文｜艾默生網(wǎng)絡(luò)能源有限公司 傅烈虎 和小偉 丁麒鋼 曹 播

綠色節(jié)能是數(shù)據(jù)中心的一個(gè)發(fā)展趨勢(shì)，自從Green Grid（綠色網(wǎng)格組織）提出用PUE指標(biāo)來(lái)衡量數(shù)據(jù)中心的節(jié)能情況以來(lái)，在業(yè)界的應(yīng)用十分廣泛。用以Power定義的PUE來(lái)衡量數(shù)據(jù)中心的節(jié)能情況合理？PUE達(dá)到1.6的數(shù)據(jù)中心就一定節(jié)能？筆者認(rèn)為，只有將時(shí)間納入PUE的定義中計(jì)算出來(lái)的結(jié)果才具有實(shí)際意義，并提出了基于動(dòng)態(tài)部分負(fù)荷工況下的WAPUE的概念，給出了其計(jì)算公式。

1 Power和Energy

1.1 物理概念

Power和Energy是兩個(gè)與能量有關(guān)的物理概念。Power表征了滿負(fù)荷工況下單位時(shí)間內(nèi)的數(shù)據(jù)中心整體能耗大?。籈nergy表征的是一定時(shí)間周期內(nèi)數(shù)據(jù)中心整體能耗的多少。從這層物理意義上講換句話說(shuō)，Power是一個(gè)狀態(tài)量，描述的是一個(gè)“點(diǎn)”特征；而Energy是一個(gè)過(guò)程量，表達(dá)的是一個(gè)“線”特征?！包c(diǎn)”動(dòng)成“線”，從數(shù)學(xué)意義上說(shuō)，Energy就是一系列Power點(diǎn)組成的曲線，如圖1所示。

圖1 功率與電量的關(guān)系

1.2 成本投資

對(duì)數(shù)據(jù)中心的設(shè)計(jì)而言，Power一般取系統(tǒng)的峰值，數(shù)據(jù)中心的電力系統(tǒng)將會(huì)按照這個(gè)峰值功率來(lái)設(shè)計(jì)，如果考慮未來(lái)的擴(kuò)容需求，這個(gè)峰值功率取值會(huì)更大。由此看出，Power決定了一個(gè)數(shù)據(jù)中心的初期投資成本的大小，同時(shí)這個(gè)峰值功率允許客戶根據(jù)實(shí)際需求對(duì)數(shù)據(jù)中心分期投資建設(shè)，延緩高額投資的周期。Power的“點(diǎn)”特征決定了它在數(shù)據(jù)中心的生命周期內(nèi)不會(huì)受到實(shí)際設(shè)備動(dòng)態(tài)負(fù)荷的影響，它在數(shù)據(jù)中心的設(shè)計(jì)初期就已經(jīng)是一個(gè)確定的量。

而Energy的大小在數(shù)據(jù)中心的建設(shè)初期是無(wú)法確定的，這也是它作為一個(gè)過(guò)程量的具體表現(xiàn)。正是由于Energy的這種“線”特征決定了它會(huì)影響數(shù)據(jù)中心的運(yùn)行成本。一般IT運(yùn)維人員對(duì)Energy比較關(guān)注，并且Energy會(huì)隨實(shí)際設(shè)備的動(dòng)態(tài)負(fù)荷的變化而變化。比如：通信公司的數(shù)據(jù)中心，白天的話務(wù)量會(huì)比黑夜的話務(wù)量多，周末的話務(wù)量沒(méi)有工作日的多，在話務(wù)量比較低的時(shí)候服務(wù)器可以采用休眠功能來(lái)降低Energy；對(duì)于機(jī)房環(huán)境而言，特別是北方晝夜溫差比較大的地區(qū)，建筑物結(jié)構(gòu)傳熱負(fù)荷白天和晚上會(huì)不一樣，夏季和冬天也會(huì)不同，在室外氣溫比較低的時(shí)候可以采用室外冷源實(shí)現(xiàn)自然冷卻來(lái)減小Energy的消耗。這些差異和變化都會(huì)影響Energy的大小，從而也就影響了數(shù)據(jù)中心一定周期內(nèi)的運(yùn)行成本。

2 傳統(tǒng)PUE的概念

傳統(tǒng)PUE的概念由Green Grid首次提出，并定義如下：

式中：數(shù)據(jù)中心總功率為供配電功率、制冷系統(tǒng)功率和IT設(shè)備總功率之和；IT設(shè)備總功率包括計(jì)算單元功率和風(fēng)扇功率。

根據(jù)數(shù)據(jù)中心的電能流向圖（見(jiàn)圖2所示），用兩塊功率表放在A和B處，即可計(jì)算瞬時(shí)PUE的大?。?/p>

式中，Power-A即為數(shù)據(jù)中心總功率，數(shù)據(jù)中心總功率可用一塊功率表在圖2中的A點(diǎn)測(cè)量獲得；Power-B即為IT設(shè)備總功率，IT設(shè)備總功率可用一塊功率表在圖2中的B點(diǎn)測(cè)量獲得。

圖2 數(shù)據(jù)中心電能流向圖

筆者之所以把上述PUE稱為瞬時(shí)PUE是因?yàn)樗](méi)有引入時(shí)間概念，或可以認(rèn)為當(dāng)時(shí)Green Grid是在假定數(shù)據(jù)中心的負(fù)荷處于穩(wěn)態(tài)情況下提出PUE的概念。以Power來(lái)定義PUE只能反映在滿負(fù)荷的穩(wěn)態(tài)情況下數(shù)據(jù)中心節(jié)能指標(biāo)的大小，不具有普遍意義，因?yàn)閷?shí)際的數(shù)據(jù)中心內(nèi)負(fù)荷變化是相當(dāng)復(fù)雜的，以某一個(gè)特定工況的PUE來(lái)表征數(shù)據(jù)中心一定周期內(nèi)的能耗指標(biāo)是不合適的，具有片面性。動(dòng)態(tài)變化的負(fù)荷會(huì)導(dǎo)致出現(xiàn)動(dòng)態(tài)的PUE。因此，筆者認(rèn)為有必要全面審視數(shù)據(jù)中心的能耗指標(biāo)，在引入時(shí)間因子的前提下提出基于動(dòng)態(tài)部分負(fù)荷的以Energy來(lái)定義PUE的觀點(diǎn)。

3 WAPUE的定義與計(jì)算

Weighted Average Power Usage Effectiveness（加權(quán)平均能量使用效率）簡(jiǎn)稱WAPUE，即為加權(quán)平均PUE。WAPUE的概念與PUE的概念極為相似，定義如下：

式中，∫PowerDCdt為數(shù)據(jù)中心總電量，可用一塊電度表在圖2中的A點(diǎn)在一定周期內(nèi)測(cè)量獲得；∫PowerITdt即為IT設(shè)備總功率，可用一塊電度表在圖2中的B點(diǎn)在一定周期內(nèi)測(cè)量獲得。

從上述定義可以看出，WAPUE與PUE的顯著區(qū)別就在于引入了時(shí)間因子，反映在數(shù)據(jù)中心電能流向圖上A和B處放置兩個(gè)電度表，即可測(cè)量并計(jì)算WAPUE。但是，在數(shù)據(jù)中心的設(shè)計(jì)與咨詢的早期要確定WAPUE是沒(méi)有辦法用電度表去測(cè)量的。測(cè)量的方法對(duì)我們以一個(gè)典型的數(shù)據(jù)中心進(jìn)行PUE或者WAPUE研究，并指導(dǎo)我們確定TA、TB、TC、TD……等大小最為有效。

式中，PUEA為TA時(shí)間段內(nèi)的平均PUE；PUEB為TB時(shí)間段內(nèi)的平均PUE；PUEC為TC時(shí)間段內(nèi)的平均PUE；PUED為TD時(shí)間段內(nèi)的平均PUE；依次類推。

通過(guò)公式（3）計(jì)算WAPUE是非常復(fù)雜的，利用數(shù)學(xué)積分的思想，“化曲為直，以直代曲”，將由Power曲線包圍的面積轉(zhuǎn)化為由一系列穩(wěn)態(tài)Power矩形面積的總和（如圖3所示），亦即將一段周期內(nèi)的計(jì)算簡(jiǎn)化為以某幾個(gè)典型特征工況下的穩(wěn)態(tài)PUE的計(jì)算。由公式（4）可以看出，WAPUE實(shí)質(zhì)上是一系列穩(wěn)態(tài)工況下PUE的算術(shù)加權(quán)平均值。

圖3 動(dòng)態(tài)PUE

確定了TA、TB、TC、TD等的具體大小，就等于是確定了每個(gè)工況下PUE的加權(quán)因子，即可計(jì)算出加權(quán)平均PUE的大小。目前，加權(quán)平均PUE的概念國(guó)內(nèi)外鮮有報(bào)道，其重要意義還不為人們所理解。筆者認(rèn)為，今后同行們所做的工作一個(gè)重要方向應(yīng)該是確定符合我國(guó)的國(guó)情的每個(gè)工況下的PUE權(quán)重，從而獲得最終的WAPUE的表達(dá)式并使之在數(shù)據(jù)中心具有普適性，并上升為一條衡量數(shù)據(jù)節(jié)能大小的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。

4 WAPUE的進(jìn)一步深化

綠色網(wǎng)格組織（Green Grid）提出PUE大于1，且大于1的部分由供電因子（PLF）和制冷因子（CLF）兩組分組成，即：

同理，動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)中心的加權(quán)平均PUE（WAPUE）中大于1的部分亦可由加權(quán)平均供電因子（WAPLF）和加權(quán)平均制冷因子（WACLF）兩部分組成，且其定義如下：

式中，PLFA為TA時(shí)間段內(nèi)的平均供電因子PLF；PLFB為TB時(shí)間段內(nèi)的平均供電因子PLF；PLFC為TC時(shí)間段內(nèi)的平均供電因子PLF；PLFD為TD時(shí)間段內(nèi)的平均供電因子PLF；依次類推。

式中，CLFA為TA時(shí)間段內(nèi)的平均制冷因子CLF；CLFB為TB時(shí)間段內(nèi)的平均制冷因子CLF；CLFC為TC時(shí)間段內(nèi)的平均制冷因子CLF；CLFD為TD時(shí)間段內(nèi)的平均制冷因子CLF；依次類推。

公式（6）的意義在于將WAPUE進(jìn)行了分解細(xì)化，把對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的能耗研究轉(zhuǎn)化為各個(gè)子系統(tǒng)的能耗研究，有利于更加清晰的認(rèn)識(shí)各個(gè)子系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)耗能情況。

5 計(jì)算實(shí)例

以一年8760小時(shí)為一個(gè)周期，數(shù)據(jù)中心的動(dòng)態(tài)部分負(fù)荷簡(jiǎn)化為4個(gè)穩(wěn)態(tài)工況：A、B、C、D。4個(gè)穩(wěn)態(tài)工況下PUE值分別為PUEA=1.8，其中PLFA=0.2，CLFA=0.6；PUEB=2.2，其 中PLFB=0.3，CLFB=0.9；PUEC=1.9，其 中PLFC=0.25，CLFC=0.65；PUED=1.7，其中PLFD=0.15，CLFD=0.55。這4個(gè)穩(wěn)態(tài)工況的持續(xù)時(shí)間分別為TA=2000小時(shí)，TB=1600小時(shí)，TC=2800小時(shí)，TD=2360小時(shí)，則根據(jù)公式（4），WAPUE計(jì)算如下：

WAPUE＝（1.8×2000+2.2×1600+1.9×2800+1.7×2360）/8760＝1.88

或者根據(jù)公式（6）、（7）、（8），WAPLF、WACLF和WAPUE分別計(jì)算如下：

WAPLF＝（0.2×2000+0.3×1600+0.25×2800+0.15×2360）/8760＝0.22

WACLF＝（0.6×2000+0,9×1600+0.65×2800+0.55×2360）/8760＝0.66

WAPUE＝1+0.22+0.66＝1.88

由圖4～6可以看到，對(duì)于一個(gè)數(shù)據(jù)中心而言，用A、B、C、D四個(gè)工況下的任何一個(gè)PUE值來(lái)代表數(shù)據(jù)中心一個(gè)完整周期內(nèi)的PUE值都是不恰當(dāng)?shù)?。這些PUE值是動(dòng)態(tài)變化的，它們隨著時(shí)間的推移、負(fù)荷的變化而忽大忽小的變化著。這就使得用傳統(tǒng)的PUE值來(lái)衡量并判定數(shù)據(jù)中心節(jié)能與否具有宏觀的局限性。只有對(duì)一個(gè)個(gè)動(dòng)態(tài)PUE進(jìn)行算術(shù)加權(quán)平均后獲得的WAPUE值才能作為衡量數(shù)據(jù)中心的節(jié)能尺度，成為判定數(shù)據(jù)中心節(jié)能大小的普適指標(biāo)，具有客觀的實(shí)際意義。

圖4 不同工況下的PLF與WAPLF對(duì)比

圖5 不同工況下的CLF與WCPLF對(duì)比

圖6 不同工況下的PUE與WAPUE對(duì)比

6 結(jié)束語(yǔ)

（1）Power和Energy是兩個(gè)不同的物理概念，前者決定了數(shù)據(jù)中心的初期投資成本，后者決定了數(shù)據(jù)中心的運(yùn)行成本。

（2）PUE作為衡量數(shù)據(jù)中心的節(jié)能指標(biāo)具有一定的片面性，用引入時(shí)間因子后基于動(dòng)態(tài)部分負(fù)荷工況下的WAPUE來(lái)衡量實(shí)際數(shù)據(jù)中心的節(jié)能指標(biāo)更具有指導(dǎo)意義。

（3）WAPUE的計(jì)算關(guān)鍵在于加權(quán)因子的確定，提出一個(gè)明確的WAPUE的計(jì)算公式，使加權(quán)因子具有普適性，就等于占領(lǐng)數(shù)據(jù)中心節(jié)能方面的全新理念的一個(gè)制高點(diǎn)。