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从芯片开始 解决数据中心的“能源危机”

2010/3/4/11:25 来源:it168.com 作者:黄永兵
    随着服务器处理器遵循摩尔定律变得越来越强大,但它们消耗的电力和产生的热量也越来越多;同时,和磁盘存储技术发展使在线数据暴涨的现象类似,使用大容量存储系统消耗的电力几乎达到了和服务器一样多。随着计算能力和存储容量的快速增长,数据中心能耗(kWh,千瓦/小时)和功率密度(kWh/sq.ft.,千瓦时/平方呎)呈螺旋式上升,给现有数据中心配电和制冷系统带来了越来越大的负担。

  数据中心里的“能源危机”

  数据中心每消耗1瓦特电力需要3.413 BTU/小时的制冷量来消除产生的热量,根据气候的不同,以3.413 BTU/小时消除热量的速度需要额外的0.4-0.6瓦特电力。据惠普发布的一份报告显示,数据中心电力密度已经从1992年的2.1 kWh/rack(千瓦时/机架)上升到2006年的14 kWh/rack,现在急需要能够处理机房内“热点”的制冷系统。

  Ziff-Davis市调公司2005年11月发布的一份调查报告显示,71%的IT决策都与处理或跟踪电力消耗和制冷相关,63%是增加电力容量和扩大数据中心。2006年5月IDC做了一次类似的调查,发现电力供应和电力消耗位于数据中心亟待解决的前三个问题之列。

  另一方面的电力问题是电力成本越来越高,据IDC发布的一份报告显示,当前3年的电力和制冷成本基本上和数据中心固定资产的采购成本相当了,随着对计算能力的需求和电力成本的持续增长,电力将会成为IT预算的较大组成部分,在未来几年内可能会上升到50%。

  随着这些趋势的继续发展,数据中心管理人员需要认真考虑每一次电力和制冷投入的影响,此外,电力和制冷的生命周期成本将会成为计算TCO时的重要因素,而TCO在竞争解决方案中进行选择时具有指导作用。服务器电源效率指标是由EPA开发的,EPA希望数据中心设备制造商发布能源之星指标,帮助客户更好地管理电力消耗。关键的电源效率指标可望使用负载/瓦特(服务器使用),GB/瓦特(存储使用),Gbps/瓦特(网络使用)。在朝标准化努力的同时,最终用户可以开发自己的电源效率指标,例如,对于计算能力效率,可以使用关键应用程序除以对应的电力消耗瓦特数,对于高性能计算,Mflops/watt(百万次浮点运算秒/瓦特)是通用的电源效率指标,对于数据库应用负载,对于一个给定大小的数据库,TPC-H综合查询每小时/瓦特(QpHH/watt)是一个合理的电源效率指标。

  集中关注电力消耗和电源效率有以下潜在的好处:

  ——延长现有数据中心的使用周期,减小改造成本;

  ——夺取电力和制冷成本的部分控制权;

  ——优化新数据中心的设计。

  管理数据中心电力和制冷

  优化数据中心的整体电源效率需要一个综合办法,要从技术和策略上,在基础设施的每一层同时最小化电力消耗和最大化电源效率,包括CPU芯片、电源、服务器、存储设备和网络设备,除了最大化硬件设备的电源效率外,还有软件策略需要考虑,如服务器虚拟化,通过服务器虚拟化可以极大地减少电力消耗。

  CPU芯片

  在一个给定的计算性能水平下,CPU芯片的基础架构可能对电力消耗有重大影响,例如,在CPU上集成内存控制器可以减少芯片集的整体功耗,许多服务器制造商为给定服务器模型提供了多种CPU选择,在产品选型和交易时可以考虑电源效率。每芯片的晶体管数量几何增长定律预计到2010年仍然会保持不变,每个芯片的电力和时钟频率保持水平增长。这些技术趋势促使芯片制造商转向多核芯片,以充分利用晶体管的密度,例如,双核CPU可以比单核CPU提供更好的性能,因为只需缩减大约15%-20%时钟频率就可减少约40%的电力消耗。

  图 1 晶体管/芯片,时钟速率和电力/芯片的增长趋势,

  应用程序可以从多核芯片架构获得许多好处,包括多线程(如集群计算),事务处理和多任务应用程序,对于这些应用程序,一个双核处理器比单核处理器在消耗相同电力的情况下,可以提供高于60%的性能,但单核处理器为I/O密集型,单线程应用程序提供更好的性能,因为多核需要争夺内存和I/O带宽。从性能和电力角度看,多核CPU的趋势将会驱动新应用程序多线程编程模型的优先级。

  第二个提高电源效率的芯片级技术是动态时钟频率和电压调节(Clock Frequency and Voltage

  Scaling,CFVS),CFVS通过动态调整CPU的性能(通过时钟速率和电压)提供按需的性能以满足工作负载,使用CFVS时,CPU以最小时钟速率(和功率电平)运行,提供与当前工作负载完全匹配的计算能力,时钟频率和电压通过操作系统的电源管理工具调用行业标准“高级配置和电源接口(ACPI)”进行控制。

  CFVS的好处见图2所描绘的内容,在左边的图中,显示了电力消耗和CPU利用率之间的关系,CFVS在空闲时可以提供高达75%的电力节省,在CPU利用率达到20%-80%范围时可节省40%-70%的电力消耗,在右边的图中,电源效率是以工作量/瓦特为单位的,因为CPU性能不是由CFVS降低的,相反,使用CFVS可能会使电源效率大大提高。

  图 2 在电力消耗和电源效率方面CFVS的影响

  服务器

  机架优化的服务器和刀片服务器可以共享大量的组件,包括更高效的电源供应和制冷子系统,与传统服务器比较,刀片服务器可以减少约20%-50%的电力消耗,同时也减少了设备的占地面积,结果是总体电力消耗减少了,但电力密度增加了,即“瓦特/机架”的数量上升了,电力密度越高(在大于12-15 kWh/rack范围内)对制冷的要求也越高,如刀片服务器机架的液体制冷。无论选择哪种服务器包装方式,服务器电力供应(以及数据中心所有设备的电力供应)都应该尽可能选择更高的电源转换效率(例如,转换效率超过80%,功率系数就接近1.0)。

  服务器虚拟化

  服务器虚拟化通过应用程序整合,减少物理服务器的数量,淘汰低利用率的服务器,减少服务器的数量最大可能节省50%的电力消耗。服务器虚拟化非常有吸引力,因为它可以部署在现有服务器上,使应用程序中断时间缩短到最小,除了省电外,它还具有其它方面的TCO好处。

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