摘要：在數(shù)據(jù)中心能效評(píng)估領(lǐng)域，PUE(Power Usage Effectiveness)一直是數(shù)據(jù)中心的效率和綠色節(jié)能減排的重要衡量指標(biāo)。在文中，通過研究和最佳實(shí)踐來探索更準(zhǔn)確衡量數(shù)據(jù)中心的方法和標(biāo)準(zhǔn)，并希望通過這樣的探索，讓整個(gè)數(shù)據(jù)中心行業(yè)能夠?qū)π视懈逦鼫?zhǔn)確的認(rèn)識(shí)，進(jìn)而推動(dòng)整個(gè)數(shù)據(jù)中心行業(yè)效率的提升。
一、關(guān)于PUE
在數(shù)據(jù)中心能效評(píng)估領(lǐng)域，PUE(Power Usage Effectiveness)一直是數(shù)據(jù)中心的效率和綠色節(jié)能減排的重要衡量指標(biāo)。在文中，通過研究和最佳實(shí)踐來探索更準(zhǔn)確衡量數(shù)據(jù)中心的方法和標(biāo)準(zhǔn)，并希望通過這樣的探索，讓整個(gè)數(shù)據(jù)中心行業(yè)能夠?qū)π视懈逦鼫?zhǔn)確的認(rèn)識(shí)，進(jìn)而推動(dòng)整個(gè)數(shù)據(jù)中心行業(yè)效率的提升。
二、PUE的歷史，發(fā)展和存在的問題
PUE是由Christian Belady最早提出來的，客觀上來看，在PUE這個(gè)名詞誕生之前，在整個(gè)數(shù)據(jù)中心行業(yè)，并沒有一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，無論這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)或者衡量尺度是否精確，PUE給數(shù)據(jù)中心行業(yè)帶來了一股清涼的綠色之風(fēng)，讓整個(gè)數(shù)據(jù)中心行業(yè)都關(guān)注節(jié)能，PUE所帶來的影響和深遠(yuǎn)意義是毫無質(zhì)疑的。然而，關(guān)于PUE，在實(shí)際工作中，也發(fā)現(xiàn)存在了一些問題和容易混淆的地方。
首先，從定義開始，PUE = Total Facility Power / IT EquipmentPower .什么是total facility power?首先，舉個(gè)案例：大概3年前，在對(duì)行業(yè)中的數(shù)據(jù)中心PUE指標(biāo)做調(diào)查的時(shí)候，在和一個(gè)上海的數(shù)據(jù)中心用戶交流中，該數(shù)據(jù)中心用戶自己計(jì)算的PUE是1.8，這個(gè)數(shù)字是在客戶的新數(shù)據(jù)中心運(yùn)行了一年多以后，負(fù)載率已經(jīng)超過了80%，雖然沒有完全滿載負(fù)荷。其實(shí)，這樣的數(shù)據(jù)中心的數(shù)據(jù)已經(jīng)很難得了，因?yàn)橹袊臄?shù)據(jù)中心最缺乏的就是基準(zhǔn)點(diǎn)和參照點(diǎn)(benchmark)，在2-3年之前，沒有太多的數(shù)據(jù)可以追蹤，記錄和保存，也很難以進(jìn)行計(jì)算和比對(duì)。而根據(jù)客戶提供的電費(fèi)賬單和RPP(電源列頭柜)統(tǒng)計(jì)的機(jī)柜服務(wù)器消耗的電力數(shù)據(jù)，在進(jìn)行比對(duì)后，發(fā)現(xiàn)計(jì)算出來的結(jié)果和這個(gè)PUE=1.8存在偏差，計(jì)算結(jié)果是PUE=2.0.這是為什么?后來發(fā)現(xiàn)二者的計(jì)算方法的主要分歧在于對(duì)于市電引入的衡量點(diǎn)不一樣，該數(shù)據(jù)中心用戶用的是380V低壓側(cè)作為總電源輸入測量點(diǎn)，而PUE=2.0的測量點(diǎn)在10KV中壓側(cè)。這樣的案例很多，因?yàn)椋缙诮ㄔO(shè)的數(shù)據(jù)中心，相對(duì)于現(xiàn)在規(guī)劃，設(shè)計(jì)和建設(shè)的數(shù)據(jù)中心而言，電力容量都比較小，基本在380V，而最近幾年建設(shè)的數(shù)據(jù)中心，通常容量增大，相當(dāng)一部分客戶是10KV引入，并且10KV的引入完全是為數(shù)據(jù)中心服務(wù)的，不和商業(yè)建筑混用。這二者之間的最大差距在于電力傳輸中的損耗，即從10KV降壓到380V之間的損耗。基于380V引入的數(shù)據(jù)中心的衡量點(diǎn)是在380V低壓，而現(xiàn)在的大部分案例是基于10KV側(cè)的。但是對(duì)于該公式而言，并沒有定義該從哪個(gè)點(diǎn)進(jìn)行測量。同時(shí)，也一些新的技術(shù)的采用，如三聯(lián)供技術(shù)，LNG冷源的應(yīng)用，而這些并不能用total facility power來準(zhǔn)確衡量。
集裝箱數(shù)據(jù)中心的PUE值：不難從集裝箱式數(shù)據(jù)中心生產(chǎn)廠家中拿到PUE的指標(biāo)，該指標(biāo)通常很吸引人，但是如果仔細(xì)的思索一下，去探討一下該值的衡量點(diǎn)，也會(huì)發(fā)現(xiàn)類似于第一個(gè)案例中所發(fā)現(xiàn)的問題，因?yàn)榧b箱數(shù)據(jù)中心的電力引入是380V，而不是10KV，有的案例中，你還會(huì)發(fā)現(xiàn)，關(guān)于集裝箱數(shù)據(jù)中心空調(diào)制冷被排除在公式之外，或者被包含在IT equipment power中，用經(jīng)常說的一句話來說“看上去很美”(備注：本文并不是針對(duì)集裝箱數(shù)據(jù)中心的PUE進(jìn)行質(zhì)疑，關(guān)于集裝箱數(shù)據(jù)中心的未來在中國，可以從另外的一篇文章中有所論述，這里只是用來說明對(duì)PUE的公式的理解和存在的偏差)
服務(wù)器層面的損耗：在現(xiàn)在的公式中，服務(wù)器本身的功耗，如散熱風(fēng)扇和電源轉(zhuǎn)換中的電力損失(通常是指從交流220V到直流12V)被計(jì)算到IT equipment power中，但是隨著服務(wù)器廠商和芯片廠商對(duì)于服務(wù)器節(jié)能的最新設(shè)計(jì)，已經(jīng)有了一些全新的設(shè)計(jì)，諸如針對(duì)高壓直流的定制服務(wù)器，如在一個(gè)機(jī)柜內(nèi)，將原本安裝在單臺(tái)服務(wù)器的風(fēng)扇從服務(wù)器中分離出來(風(fēng)扇是12V直流供應(yīng))，而在整個(gè)機(jī)柜的背部，采用交流機(jī)柜大風(fēng)扇替代。還可以看到，有些案例，將機(jī)柜內(nèi)的多個(gè)單臺(tái)服務(wù)器的電源用集中的、基于機(jī)柜作為單位的電源進(jìn)行替代。在這些案例中發(fā)現(xiàn)，如果依然采用該計(jì)算方法的時(shí)候，雖然這些技術(shù)的改進(jìn)和創(chuàng)新，都是針對(duì)節(jié)能設(shè)計(jì)的，并且的確達(dá)到了節(jié)能的效果，但是當(dāng)計(jì)算PUE的時(shí)候，會(huì)發(fā)現(xiàn)PUE不但沒有降低，而且升高了，因?yàn)榘扬L(fēng)扇，電源等從IT equipment power中剝離出來，就像UPS的損耗一樣來看待。當(dāng)人們興致勃勃的看到創(chuàng)新的節(jié)能設(shè)計(jì)被采用，而PUE值不但不降低，而且升高的時(shí)候，大家都迷惑了，意識(shí)到單純用PUE來作為衡量指標(biāo)的時(shí)候，是存在一些不足和缺陷的。
以上提出的問題只是部分內(nèi)容，事實(shí)上，還存在一些其他問題，篇幅所限，不能完全展開。
三、國內(nèi)外行業(yè)專家和用戶的部分觀點(diǎn)
針對(duì)PUE存在的問題，美國亞馬遜的Amazon WebService的VP James Hamilton提出tPUe來作為衡量數(shù)據(jù)中心效率的觀點(diǎn)。
tPUE =Total Facility Power / Productive IT Equipment Power
關(guān)于Total facility power：
數(shù)據(jù)中心最常用的是10KV，即電氣行業(yè)中所說的中壓，在中國，雖然從電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)上來看，可以從35KV直接降壓到380V，但根據(jù)數(shù)據(jù)中心常用的架構(gòu)和最佳實(shí)踐，這不是一個(gè)最佳的技術(shù)方案，而在全國范圍內(nèi)而言，除個(gè)別新的地區(qū)采用20KV的技術(shù)外，10KV到用戶是最常用的一種技術(shù)解決方案，并且，中壓柴油發(fā)電機(jī)和中壓UPS技術(shù)的引入都是基于10KV這個(gè)等級(jí)的，因此，這里total facility power可以理解為10KV，而通常即使涉及到10KV是否專供數(shù)據(jù)中心還是混用，在今天數(shù)據(jù)中心的電氣設(shè)計(jì)中，在碰到這種情況下，也是按照變壓器進(jìn)行分離和隔離的，因此，10KV來衡量total facility power是可實(shí)現(xiàn)的，也是完全可以計(jì)算清楚和準(zhǔn)確的，不存在異議和混淆。而從國家電網(wǎng)(或南方電網(wǎng))的計(jì)費(fèi)方式來看，對(duì)于工業(yè)或者商業(yè)而言，對(duì)于10KV都有一個(gè)專用的計(jì)費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)于衡量其他指標(biāo)等，也是比較清楚的。
關(guān)于Productive ITEquipment Power：
這里指的是，服務(wù)器中真正用于計(jì)算部分的電力消耗，服務(wù)器本身的散熱風(fēng)扇，電源損耗被剝離，該部分也借鑒了ServerPUE的一個(gè)概念和說法，即基于服務(wù)器真正用于計(jì)算的那部分功耗。
在實(shí)際工作中不難發(fā)現(xiàn)，即使對(duì)于同樣架構(gòu)，同樣配置，同樣CPU利用率和負(fù)載情況下，不同生產(chǎn)廠家的服務(wù)器的耗電指標(biāo)也不盡相同，甚至差距很大，而在傳統(tǒng)的PUE算法和公式中，并沒有體現(xiàn)出諸如高溫服務(wù)器，高效服務(wù)器電源和服務(wù)器本身的節(jié)能技術(shù)帶來的影響，通過剝離該部分，讓用戶能更清楚準(zhǔn)確的看到不僅僅要關(guān)注諸如UPS，空調(diào)，照明等系統(tǒng)的節(jié)能，也要關(guān)注服務(wù)器設(shè)計(jì)上的節(jié)能，進(jìn)而推動(dòng)整個(gè)芯片設(shè)計(jì)，服務(wù)器設(shè)計(jì)和制造行業(yè)的節(jié)能技術(shù)的推廣和應(yīng)用，進(jìn)而真正全面達(dá)到用戶和消費(fèi)者的關(guān)注和期望。
四、PUE的創(chuàng)始人對(duì)PUE的反思和新的思考
對(duì)于PUE，可以看到Christian Belady也正在試圖對(duì)PUE進(jìn)行修訂，即DCP = Useful Work / Total FacilityPower，其目的是希望能看到真正有用的工作或者計(jì)算被衡量。同時(shí)，綠色網(wǎng)格組織也陸續(xù)出了其他衡量指標(biāo)，諸如WUE等。
五、本文的觀點(diǎn)，探索和最佳實(shí)踐
固然useful work的出發(fā)點(diǎn)是好的，但是幾乎很難衡量和測量，這可能也是制約該公式?jīng)]有被行業(yè)中大量采用的重要原因之一，同時(shí)，無論是出于各種原因，useful work的定義也存在一些偏差，容易引起歧義。
實(shí)際工作中，發(fā)現(xiàn)存在這樣的金字塔模型。雖然里面的數(shù)據(jù)在不同情況下，存在著偏差，不能完全放之四海而皆準(zhǔn)，但其邏輯關(guān)系是正確的，只是數(shù)據(jù)和數(shù)字在不同場景下是不同的，甚至差距很大。
同時(shí)，服務(wù)器的發(fā)展，路線圖和技術(shù)細(xì)節(jié)，包括服務(wù)器的能耗等，發(fā)現(xiàn)了類似下圖的邏輯關(guān)系。
備注：上圖僅僅是一個(gè)參考模型，實(shí)際情況，由于配置不同，應(yīng)用不同等各種因素的影響，存在著偏差。
通過研究和行業(yè)專家的研討，和原廠商的技術(shù)交流和聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室等活動(dòng)中，希望能夠更精確的找到衡量數(shù)據(jù)中心的效率，尤其是適應(yīng)云計(jì)算的云計(jì)算數(shù)據(jù)中心。并且這些研究對(duì)于高溫服務(wù)器，定制化服務(wù)器，共用服務(wù)器散熱設(shè)計(jì)的基于機(jī)柜為計(jì)算單元的服務(wù)器，高壓直流服務(wù)器提供更準(zhǔn)確的衡量，更有利于行業(yè)的技術(shù)發(fā)展，為企業(yè)創(chuàng)造更大的價(jià)值。
本文所推薦的衡量標(biāo)準(zhǔn)是DCP，即Data Center Productivity，其具體公式如下：Data CenterProductivity =Total Facility Energy / Productive IT Equipment Power
六、DCP的精確定義和理解
Data Center Productivity =TotalFacility Energy / Productive IT Equipment Power
Total Facility Energy的解釋：在中國，除了標(biāo)準(zhǔn)的市電引入外，也看到一些數(shù)據(jù)中心也在嘗試新能源的應(yīng)用，如風(fēng)力發(fā)電，太陽能源，三聯(lián)供技術(shù)等分布式能源技術(shù)，還有LNG的一些嘗試，國家在倡導(dǎo)節(jié)能減排，國家電網(wǎng)(或南方電網(wǎng))也有關(guān)于對(duì)于電網(wǎng)傳輸和客戶端的一些新技術(shù)和創(chuàng)新。因此單純用Power來衡量，并不能夠完全涵蓋這些領(lǐng)域，因此，用能源(Energy)作為數(shù)據(jù)中心的總輸入衡量，會(huì)更加準(zhǔn)確。
Productive IT Equipment的解釋：服務(wù)器即使在空閑的時(shí)間，即并沒有真正提供有價(jià)值的計(jì)算的時(shí)候，其本身也是在耗電的，雖然，相對(duì)而言比較低，但是在這個(gè)時(shí)間段，服務(wù)器的耗能其實(shí)并沒有創(chuàng)造生產(chǎn)力，換句話說，是沒有真正價(jià)值的。所以，本文希望來衡量真正創(chuàng)造價(jià)值，創(chuàng)造生產(chǎn)力的服務(wù)器能耗。即關(guān)注的是真正在進(jìn)行計(jì)算，真正在創(chuàng)造價(jià)值的這部分IT設(shè)備所產(chǎn)生的能耗。
七、如何衡量分布式能源數(shù)據(jù)中心的能效?
在去年的時(shí)候，對(duì)于分布式能源和數(shù)據(jù)中心結(jié)合的案例在中國并不多，而真正投入使用，并有足夠的運(yùn)行數(shù)據(jù)和模型支撐的又是寥寥無幾。但是今年，有幾個(gè)分布式能源在數(shù)據(jù)中心開始投入使用。如果數(shù)據(jù)中心采用分布式能源和電網(wǎng)相結(jié)合的方式，能效指標(biāo)又該如何衡量呢?
這的確是個(gè)困境，對(duì)于分布式能源，常用一次能源(Energy)利用率或者年均綜合能效作為衡量指標(biāo)，而目前數(shù)據(jù)中心基本都是用電(Power)作為衡量指標(biāo)。電(Power)是二次能源，是通過一次能源轉(zhuǎn)換過來的高級(jí)能源。
鑒于中國到目前為止，并沒有出臺(tái)國家級(jí)別的關(guān)于分布式能源的數(shù)據(jù)中心單位能耗監(jiān)測標(biāo)準(zhǔn)或者能效指標(biāo)，目前，只能借鑒國外行業(yè)和地方標(biāo)準(zhǔn)的衡量和測試方法。但相信，不久的未來，伴隨著分布式能源和數(shù)據(jù)中心的結(jié)合案例越來越多，必然會(huì)出臺(tái)相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)和衡量指標(biāo)。
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