1 引言
數據中心是數據集中存儲的場所，是信息網絡服務、信息技術服務、數字內容服務和互聯網服務的集中載體。在信息通信技術產業的快速發展過程中，數據中心發揮了重要作用。在數據爆炸式增長的今天，云計算已成為下一代互聯網發展趨勢；而云計算的發展離不開數據中心，數據中心正發展成為戰略性新興產業，成為新一代信息產業的主要組成部分。
與此同時，數據中心的能耗和能效問題也越來越成為一個突出的矛盾，其節能已經成為一個核心議題。隨著國家對節能減排的重視，云化數據中心成為數據中心運營企業的重要手段，越來越多的運營商將云計算技術引入到數據中心的建設和運維中，用以降低整體運營成本，提高自動化運維管理水平。
本文綜合分析當前數據中心發展現狀，探討云化數據中心節能減排的關鍵技術和效果等問題。
2 數據中心能耗現狀
2.1數據中心能耗特點
數據中心與傳統電信機房相比，其主要特點是服務器、存儲和網絡設備眾多且集中，通常采用機柜、機架等方式堆放，需要大量的集中供電。除了服務器等設備的直接消耗外，各類信息設備不間斷運行，全年需要供冷，因設備散熱問題而帶來的制冷能耗巨大。當前數據中心的能耗特點主要有以下方面：
（1）數據中心運行能耗高、能效低
數據中心能耗巨大，主要集中在服務器設備和制冷設備方面，其中制冷系統能耗占整個機房運行能耗的30%～50%。圖1顯示了數據中心的大致能耗分布：
圖1 數據中心能耗分布圖
據統計，數據中心的能耗成本占到了總成本的50%左右，包括電力、機房占地、帶寬等各方面。在產生高能耗的同時，我國數據中心也存在著低能效的問題，機房主設備的平均負載比較低，資源利用率一直處于較低水平。傳統數據中心中90%的服務器90%的時間其CPU占有率低于10%，資源存在極大的浪費。
與高能耗相伴隨的是巨大的電費支出。斯坦福大學教授OhnathanG.Koomey針對數據中心的能耗報告稱，全球數據中心2010年共消耗1988億千瓦時的電力，是全年總發電量的1.1%～1.5%。電費支出已占數據中心運營成本的50%以上，有的甚至達到70%。傳統電信業務的電費支出僅占業務收入的2%左右，而數據中心業務的電費支出占業務收入的30%～50%。
數據中心耗電量占比如圖2所示。數據中心由于建設和運營的差異，導致其電耗差異很大。在美國，數據中心三年的能源消耗成本已經等同于設備購置成本；在歐洲，三年的能源消耗成本已經兩倍于設備購置成本；在我國，一個上規模的數據中心，三年的能源消耗成本甚至相當于該數據中心的建設費用。Google、微軟等數據中心大戶開始嘗試將數據中心建設在嚴寒地帶以減少電力消耗。
圖2 數據中心耗電量占比圖
（2）隨著數據中心業務增長，能耗增長迅速
近年來，數據機房的投資規模保持25%左右的年增長率，而數據機房耗電量將以每年10%～15%的速度遞增。在美國，數據中心每年的能源開銷達到了300億美元，約為總能源開銷的1.5%，并以每年18%的速度增長，其增長速度如圖3所示。
圖3 服務器增長與耗電量增長
斯坦福大學研究表明，全球數據中心的能耗在2000～2005年間翻了一番，2010年增加了75%。Gartner的調查顯示，2007～2020年間全球數據中心的碳排放量將由80百萬噸當量激增到340百萬噸當量，直追鋼鐵、造船、航空等產業。能源花費占IT預算的比例已經從8%激增到48%，電力和制冷問題成為數據中心面臨的最大問題，數據中心產業已進入高耗能行業序列。
（3）我國數據中心數量多、規模小
我國數據中心總體規模比較小。據統計，規模在100臺服務器以下的數據機房占了絕大部分，全國有十萬個以上。這些機房不但占據了大量的場地空間，其運營管理也難以實現規模效應。
隨著云計算技術的發展，各項業務對數據中心的依賴越來越大，能耗問題也越來越嚴重。數據中心的高能耗不僅帶來耗電增加和運營成本的急劇攀升，而且產生沉重的碳排量負擔。如何利用各種管理、技術手段和措施，降低數據中心的能耗，已經成為當務之急。云計算技術在帶來數據中心巨大發展的同時，其在數據中心的應用也為節能減排指明了新的方向。
2.2云化數據中心變革
數據中心的發展是以基礎設施為基礎，隨著網絡和互聯網業務的發展而發展的，其發展進程大致可以分為三個階段。
（1）互聯網發展前的初期階段。這個階段主要為客戶提供網絡線路、通信設備、電源和場地等基礎電信資源與設施的托管及線路維護服務。
（2）互聯網發展階段。這個階段是因上世紀90年代互聯網的高速發展延伸而來的，以主機、網站等托管業務為主，提供場地出租、線路帶寬共享、主機托管維護、應用托管等服務。由于各類網站的發展，企業的各種互聯網設備如服務器、主機、出口帶寬等設備和資源需要集中放置、維護與管理，數據中心成為企業IT基礎設施放置和管理維護中心。
（3）云計算應用發展階段。本世紀互聯網、移動互聯網等技術尤其是云計算技術的發展，帶動了數據中心的新型產業，以大型化、虛擬化、綜合化為主要特征，更注重數據的存儲和計算能力的虛擬化、設備維護管理的綜合化。
隨著云計算越來越被客戶接受，數據中心承擔了云計算的各類應用，這樣就出現了云計算數據中心的概念。云計算數據中心通過大規模數據中心集成的方式，采用高性能基礎架構，實現資源按需提供，可以降低數據處理的平均費用，并通過規模運營降低能耗。
云計算正在引發新一代數據中心變革，引入了全新的建設和運營模式。云計算促使Google、微軟、IBM等大公司投入巨資，大力發展各自的數據中心，并向云方向轉化。Google在云計算IT基礎架構上投入巨資，在美國平均每個數據中心耗資約6億美元。微軟自2007年起在全球已經構建了15個數據中心，每家數據中心耗資平均達到5億美元。IBM也投入巨資向云計算服務方向轉變。
對大數據量進行高效存儲處理和降低運維的需求，正在促使傳統數據中心向滿足云計算應用條件的數據中心轉型。據IDC公司預測，到2020年，全球所有IT部門擁有服務器的總量將會比現在多出十倍（包括虛擬機和物理機），所管理的數據將增長50倍，而IT管理人員的總數增長只有1.5倍。云數據中心可以有效增強自動化運維管理，降低運營維護成本。
3 云化數據中心的關鍵節能技術
3.1云化數據中心與傳統數據中心的差別
數據中心是云計算發展的必要條件，云計算技術也為數據中心節能減排提供了新的技術保障。
從圖1可以看出，數據中心的能耗主要集中在IT設備、空調制冷、供電等方面。傳統數據中心節能也主要基于這幾方面進行，具體如下（數據來自于艾默生）：
（1）通信/IT設備節能是機房節能的基礎。主設備降耗100W，機房可降耗284W。因此，主設備的節能至關重要。
（2）空調設備節能是機房節能的關鍵。消除274W機房熱能需要消耗107W電能。
（3）供電系統節能是機房節能的重要要素。為194W負載供電，供電系統需要消耗18W電能。
由此可以看出，主設備的節能可以帶來級聯性的節能效果，不但降低了設備本身能耗，也降低了相關的空調、供電等能耗。云計算技術通過虛擬化、實時遷移電源管理技術，可以極大降低主設備的數量和運行效率及時間，進而極大降低主設備的能耗。
從設備層面來說，云化數據中心在服務器、機房、帶寬、電力、制冷等硬件基礎設施的節能處理上與傳統的數據中心沒有大的差別；但是，云計算通過虛擬化、實時遷移等技術可以節約能源、提高能效，真正實現節能減排。比如，Google、Facebook等大型云數據中心的能源利用率達到了90%以上。
3.2云化數據中心關鍵技術
云計算的核心技術包括并行技術、分布式文件系統、海量存儲處理、負載均衡等。在云化數據中心中，采用云計算技術實現數據中心節能最主要的技術是虛擬化，這也是云計算技術的本質特征。
虛擬化技術為數據中心的設計、建設和運營帶來了新的發展機遇。它對數據中心節能減排、降低投資和運營成本所起到的作用是顯而易見的：通過服務器整合，遏制了服務器數量的增長，極大減少了IT設備的采購量；極大減少了運營維護難度，提高了運維人員生產效率，大幅降低設備運行帶來的隱性消耗。
虛擬化技術涉及很廣，包括服務器、存儲、網絡、桌面和應用程序的虛擬化等，典型的虛擬化技術的原理如圖4所示。
圖4虛擬化技術原理
虛擬化后的主機形成各種硬件設備的資源池（如CPU、內存、存儲、網絡等），并采用動態資源調度技術（DRS），將同一資源池中的虛擬機和主機集中調度，實現負載均衡、電源管理、關聯性規則等功能。
從節約能耗出發，可以通過電源管理與關聯性規則結合，將符合節能策略規則的虛擬機遷移到其他主機上，從而通過電源管理，將空閑的主機關機，并在需要的時候，通過電源管理喚醒開啟主機。整個過程涉及到多項技術的協作，包括動態資源調度中的電源管理、關聯性規則、虛擬機在線遷移等。
同時，虛擬化技術將先進的自動化和系統管理引進到數據中心，為數據中心提供了一種共享、隔離（保障安全、可信）的云計算基礎架構，形成了云計算功能架構的彈性數據中心。
研究資料表明，虛擬化技術將IT環境改造成為更加強大、更具彈性的云架構，帶來了平均35%～75%的總體成本節約。通過將多個物理服務器整合到一個物理服務器，可以降低40%軟硬件成本，而服務器的平均利用率從7%提高到60%～80%，運營成本降低70%～80%。
4 結束語
本文對云化數據中心的節能減排關鍵技術和效果進行了探討。隨著云計算、虛擬化技術的發展，未來服務器、存儲、網絡等虛擬化整合效果會更加明顯。為了達到更好的節能減排效果，云計算數據中心需要從規劃、設計、選址到運營維護，全流程貫穿云計算、虛擬化和節能減排思想。
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本文標題：云化數據中心的節能減排探討
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