本节仅从节能的角度讨论IT设备模块。IT设备是数据中心的基础核心设施,包括服务器、交换机和存储设备等。服务器数量在IT设备中是占绝大多数的机器,也是最重要的机器,因为成千上万的服务器需要随时处理大量的数据密集型业务。交换机在数据中心起着桥梁的作用,使得整个数据中心的服务器得以互联。数据中心的海量数据则存储在高效、可靠的存储设备中。
图2-2所示为从一个数据中心内部获得的一段时间内IT设备能耗的分布情况,其中,70%的能耗是由服务器产生的,剩下的能耗则来自不同层次的交换机。由此可见,研究数据中心的节能技术就是研究服务器和交换机的节能方式。
图2-2 数据中心的IT设备能耗
当今,数据中心大多配置服务器难以满足峰值流量的需求。服务器运算所耗费的能量在整个数据中心的能耗中占据很大的比例。但是,中央处理器(Central Processing Unit,CPU)一般只有30%的时间处于“忙时”状态,而大多数时间处在较低负载的运行状态,CPU的平均利用率仅为30%。服务器的能耗与CPU的利用率成正相关的关系。一台闲置的服务器需要消耗相当于其峰值运算时2/3的能耗,以保证内存、磁盘等的运行。但是,为了应对突发的峰值流量,会开启所有的服务器(即使处于空闲的状态),这势必会产生不必要的能耗。
现阶段,在硬件层面存在两种减少服务器运算能耗的方法:动态电压频率调整(Dynamic Voltage and Frequency Scaling,DVFS)和动态电源管理。
DVFS方案能根据负载的大小调整CPU的功耗,该技术在允许时钟频率自动调整的同时,也可实现电压值根据负载的利用情况自动变化的目的,从而达到节能的目的。它基于这样一个理论,即芯片的功耗同 V 2 × f 成正比,其中, V 是操作电压等级, f 是时钟频率。
DVFS仅仅关注CPU的能耗调整,而服务器的其他组件的能耗不会改变。相比之下,动态电源管理的优势就要明显得多,它可以通过关闭所有组件的电源来实现服务器的节能。例如,操作人员可以关闭某个处于空闲状态的服务器以实现节能。但是,当重新开启这个关闭着的服务器时,需要付出一定的重新配置的代价。另外一种方法就是使空闲的服务器进入休眠的状态,处于休眠状态的服务器虽然比关闭状态需要消耗更多的能量,但是唤醒服务器时需要付出的费用要比关闭时小得多。
DVFS通过调整运行时钟频率来按比例减小供电电压达到节能的目的,虽然这种方法可以有效地降低能耗,但是其依赖于硬件部件的设置来满足降低能耗的要求。动态电源管理(Dynamic Power Management,DPM)通过关闭服务器组件实现近似零的能够节约更多的能源。
网络设备由交换机和链路组成。链路的能耗和利用率并不成正比关系,链路的能耗取决于本身的容量。虽然不同厂商的交换机的能耗不尽相同,但是,其同端口和线卡的数量有着很大关系。为了达到数据中心节能的目的,相关人员需要把交换机和链路的能耗同时考虑在内。
数据中心网络设备的节能可以从自适应链路速率和休眠模式两个方面入手。自适应链路速率并不是为数据中心网络而设计的,而是广泛地应用于有线网络。自适应链路速率方式能根据流量需求,动态地调整链路速率。休眠模式是通过使处于空闲状态的交换机或者其相关组件进入休眠状态来实现节能的,但是,剩余的处于工作状态的组件必须满足流量波动的需求。在节能的同时,我们也应该保证服务质量(Quality of Service,QoS),数据中心网络的容错性也需要得到保证。