数据中心的规模增长与效率提升
数据中心的规模增长与效率提升
在过去几十年中，数据中心经历了显著的规模增长和密度提升。从硬件设备的微型化到CPU性能的飞跃，再到存储容量的大幅增加，这些技术进步不仅推动了数据中心的快速发展，也带来了能源效率和环境影响方面的挑战。本文将深入探讨数据中心的规模增长、效率提升以及绿色IT的发展趋势。
在过去几十年中，数据中心的规模（在机架和机柜数量方面）和密度都在增长。
下图显示 Google 拥有的数据中心的视图。
图 17：Google 数据中心（来源）
数据中心增长
由于 CPU、集成电路 (IC) 和印刷电路板 (PCB) 设计的进步，更高的密度成为可能。 这样便可在相同面积内产生速度更快且功能更强大的计算机。
在过去四十年中，集成线路上元件的最小尺寸（称为特征尺寸）已缩小了几个数量级。 单个晶体管的尺寸从 1971 年的约 10 微米缩小到 2014 年的约 0.022 微米。 随着单个晶体管变得越来越小，可以在同一个硅片上容纳更多的晶体管，因此每个晶体管的功耗更少。
在相同的散热限制下，CPU 已从单核增加到 16 核，晶体管数量从数百万个增加到数十亿个。 此外，还出现了加速器/协处理器，每个可提供数百个额外的浮点单元 (FPU)，每瓦的每秒浮点运算次数 (FLOP) 在不断增加。 此外，最近的存储阵列已从每个机架单元支持 3 个或 4 个机械硬盘，发展到每个机架单元支持 15 到 21 个硬盘。
因此，尽管多年来单个组件的功率效率有所提高，但计算机本身却变得更加密集，每平方英尺容纳更多的处理核心、内存和存储。 这种密度导致每个机架和每平方英尺的总功耗在过去几年中大幅增加。 此趋势意味着每个数据中心的电力和冷却要求也会增加。
现在，大型数据中心消耗数兆瓦的电力，这与一个小镇的电力要求大致相同。
图 18：功率密度的趋势
数据中心效率
信息和通信技术 (ICT) 现在约占全球碳排放量的 2%。1数据中心当前约占该排放量的 15%（或全球总排放量的 0.3%）。 随着 ICT 在全球范围内的扩散，随着越来越多的人使用它，在可预见的未来，ICT 的能源消耗将大大增加。
在过去十年左右的时间里，人们越来越关注“绿色”IT（即节能计算）。 在本模块后面的部分中，我们将讨论行业中可用的各种方法，以减少功耗和碳排放量。
数据中心的许多部分都在努力提高 IT 的功率效率。
服务器
整个服务器尝试通过进入空闲状态来降低功耗，在这种状态下，当系统利用率不足时，它们会暂时关闭电源或降低组件功耗。 例如，在繁忙时通常会消耗 650 W 的服务器可以在空闲时缩减到约 200 W。 此外，通过虚拟化可以更好地管理 IT 资源，并使组织可以将各台服务器合并到更少的物理服务器上。
服务器组件
在单台服务器中，CPU 和其他集成电路在维持或减少功耗的同时提高了性能。 人们还在努力降低空闲功耗（CPU 利用率较低的时间段）。 此外，多核 CPU 的动态时钟技术使这些 CPU 可以基于使用情况降低单个核心的时钟速率，并可以显着降低空闲功耗。
电源
分配和管理电源的系统，以及提供备用电源的系统最近已成功提高效率的目标。 在以前向单个数据中心机架提供 110 到 220 伏交流电 (VAC) 的情况下，高压（277 到 480 VAC）现在变得越来越流行，因为这种配置需要较少的降压变压器。
电源的效率是其输出功率除以其输入功率的比率。 例如，完全加载的 800 W 电源在效率为 80% 时会消耗 1000 瓦的功率，剩余 200 W 作为热量损失。 这些电源最近提高了效率，其中一些达到 95%。 备用设计直接向服务器馈送直流电，而不是在每个机架上将交流电转换为直流电。 通过向每台服务器提供高电压直流电 (HVDC)，可以在机架中使用更高效的直流/直流电源。
集中式大型不间断电源 (UPS) 系统也会导致交流/直流转换损失。 为了最大限度地减少这些损失，许多公有云提供商采用了分散式 UPS 计划，包括每台服务器专用的备用电池。 有些制造商现在可为数据中心提供这一基于服务器的 UPS 配置。
冷却
冷却领域也取得了重大进展。 用于为 IT 设备供电的所有电力最终都会转化成热量（和一些噪音）。 这种热量必须从设备散发出去。 传统服务器机房冷却使用架空地板通风室以及计算机机房空调 (CRAC)，但这限制了冷却密度。 提高效率和容量的新方法包括热通道隔离、行内冷却、针对机架的液体冷却，甚至是将设备完全浸入矿物油中。 蒸发冷却技术（作为设施的一部分）比制冷机和压缩机更节能。 在较冷的气候中，许多服务器机房设计为混合较冷的室外空气，并回收服务器产生的热量以供建筑物中的其他位置使用。
在数据中心提高功率效率的主要驱动力是降低运营成本。 从电力公司获得的任何电力都需要计费，但只有进入 IT 设备的电力才被视为有用。 其余损失最终会成为热量。 同样，冷却系统越高效，每月成本便越低。
你知道吗？
每次从交流电转换为直流电时（或相反情况），都会损失能量。 同样，电压电平之间的转换效率从不会是 100%。
后面的模块中介绍了计算和提高数据中心功率效率的技术。