数据中心能效技术深度解析
数据中心能耗现状
当您将照片上传到Instagram、将手机备份到"云"端、通过GMail发送电子邮件或在Dropbox或Google Drive等存储应用中保存文档时，您的数据正被保存在数据中心中。这些数据中心是飞机库大小的仓库，堆满了服务器机架和冷却机制。根据您使用的应用程序，您很可能正在访问Facebook、Google、Amazon或Microsoft的数据中心之一。
能效衡量标准：PUE
功率使用效率（PUE）定义为数据中心所需的总能量（包括照明和冷却）除以服务器使用的能量。1.0将是完美的PUE，因为100%的电力消耗用于计算。传统数据中心的PUE约为2.0，而超大规模数据中心已将其降至约1.2。根据Uptime Institute 2019年对1,600个数据中心的调查，平均PUE为1.67。
Google声称其所有数据中心的年平均PUE为1.1，个别数据中心的PUE低至1.08。Google降低PUE的行动之一是利用机器学习根据当地天气和其他因素冷却数据中心。
数据中心能耗分布
根据《Procedia Environmental Sciences》的一项研究，数据中心中48%的电力用于服务器和机架等设备，33%用于供暖、通风和空调（HVAC），8%用于不间断电源（UPS）损耗，3%用于照明，10%用于其他所有用途。
开放计算项目的能效创新
2011年，开放计算项目在Facebook帕洛阿尔托总部的地下室实验室启动。他们的使命是从头开始设计最有效、最经济的规模化运行计算方式。这导致使用480VAC配电系统来减少能量损失，移除服务器中任何无助于效率的部件，在冬季重新使用热通道空气加热办公室和流入数据中心的外部空气，并消除对中央电源的需求。
开放机架设计
开放机架设计包括一个电源总线，向节点分配12VDC或48VDC的分布式电源。总线沿机架背面垂直运行。它将电力从机架级电源单元（PSU）传输到机架中的服务器。总线允许服务器直接插入机架获取电力，因此在维修开放机架时无需拔掉电源线，只需从机架前部拉出服务器即可。
冗余设计
传统服务器在每个服务器中都有PSU。开放机架设计为机架集中了PSU，允许机架实现N+M冗余，最常见的部署是N+1冗余。这意味着每机架服务器有一个额外的PSU。在传统系统中，这将是1+1，因为每个单独的服务器中都有一个额外的PSU。通过将PSU集中在机架中，这减少了电源转换组件，从而提高了系统效率。
适当规模的PSU
服务器设计者倾向于选择具有足够余量的PSU，以提供最大配置的电力。服务器供应商宁愿携带少量过大的电源SKU，也不愿携带大量适合用途的适当规模电源SKU，因为规模经济偏好前者。这导致传统电源的过大系数至少为所需容量的2-3倍。
电源效率图解读
每个电源都有一个负载与效率的最佳点。80 Plus是PSU效率测量的认证计划。有几个不同的等级：Bronze、Silver、Gold、Platinum和Titanium。80 Plus标准中最节能的等级是Titanium。数据中心中最常用的PSU等级是80 Plus Silver，最大效率为88%。这意味着在各种负载水平下，它会将12%的电能作为热量浪费掉。
无电源总线的开放计算服务器
并非所有开放计算服务器都包括电源总线。Microsoft的Olympus服务器需要交流电源。Olympus电源有三个340W电源模块，每相一个，总最大输出为1000W。因此，这些电源假定所有部署都是三相电源。
技术权衡
使用每服务器交流电源与机架级直流电源是一个权衡。通过拥有独立的电源，不同的工作负载可以平衡它们各自消耗的电力，而不是在机架级别平衡。但反过来，Microsoft需要构建和制造多个电源，以确保它们适合在每个服务器配置中以最高效率运行。
电源与电阻的关系测量
欧姆定律声明电流（I）与电压（V）成正比，与电阻（R）成反比，因此V=IR。要查看功率与电阻的关系，我们将欧姆定律（V=IR）与P = IV结合，这转化为功率（P）是电流（I）和电压（V）的乘积。代入I = V/R得到P = (V/R)V = V²/R。然后，代入V = IR得到P = I(IR) = I²R。因此P = I²R是我们可以计算由于总线中电阻导致的功率损失的方式。
不间断电源（UPS）考量
对于直流机架级设计，电池组可以直接连接到总线。机架级PSU是第一个AC-to-DC转换阶段，因此不需要另一个转换，因为从那里开始的所有设备都运行在直流上。缺点是机架级PSU需要调整电压水平以充当电池充电器。
通过设计机架级架构，可以比传统服务器在功率效率上实现巨大改进，因为PSU将更少过大、更 consolidated，并且为机架而不是每个服务器冗余。虽然超大规模数据中心已从这些功率效率增益中受益，但大多数行业仍在等待。开放计算项目启动是为了让运行数据中心的其他公司也能从功率效率中受益。