数据中心IT设备的能量消耗

1、在数据中心的IT设备，包含服务器、存储器、交换机等，其中以服务器数量最多，占绝大多 数。这些IT设备用电特性基本类似，本文以服务器为例。在数据中心中众多服务器为机架式服务器，部分高端数据中心采用小型机、大型机等大型服务器设备。图1：机架安装式服务器、小型机等服务器上的电源（POWER），和PC （个人电脑）电源一样，都是一种开关电源。比如联想 万全2200C/2400C服务器就采用了 EPS标准的电源，输出功率为300W，该电源输入电压宽范围为90264V，功率因数大于0.95。看看业界某知名厂商的一款1U标准服务器电源的铭牌: J 2 0A Ef 0 3AOUTPUT*12V m I 17A

2、25DW MAm +5V I 21A *5VSB *3 3V e i 2QA 取4 胡 i 土 TOTAL OUTfljT MOT EXCEED*33V4+5V 不些 mWU W H2V TOTAL OJTFUT NOT EXCEED WWH 3V &+JV & *12V 堪出本gii 24岫 7 4 42 J TOTAL CLRRPJT NOT EXCEED 064 加&七V以电施不图2：业界某知名厂商的一款电源的铭牌关于服务器电源的铭牌，一般不会直接贴在服务器的外壳，而是贴在服务器电源外壳比较空 旷的地方，通常都只有在从服务器取出服务器电源后才能看到。需要特别强调的是INPUT（输入）中2

3、20V是服务器电源额定输入电压；而4A指的是最大 输入电流能力，表征的电源最大输入电流能力。因此，服务器电源的输入功率（即消耗功率）不 能直接用输入额定电压x输入最大电流来计算。OUTPUT（输出）250W MAX，这个参数才是该服务器电源最大输出功率，这个参数对于数 据中心设计者才具有重要的设计意义，但很遗憾的是，通常服务器厂家没有将这个参数标识在服 务器外壳上，这个参数通常只有在服务器电源铭牌上才能看到。服务器电源的输出最大功率为250W，按照AC/DC转换效率85% （平均值），那么服务 器的输入功率（消耗功率）PSERVER为：Pserver=Pmax out/n = 250w/0.8

4、5 = 294.12W295W其中PMAX OUT等于250w，n为AC/DC效率，取平均值85%。服务器的输入功率（消耗功率）pserver代表服务器的最大工作功率，即在设计满配置（CP U、内存、硬盘等全满配置），CPU、内存和硬盘等设备全负荷100%速度工作时，所能消耗的 最大功率，而服务器使用过程中这种工况是非常罕见的。在数据中心设计中，我们可以参考配置系数c，同时利用系数k。Pactual= Pserver xcxk=295x0.8x0.8=188.8w，其中配置系数c取0.8，代表服务器电源的厂家裕量。k为同时利用系数，取0.8。上述数据符合实测结果，在某数据中心测量Dell Po

5、weredge 1U和2U服务器的波形为:图3： 2003年实际工作功率，非最大功率左图为 1U 服务器 222.5V*0.65A=144.63VA，右图为 2U 服务器 223.8*1.37 = 306.6 1VA以上讨论的是服务器配置一个电源的工作功率，但是为了提高服务器工作可靠性，目前服务 器普遍采用冗余电源技术，它具有均流、故障切换等功能，可以有效避免电源故障对系统的影响， 实现24x7的不停顿运行。冗余电源较为常见的是N + 1冗余（1 + 1、2+1、3+1等），可以保证一个电源发生故障的 情况下系统不会瘫痪（同时出现两个以上电源故障的概率非常小）。冗余电源通常和热插拔技术 配合，

6、即热插拔冗余电源，它可以在系统运行时拔下出现故障的电源并换上一个完好的电源，从 而大大提高了服务器系统的稳定性和可靠性。因为冗余电源的应用，带来新的问题：每一个服务器电源工作在较轻负荷状态之下，导致工 作效率降低，比如1 + 1电源配置下，每一个服务器电源的负载均小于50% （通常只有20%负 载），这样电源模块的效率将只有80%左右，甚至更低至75%。图4：较高效率的服务器电源效率图为了提高服务器电源的工作效率，减小服务器体积，服务器行业开始向刀片式服务器升级。所谓刀片式服务器，就是指服务器外形扁而平，活像个刀片，于是形象的叫做刀片服务器”。 在标准高度的机架式机箱内可插装多个卡式的服务器单

7、元（即刀片，其实际上是符合工业标准的 板卡，上有处理器、内存和硬盘等，并安装了操作系统，因此一个刀片就是一台小型服务器）， 这一张张的刀片组合起来，进行数据的互通和共享，在系统软件的协调下同步工作就可以变成高 可用和高密度的新型服务器。这些刀片服务器共用系统背板、冗余电源、冗余风扇、网络端口、光驱、软驱、键盘、显示 器和鼠标，一个机箱对外就是一台服务器，而且多个刀片机箱还可以级联，形成更大的集群系统。图5： IBM刀片服务器现场照片，每个机框可安装14个刀片因为一个标准机架式机箱通常内置了 814个刀片服务器，这些服务器是共用冗余电源，所 以服务器电源的工作效率得到很大提升。而刀片服务器因为体

8、积小，与同等速度与配置的机架式 服务器相比，更加省电与节能。表1列出了 IBM某款刀片服务器与同等配置机架服务器的功率和发热量对比。功率休眠 下T功率最大j单机功率休眠,下J&W）屋机功率最大） Jw）14个刀片包括框架和网络单 元；弱跄377718527014台1U机架式服务器276377Blade vs Rack33%-28%33%淬饷.相同配置：2=7,0GHz XeonE540 PU; 4*1 GB 内存, 2*146GB lOKtpmHDD硬盘表1： 2008年IBM某型号刀片式服务器与机架式服务器功耗对比显然，采用刀片式服务器，休眠状态、最大工况下，功率和发热量分别降低33%和28

9、%， 取中间值30%。在一个中等规模的数据中心，通常会有数千台服务器，假定某中型有2800台服务器（全部 折算为1U的标准机架服务器），那么折算的用电功率为：参考配置系数c=0.8PALL SEVER=PMAXxcx2800=377x0.8x2800=844.48kw，如果全部采用刀片式服务器，需要200个刀片机框+2800片刀片单元，这用电功率为：PALL BLADE=PMAXxcx2800 = 270 x0.8x2800=604.8kw，显然，采用刀片式服务器，节约电力239.68kw，假设全年计算时间利用效率为0.7,那么 可节省的电费为：E=（239.68x365x 24x0.7）/0.9 = 2332885.33kwHY=Ex0.7元/度= 163万元其中0.7为全年同时利用率；0.9为UPS的效率；电费粗略计为0.7元/度电。可见采用新型的刀片式服务器，节约的电费是惊人。而因为功率的节省，还会带来机房空调 的节电，这在下一节中介绍。宏观上，中国大陆