专栏名称: 数据中心运维管理

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全面了解数据中心的能源消耗！

数据中心运维管理 · 公众号 · 数据库 · 2023-06-28 21:24

正文

IT设备使用的电力最终会转化为热量，数据中心必须通过使用同样消耗能源的冷却设备来去除热量。

将数据中心想象成互联网的大脑——处理、存储和传输所有的数据，从社交媒体到科学计算。

为此，数据中心使用各种IT设备，所有这些设备都需要消耗大量能源。例如，服务器执行计算并提供响应信息请求的逻辑，存储驱动器保存满足每个请求所需的数据和文件，网络设备通过将整个数据中心连接到互联网来实现办输入和输出数据流。

这些IT设备使用的电力最终会转化为热量，数据中心必须通过使用同样消耗能源的冷却设备来去除热量。

当前数据中心的能源消耗统计

根据Forbes2017年发布的一份报告，当年仅美国的数据中心就使用了900多亿千瓦时的电力。如此多的能源将需要34个大型燃煤电厂，每个电厂至少产生500兆瓦的电力，才能满足上述数据中心的电力需求。然而，与全球范围内运行数据中心所需的电量相比，这一数字相形见绌。全球数据中心需要416太瓦的电力，约占地球上所有发电量的3%。这已经是一个巨大的电力，并且随着每年运营的数据中心数量的增加，电力需求只会随着时间的推移而增加。

鉴于世界上80%的能源仍然来自化石燃料，不断增长的电力需求已经造成了严重的环境问题。好在，这个问题得到许多数据中心提供商的注意，他们致力于寻找解决方案来满足消费者的电力需求，同时将能源使用保持在高效和合理的水平。总的来说，数据中心现在的电力使用效率比几年前要高得多，正如其电力使用效率(PUE)分数所证明的那样。然而，总是有新的改进方法，特别是因为大多数效率变化被认为是相对“容易实现的目标”。是时候让数据中心向高效能源消耗领域迈出新的一步了。

数据中心的电力使用

平均而言，冷却系统和服务器占数据中心能源消耗的大部分，其次是网络设备和存储驱动器。

根据美国能源部的数据，拥有数万台设备的最大数据中心需要超过100兆瓦的电力，足以为大约80,000户家庭供电。

随着互联网使用量的增加，对数据中心服务的需求也在增加，引发了人们的担忧。

关于不断增长的能源使用。根据这项研究，从2010年到2018年，全球IP流量增长了10倍，而数据中心存储容量增长了25倍。在同一时期，全球服务器上运行的计算实例总数增加了六倍多。

随着世界不断消耗越来越多的数据，预计这些增长趋势将继续下去。此外，随着人工智能等计算密集型服务的出现，对IT服务的需求可能会增长得更快。这就是为什么能够量化和预测数据中心的能源消耗是至关重要的。

估算数据中心的能源消耗的两种方法

由于官方统计数据并未针对数据中心能源消耗的国家和全球水平进行编制，因此必须使用数学模型来估算能源使用情况。“自下而上”的模型考虑了数据中心安装的IT设备和每个设备的能源使用特征来估算总能源消耗。这种方法不太常见，因为其需要大量的数据和时间。

另一方面，基于外推的模型，可以根据数据中心投资和全球IP流量等市场增长指标，通过缩放自下而上的值来估算总能源使用量。因为这些模型要简单得多，所以通常被用来填补零星的自下而上研究留下的空白。

自下而上和基于外推的模型：结果

由于市场指标增长迅速，外推模型估计数据中心能源消耗显着增加。例如，一项经常被引用的外推研究表明，全球数据中心的使用自2010年以来翻了一番，并将继续迅速上升。这些估计强化了这样一种普遍看法，即对数据的需求增加会导致数据中心能源消耗同样快速增长。

然而，自下而上的结果却表明并非如此。根据Eric Masanet的研究，从2010年到2018年，全球数据中心的能源消耗很可能只增长了6%左右。该数字是基于近期数据集的整合，这为已安装库存提供了更好的表征、运行特性和数据中心IT设备的整体能源使用。这些结果与基于外推的估计形成鲜明对比。

主要影响能源使用变化的三个因素

由于制造商的技术进步，IT设备的能源效率得到了显着提高。服务器虚拟化软件通过允许多个应用在一台服务器上运行，从而降低托管应用的能源消耗。云和超大规模数据中心利用更高效的冷却系统来最大限度地减少能源消耗。

使用基于外推的方法很难捕获这三个因素，这就是为什么这些方法显示的能源消耗比数据中心实际使用的要多。

数据中心能源使用和CO₂排放

数据中心的能源消耗也引起了对Co₂排放的担忧。然而，由于缺乏全球数据中心数据及其电力来源的排放强度，估计总排放量尚不现实。不过，Apple、Google和Switch等企业开始公开报告这些数据，这表明大型数据中心运营商越来越倾向于采购可再生能源。

鉴于对数据中心的全球用电量有更多的了解，因此有一个有用的基准来测试有关Co₂排放量的声明。下面来看一个示例。

一个经常被提及的说法是，全球数据中心排放的Co₂量与航空业一样多——约9.15亿吨。全球数据中心最近消耗了大约2050亿千瓦时。因此，如果这一说法是正确的，其平均排放强度必须约为4.4 kgCo₂/kWh。现在，来看看燃煤发电厂，这是碳排放量最高的设施。其排放强度不到该值的1/4——约1 kg Co₂/kWh。由于数据中心显然不使用煤炭，尤其是考虑到可再生能源的使用趋势，因此认为数据中心的Co₂排放量如此之大是不现实的。

展望未来：提高数据中心的能源消耗效率

由于对IT服务和计算密集型应用的需求不断增长，存在一种风险，即需求将超过能源效率收益。这意味着，为了避免未来能源消耗的急剧增长，对下一代散热、计算和存储等节能技术的投资将是必要的。分析师应该考虑以下几个关键的优先事项:

开发和共享有关冷却和电力系统以及IT设备的配置、库存和能源使用特征的可靠数据。共享和比较模型以开发最佳实践，以增加对模型输出的信心。共同努力为人工智能、5G和计算强度增加等新兴趋势开发更好的实践。

在过去的几十年里，数据中心已经发展成为现代社会中越来越重要的组成部分，计算机基础设施已经成为生活基础的重要组成部分。随着这种发展和其提供的大量优势，也带来了显着的缺点，特别是在环境可持续性和能源消耗方面。要想成功运营，数据中心需要优先考虑高效的能源使用，并重点开发降低整体能耗的新方法。

提高能源使用和效率的16个技巧

对数据中心运营进行大规模更改以提高能源使用效率可能是一项复杂、昂贵且耗时的冒险。但改变不一定要极端才能有效，也不需要一下子全部发生。通过使用以下16种方法，数据中心可以快速开始有效地降低其能源消耗，而不会显着影响其底线。

1、减少对冷却的依赖

平均而言，数据中心使用的大部分电力都用于运行冷却和空调系统，以将服务器保持在适当的温度并防止过热。通过以多种方式优化冷却操作，可以显着降低功耗。改善通风系统、战略性地布置设备、适当地隔离服务器机房，以及创造流线型气流可以提高冷却效率。下面将探讨一些更具体的示例，但数据中心运营可以采用的一些额外措施包括：

消除服务器机房中不必要的设备用更节能和高效的技术更换传统的或过时的设备更换传统的或过时的冷却系统，尤其是那些使用了10年以上的系统安装空气节能器系统。

2、试验温度

由于保持服务器机房，及其设备足够凉爽对于服务器运行至关重要，因此许多管理人员不考虑尝试为其数据中心寻找可能更有效的温度。他们可能担心这样做会损坏昂贵的设备，从而导致昂贵的维修或更换费用。然而，事实是，即使将维持温度降低几度也可以减少电力消耗，并节省数百甚至数千美元。花时间计算数据中心的冷却需求，然后试验不同的温度以找到满足需求的最佳解决方案。

3、服务器采用热通道/冷通道布局

一些数据中心将服务器和其他设备排列成通道，所有设备都面向同一个方向。如果真是这样，须考虑重新调整机器的方向，使通道的服务器面向彼此，服务器的背面面向彼此。这种布置将创建冷热通道，并减少冷热空气混合，从而提高服务器机房内的温度效率。

4、封闭或容纳服务器机架

容纳或封闭服务器机架是防止数据中心冷暖空气混合的另一种方法，这有助于降低对强大冷却技术的需求，从而使环境保持在适当的温度。任何可以帮助减少数据中心气候控制所需的电力的方法都是数据中心管理人员应该认真考虑的实际步骤。

5、利用一般的气流改进方法

数据中心运营商应研究温度和气流的一般改进方法并考虑采用。例如，通过安装专门的冷却面板，以降低服务器入口空气的温度，同时提高返回计算机机房空调(CRAC)的空气的温度。这有助于显着提高设备的运行效率，同时减少对气候控制专用电力的需求。

6、投资使用变速风扇驱动器改造空调设备

提供专门用于CRAC的改装套件，通常提供两年投资回收保证。其允许调整空调设备的风扇速度，以适应数据中心不断变化的冷却负载。

7、安装空气侧节能器

帮助保持服务器冷却的最实用的方法之一是利用外部冷却空气并将其引入建筑物。空气侧节能器可以利用较冷的夜间和冬季空气温度，节省高达60%的冷却电力和成本。

8、调整数据中心的湿度

与温度非常相似，湿度是另一个必须在数据中心内仔细维护的关键因素。湿度太大会产生冷凝，导致设备腐蚀、出现电气故障，并造成重大且昂贵的损失。然而，湿度过低会导致大量静电荷积聚，一旦发生放电，就会损坏甚至毁坏设备。一般规则是将数据中心的相对湿度保持在45%至55%，但具体数值取决于中心及其设备的范围。仔细试验数据中心的湿度水平，以找到适合服务器的最佳水平，其可助于节省日常能源消耗。

9、识别并移除僵尸或昏迷服务器

“僵尸服务器”或“昏迷服务器”是指不再在数据中心运营中使用，但继续保持供电并消耗不必要的能量的系统。ComputerWorld发表的一篇文章中的数据表明，数据中心中25%的物理服务器和30%的虚拟服务器被归类为僵尸或昏迷。这些系统通常保持运行状态，因为没有关于它们包含什么或它们服务什么目的的书面记录，这使得数据中心经理犹豫将它们退役。

为了防止这种情况，服务器包含的所有内容都应该仔细记录，并且应该使用适当的监控工具来提供直接监督。数据中心工作人员应该勤奋梳理各种服务器，以找到仍在运行的不必要的僵尸，并将其断开连接。这样做可以大大减少电力消耗，提高能源效率。

10、整合所有较少使用的服务器

尽管需要全功率运行，但典型服务器的平均利用率在5%到15%之间。整合使用较少的服务器，并删除不需要的服务器，从而降低整体功耗。

11、虚拟化服务器

数据中心过去依赖于多个独立的物理服务器，这些服务器占用大量空间和电力来运行其操作。现在可以对这些服务器进行虚拟化和整合，以更高效地运行。花时间虚拟化数据中心服务器可以帮助减少10%到40%的能源使用和成本。

12、组织、删除和改进存储的数据

存储利用率通常占系统功率的30%左右，数据中心保留20个或更多相同数据的副本并不少见，从而导致存储空间和功率的浪费。定位并删除不必要的多余存储数据，从而为其他设备释放空间和能量。

13、投资更节能的技术

传统的服务器和技术远不如新型号的节能。如果数据中心真正致力于降低其电力使用，则需要投资购买一些新设备。考虑购买符合“能源之星”标准的服务器，其可以比其他传统服务器节省多达30%的能源。

14、减少或优化数据中心的空间

这一点基本上与上面的第11点密切相关，因为虚拟化服务器可能是减少数据中心正常运行所需空间的绝佳方式。需要的物理服务器越少，需要的空间就越少，则需要投入的电力就越少。这使得数据中心可以显着缩小规模，同时减少整体能源使用，从长远来看，这反过来又可以节省大量资金。

15、同步服务器容量和设备负载

当需求较低时，新的和更新的配置会浪费数据中心的电力和资源。因此，只有匹配服务器容量和活动硬件以满足实时需求才是合乎逻辑的。适当的策略和规划，以及管理和监控工具的协助，可以使数据中心工作人员将这两个要素相匹配，以创建一个更高效、更精简的系统，而不会浪费不必要的电力。

16、发展更强大、更可靠的供应商合作伙伴关系

寻找高效的能源供应商并与之合作，可以节省大量资金，并帮助数据中心大幅提高其能源使用的整体效率。如果当前的数据中心能源供应商没有竭尽全力帮助优化使用，那么是时候开始寻找其他优质能源供应商了。

数据中心中消耗能源最多的是什么？

数据中心通常使用大量能源来维护其服务器。平均每平方米消耗约1,000千瓦时。这大约是典型美国家庭耗电量的十倍。最常见的数据中心设备是服务器机架，其使用大量能源来维护和冷却其组件。数据中心冷却系统的效率也相对较低，能耗约占数据中心总能耗的70%。

数据中心最大的能耗者是服务器和冷却系统，其需要不断维护以保持平稳高效地运行。但其也有一些是传统的服务器和设备，如网络通信工具，往往会造成大量的消耗。

数据中心产生多少热量？

数据中心用于进行大规模计算，是许多大企业的命脉。其会产生大量热量，因此安装了冷却系统以保持最佳工作温度。通常，数据中心内的热通道温度范围在85到115华氏度左右。数据中心在适宜的温度下茁壮成长，因此需要充分利用为其产生的热量以使其高效工作。

一台服务器使用多少千瓦时？

由于服务器的工作量和需求，这会有很多变化。年均用电量可能在1800至1900千瓦时左右。

为什么数据中心会消耗如此多的能源？

数据中心往往会消耗大量能源，因为其必须同时提供许多服务和支持。此外，许多数据中心位于炎热潮湿的地方，空气质量较低，使设施面临暖通空调故障、设备退化和停电等问题的额外风险。所有这些都必须考虑到数据存储。

但要记住，数据中心是靠电力运行的。其所有的设备都靠电力运行。服务器和其他设备在产生时会变得非常热，因此冷却系统需要电力运行来冷却空间。

数据中心在全球使用了多少能源？

数据中心是用于容纳和管理大量数据和计算机设备的大型建筑物。其面积从数百平方英尺到数百万平方英尺不等。其消耗大量能源，但全球总数据传输预计只会在未来几年呈指数级增长。据估计，在全球范围内，数据网络传输可消耗260至340TWh的电量，或约占全球用电量的1%至1.4%。

数据中心每平方英尺使用多少电力？

一般来说，这可能会有所不同。然而，典型的功率密度大约为每平方英尺150瓦。但也可以高达300瓦。

为什么数据中心需要电池？

为了使设施中的数据中心保持冷却，电池是必不可少的。因此，一个重要的数据中心趋势将是电池使用。电池是一种存储能量的设备，可以释放能量为数据中心的各个组件独立供电，而无需使用任何现成的电源。数据中心需要大量电力，并且需要有足够的电力供整个房间的机柜使用。

总而言之，虽然上述的解决方案并非能满足所有人的特定需求，但至少应该有一些有参考价值。不妨先在数据中心实施这些想法，以优化电力使用和能源效率。