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走進(jìn)數(shù)據(jù)中心、揭秘你所不知道的能耗節(jié)省大法

2018-11-21 13:37:03   作者:   來源:CTI論壇   評論:0  點(diǎn)擊:


  先讓我們走進(jìn)恢宏壯觀而神秘的數(shù)據(jù)中心…


  一排排機(jī)柜整齊排列,服務(wù)器和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備層層堆疊,設(shè)備不停的運(yùn)轉(zhuǎn),無數(shù)個(gè)風(fēng)扇發(fā)出嗡嗡作響聲。
  突然,有機(jī)柜發(fā)出了更響亮的嗡嗡聲,這是服務(wù)器的風(fēng)扇正在全速運(yùn)轉(zhuǎn)。
  隨后,傳來了告警聲,這是服務(wù)器沒有得到足夠的制冷而發(fā)出的求救信號(hào)。
  不一會(huì),最糟糕的事情發(fā)生了,服務(wù)器過熱保護(hù),自動(dòng)關(guān)閉運(yùn)行,這或?qū)?dǎo)致大量的用戶無法訪問服務(wù)器。
  與家用空調(diào)不同,機(jī)房設(shè)備更需高效、可靠的呵護(hù)。一個(gè)數(shù)據(jù)中心動(dòng)輒數(shù)千臺(tái)服務(wù)器,大量的設(shè)備所消耗的電能幾乎都會(huì)變成廢熱,為了讓每臺(tái)設(shè)備保持在恒定的溫度下正常運(yùn)轉(zhuǎn),數(shù)據(jù)中心配置了如冷水機(jī)組、冷卻塔、末端空調(diào)等設(shè)備的大型的制冷系統(tǒng)來吸入熱空氣、排出冷空氣。
  可你知道嗎?為了排放廢熱,這些制冷系統(tǒng)是數(shù)據(jù)中心的耗電大戶,降低數(shù)據(jù)中心的能耗(降低PUE值)一直是業(yè)界關(guān)注的焦點(diǎn)。
  一個(gè)大型數(shù)據(jù)中心的電費(fèi)占據(jù)了約70%的運(yùn)營成本,全球數(shù)據(jù)中心每年電力消耗相當(dāng)于8個(gè)三峽水電站的發(fā)電量。例如PUE為2的數(shù)據(jù)中心,在總能耗中,IT設(shè)備能耗占了一半,制冷系統(tǒng)能耗占約30%,這就是PUE居高不下的原因。
  近年來,隨著移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算技術(shù)的蓬勃發(fā)展,數(shù)據(jù)中心已成為現(xiàn)代信息生活不可或缺的ICT基礎(chǔ)設(shè)施。面向5G萬物互聯(lián)時(shí)代,數(shù)據(jù)流量急劇增長,數(shù)據(jù)中心必將進(jìn)一步向大型化和高密化發(fā)展。
  但海量數(shù)據(jù)處理產(chǎn)生的熱量隨之增加,為保障設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行,制冷系統(tǒng)能耗也將持續(xù)走高。
  如何讓數(shù)據(jù)中心更節(jié)能、更高效?業(yè)界為此絞盡了腦汁…
  比如,F(xiàn)acebook在瑞典北部,靠近北極圈的地方建數(shù)據(jù)中心,以利用自然低溫為數(shù)據(jù)中心散熱,降低能耗。
  微軟在蘇格蘭奧克尼群島海岸附近建“水下數(shù)據(jù)中心”,利用寒冷的海水散熱。
  Facebook和微軟將數(shù)據(jù)中心建在北極和海下,目的是通過“免費(fèi)”獲取冷源的自然冷卻技術(shù)來降低能耗。
  但是, Facebook和微軟采用的自然環(huán)境冷卻方式受地域限制,你不可能把所有數(shù)據(jù)中心都搬到遙遠(yuǎn)的北極或沉到海底,未來5G時(shí)代的低時(shí)延應(yīng)用更需就近部署。
  所以,我們還得把目光轉(zhuǎn)回來,看看如何降低制冷系統(tǒng)本身的能耗。總的來講,當(dāng)下制冷系統(tǒng)向高效化和智能化趨勢發(fā)展,方法可謂是“軟硬兼施”,以獲得更低的PUE。
  大型數(shù)據(jù)中心一般采用冷凍水制冷系統(tǒng)。制冷系統(tǒng)主要由冷水機(jī)組、冷卻塔、水泵和末端空調(diào)等組成,通常冷水機(jī)組、末端及水系統(tǒng)組件是能耗關(guān)注的重點(diǎn)。
  過去以來,為了提升制冷系統(tǒng)能效,在冷源側(cè),從風(fēng)冷向水冷、自然冷卻發(fā)展;在空調(diào)末端側(cè),從房間級(jí)制冷發(fā)展到行級(jí)制冷、頂置制冷和機(jī)柜級(jí)制冷,以更加靠近熱源,減少冷媒輸送能耗,提升冷卻效率。
  隨后,由于數(shù)據(jù)中心內(nèi)設(shè)備眾多,設(shè)備發(fā)熱量動(dòng)態(tài)變化,智能化的制冷系統(tǒng)開始應(yīng)用于數(shù)據(jù)中心,使能根據(jù)變化隨時(shí)隨地的提供動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)制冷方案,比如變頻空調(diào)、變?nèi)萘繅嚎s機(jī)、風(fēng)量智能調(diào)節(jié)技術(shù)等。
  但是,由于傳統(tǒng)制冷系統(tǒng)中精密空調(diào)、水泵、冷水機(jī)組、冷卻塔來源不同廠家,各自獨(dú)立運(yùn)行,少有對整個(gè)制冷系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)性的效率優(yōu)化。
  要系統(tǒng)性的提升制冷效率,需要實(shí)現(xiàn)從冷凍站、空調(diào)末端到IT負(fù)載的端到端協(xié)同管理和精細(xì)控制來智能化降低制冷系統(tǒng)的功耗。
  最近在HUAWEI CONNECT 2018上,華為發(fā)布了基于AI的iCooling解決方案,正是這種智能化方向的代表。
  基于AI的iCooling數(shù)據(jù)中心能效優(yōu)化解決方案,針對數(shù)據(jù)中心制冷效率提升瓶頸,通過機(jī)器深度學(xué)習(xí),對大量的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行業(yè)務(wù)分析,探索影響能耗的關(guān)鍵因素,獲取PUE的預(yù)測模型;赑UE的預(yù)測模型,獲取與PUE敏感的特征值,利用特征值,進(jìn)行業(yè)務(wù)訓(xùn)練,輸出業(yè)務(wù)的預(yù)測模型。最后利用系統(tǒng)可調(diào)整的參數(shù)作為輸入,將PUE預(yù)測模型、業(yè)務(wù)預(yù)測模型作為約束,利用尋優(yōu)算法,獲取調(diào)優(yōu)參數(shù)組,下發(fā)到控制系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)制冷系統(tǒng)的控制。最終通過規(guī)范化的實(shí)踐引導(dǎo)和目標(biāo)導(dǎo)向評測,不斷調(diào)整優(yōu)化,獲取均衡PUE。
  在華為廊坊數(shù)據(jù)中心,實(shí)測環(huán)境為1500柜,單柜密度4kW/柜,43%IT負(fù)載率,2N供電系統(tǒng),N+1冷凍水系統(tǒng),采用iCooling智能溫控技術(shù)后,冷凍站總能耗降低325.6kW,冷凍站COP提升8.2,全年P(guān)UE由1.42降為1.304,每年可節(jié)省電費(fèi)372萬元,實(shí)現(xiàn)了從“制冷”向“智冷”轉(zhuǎn)變,為未來降低數(shù)據(jù)中心能耗奠定了新方向。
  其實(shí),試圖用AI優(yōu)化制冷的并不只有華為,Google已宣布通過旗下DeepMind公司的AI技術(shù)來降低數(shù)據(jù)中心能耗,其原理與iCooling類似,在制冷系統(tǒng)中安裝數(shù)千個(gè)傳感器收集并發(fā)送數(shù)據(jù)到深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),再作出最優(yōu)決策建議。
  不過,Google開發(fā)的技術(shù)目前只針對自己的數(shù)據(jù)中心,未對外,不具有普適性。而華為iCooling作為對外發(fā)布的解決方案,為各家數(shù)據(jù)中心提供了最優(yōu)解決方案。
  基于軟件化的AI解決方案是趨勢,同樣,在硬件效率的提升上業(yè)界也一直不遺余力。
  各廠家在硬件上常選用更節(jié)能的壓縮機(jī)和風(fēng)機(jī)來提升空調(diào)末端效率,并有持續(xù)的投入,使得在這兩部分上技術(shù)和性能都差異不大。但加濕系統(tǒng)的能耗往往容易被忽視。
  通信機(jī)房要求濕度必須控制在50%±5%。以北方數(shù)據(jù)中心為例,空調(diào)系統(tǒng)全年耗電約有2%~3%的比例消耗在加濕系統(tǒng)上;如果數(shù)據(jù)中心制冷系統(tǒng)年耗電在1000萬kwh,那么10年生命周期將有200~300萬kwh的電費(fèi)消耗在加濕系統(tǒng)上。
  因此,數(shù)據(jù)中心除了在不間斷使用的的制冷系統(tǒng)上進(jìn)行節(jié)能減排措施外,也需要在加濕等溫濕度及環(huán)境控制輔助耗電單元上進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),進(jìn)一步降低日趨膨脹的數(shù)據(jù)中心能源消耗。
  目前常用的內(nèi)置式加濕有:紅外加濕、電極加濕、濕膜加濕。
  濕膜加濕的大致原理是,通過循環(huán)水泵將水箱中的水送到濕膜頂部布水器,水向下滲透,均勻地濕潤濕膜表面,通過水蒸發(fā)增加空氣的濕度。整個(gè)過程不需要耗費(fèi)額外功率。
  與紅外加濕和電極加濕相比,濕膜加濕不必將熱量轉(zhuǎn)化為水蒸氣,在改變空氣濕度的同時(shí)還能降低溫度,可大幅降低功耗,且維護(hù)方便,無需額外水處理設(shè)備。
  濕膜加濕可以多節(jié)能?讓我們來看一組統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。
  在目前內(nèi)置式加濕中,華為采用獨(dú)有的濕膜加濕技術(shù),相比傳統(tǒng)的加濕方式節(jié)能95%。
  iCooling、濕膜加濕等技術(shù),說明了華為在數(shù)據(jù)中心溫控領(lǐng)域也是佼佼者。這與華為在該領(lǐng)域的持續(xù)投入有關(guān):
  華為于2008年成立網(wǎng)絡(luò)能源產(chǎn)品線,開始數(shù)據(jù)中心溫控產(chǎn)品研發(fā)。十年來,華為溫控產(chǎn)品線每年將銷售收入的15%投入研發(fā),已在全球設(shè)立三大空調(diào)研發(fā)中心,分別位于中國西安、深圳以及德國紐倫堡,現(xiàn)有溫控研發(fā)工程師超過150人,提供全系列的自研數(shù)據(jù)中心溫控解決方案。
  根據(jù)ICTresearch的研報(bào), 2016年和2017年華為行級(jí)溫控在中國市場份額蟬聯(lián)第一。
  數(shù)據(jù)來源:ICTresearch 2018
  不久前,中國移動(dòng)2018年山西等五省新型空調(diào)末端系統(tǒng)集成補(bǔ)充采購項(xiàng)目結(jié)果揭曉,華為以33.32%的份額中標(biāo)。
  不斷的研發(fā)投入和技術(shù)創(chuàng)新以降低數(shù)據(jù)中心能耗,是華為的堅(jiān)持,也是行業(yè)一致的追求,相信隨著技術(shù)的發(fā)展和成熟,華為將會(huì)帶來更多的驚喜。
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