。

“完美的”CUE值或WUE值为0.0。

PUE和WUE量化了被纯能耗指标所忽视的基本元素，如果主要电力来源是碳，那么PUE值可能会很低，但是CUE值却会很高。

如果依赖于水力发电或是更为高效的冷却系统，可能有一个很低的PUE 值和CUE值，但是WUE值却会很高。

（3）ERE(能源再利用效率)由于PUE无法描述对数据中心所生产的附加能源的再利用情况，绿色网格组织在今年推出了ERE。

ERE值的计算方式为将设备总能耗相加后减去重复利用的部分，然后再除以IT设备能耗。

ERE值为1.0意味着仅需要为设施提供相当于IT能耗的电力。

（4）ScE(服务器计算效率)和DCcE(数据中心计算效率)ScE是为了将目光由CPU利用率转向CPU效率。

ScE是通过对服务器时间分配的描述来实现，因为在这期间，服务器在提供“主要服务”——其计划提供的服务的同时还需要提供“次要任务”，如病毒扫描、安全升级和硬盘碎片整理。

DCcE是设施中所有服务器的ScE总合。

这一概念可以用于识别未充分利用的服务器和申请虚拟化、整合或削减策略以提高效率。

（5）DCeP(数据中心能源生产力)DCeP通过量化数据中心做的有用功与数据中心总能耗的比例。

由于该指标需要对“有用功”进行定义，而目前整个行业还没有相关定义，因此DCeP在很大程度上只是一个框架。

（6）SPECpower标准性能评估的SPECpower_ssj2008指标通过测量每秒每瓦服务器运行情况来评估服务器的能耗和性能，是有针对不同服务器的大型公共数据集。

（7）PPE(电源性能转化效率)PPE被用于分析相对于现有IT设备的性能，这些设备的电源有效使用情况。

在PPE 值的计算中，先测量设备的平均性能、能耗和利用率，然后将这些与事先定义的最佳目标进行对比。

除以最佳电源性能转化值后的PPE值即代表实际的电源性能转化值。

推动IT资源朝更高效的性能/每千瓦发展，可以对能耗改进产生双重影响，一个是将能源转化为功，另一个是在提高生产能力的情况下延长现有资产的寿命。

3.2 移动式与模块化投资上千万元的数据中心，需要持续运行20-30年，但IT技术或计算模式每过2-3年就会发生变化，解决数据中心生命周期和成本随需而变的方案之一就是模块化设计。

集装箱式数据中心技术属于可移动式模块化数据中心的一种。

一个集装箱就是一个小型的数据中心，其中电源、制冷等也可以作为模块增减。

用户只需接入电力线和Internet，供水管和外部冷却器等，其优点是部署速度快、成本低、可移动、易扩展、更高密度、更加节能。

例如，微软位于美国芝加哥的数据中心分两层，一层是传统模式数据中心，另一层则摆放了56个集装箱式数据中心，是目前使用集装箱式数据中心最多的数据中心，每个集装箱容纳了1800～2500台刀片服务器，整个数据中心2/3的服务器都装在这56台集装箱里，其PUE值达到1.22。

目前绝大部分集装箱式数据中心的箱体采用的还是标准的集装箱规格。

20英尺集装箱式数据中心一般可容纳500～750台服务器，40英尺集装箱式数据中心一般可容纳1000～1500台服务器。

3.3 数据中心的防震强震、海啸等自然灾害对数据中心的建设提出了选址和防灾的要高求，日本新建数据中心都建造在一个巨大的减震器之上，即用金属和橡胶制成并安放在建筑物内的隔离层，可以在地震发生时吸收震动，某些数据中心还有拥有楼级和机架级的减震隔离层，所有的服务器机架设施，冷却设备和其他设施都固定在地板上。

数据中心采用的减震技术还有地震滑行器：安在数据中心机架的底部，在地震时，可以移动，而不是固定在建筑物上，这样可以减少损失；内地板防震支架：一种机房地板防震支架，高度可调，并能固定任意位置，底座可与地面固定，增加机架稳定性；防震机柜:这种机柜具备双重框架防震结构，立柱和隔档分离，两者之间安装的“防震减震器”可吸收地震能量，从而降低机柜的震动。

4 绿色数据中心的技术架构设计绿色数据中心的技术架构可以从以下五个方面进行整体规划：1）总体架构。

确定技术中心整体技术目标、实施路线和选型，机房等级、管理模式、管理功能、管理平台等；2）逻辑架构。

IT基础设施的总体逻辑结构，建筑内各机房模块的数量和关系、单位面积用途、机柜总数；3）安全架构。

IT安全分区和机房物理分区、安全级别、安防系统联动等；4）业务部署架构。

IT基础设施各个组成模块的部署方式，包括网络、服务器、存储等；5）基础部署架构。

机柜的物理指标，包括电力荷载、UPS路数、通气走向、输入/出要求、布线要求、安全防范和运维要求等；数据中心总体架构规划中对绿色IT产品的规划也是下一代数据中心的关注点，从源头上节能降耗，实现绿色目标。

这些绿色IT要素包括：高效节能型服务器、服务器虚拟化软件、服务器能源管理、存储整合、分层和虚拟化、机柜的封闭式设计以及通过设备虚拟化和整合来增加机架的容量等。

5 数据中心配电绿色规划数据中心的整体用电可以分为三大部份： IT 设备用电、冷却用电和其它用电，而IT 设备用电需要通过 UPS(不间断电源)、PDU(电源分送单元)、开关和电缆等设施。

以下是数据中心能耗分析的参照样本。

5.1 可再生能源利用表1 数据中心能耗分析数据中心设施能耗比例冷却设施 38%服务器CPU 15%服务器其它部件 15%服务器电源 14%UPS 5%网络设备4%存储设备 4%照明 3% 开关设备和变压器 1%PDU 1%从表1可以看出服务器和冷却设施是能耗大户，通过采用太阳能、风能、燃料电池等可再生能源、冷热电三联供（CCHP）系统等有针对性的能效策略可以实现更高的绿色水平，但需要有适用性、系统运行模式、节能效果和技术经济测算等进行综合分析决策。

例如，Facebook选址在美国俄勒冈州派恩维尔的最新建设的数据中心采用了太阳能、雨水再利用和热量再循环等可再生能源策略。

5.2 高压直流供电技术数据中心大都通过UPS来实现掉电保护，通常所有IT负载都要经过UPS来供电，虽然目前UPS最高效率是可以达到95%以上，但UPS的效率和负载率有关，随着负载率的提升，效率才会变高，正常情况20%-40%负载率下很难会达到最高效率点。

UPS由于其拓扑结构复杂，其单机可靠性一直不是很高。

为了解决单点故障问题，通常会引入2N，甚至2*(N+1)的冗余配置，如此，投资成本双倍增加，而且占用了很多机房的宝贵空间，并增加了运维的复杂度。

其次，UPS内部电容等元件寿命一般在五年左右，存在电容击穿、漏液短路等风险。