爱立信如何采取措施来降低数据中心的电力成本

“治疗病因而不是病症”是替代疗法医师经常用的一句话。把这句话应用到降低冷却数据中心的成本时尤为贴切，爱立信电源模块高级应用工程师Bob Cantrell解释说。

我们的数据中心由计算机驱动，对其冷却需要耗费金钱。这项工作主要是由冷却风扇和空调系统来完成，运营商们渴望尽可能降低与之运行相关的电力成本。在炎热的天气下，这些系统的额外负载可能会使数据中心的电费增加50%之多。

人们已经尝试做出一些响应，力图尽可能降低冷却系统的能耗——可以说，冷却系统只会增加运营成本，而不会直接增加客户的价值。这些解决方案大体来说可以分为两类：试图改变规则的解决方案以及对症下药的解决方案。

改变规则

冷却系统的资金和运营成本可以通过接收更高的设备工作温度来降低。人们对建立和重新评估可接收的工作温度进行了大量的研究，以便确保达到可接收的可靠性。“越冷越好”是整个电子行业一个众所周知的口头禅，这也适用于数据中心。

当考虑到数据中心冷却成本时，“越冷越好”变得不太合理：达到可接收的极限更为可取。通常，数据中心可接受的环境温度范围大约在68-72°F之间。一些数据中心的工作温度低得多，大约在55°F的温度下，数据中心经常使用水冷却器来帮助保持温度降低。因此其运行成本非常高昂。

对可接受的设备工作温度和数据中心设定点的研究，使得业界能够向既定的温度概念发起挑战。据估计，设定点每增加一度，能源成本就可以降低4%。英特尔(Intel)公司发现，当测试中的工作温度升高时，结果并没有预期那么严重。英特尔和其他几家公司将设定值从传统的68-72华氏度范围提高来节省冷却成本，而又不会对可靠性或设备更换率产生重大影响。

对症下药

我们可以将允许更高的工作温度视为改变或至少是重新优化规则。一种替代方法是通过转移到某个环境温度较低的地方来对症下药，从而减少施加在冷却系统上的负载来维持目标工作温度。一些数据中心设置在较冷的气候条件下(例如在斯堪的纳维亚半岛或美国西北部)，来降低与服务器冷却相关的能源成本。在其中一些地方——特别是挪威或瑞典——也常常碰巧有充足的水力发电或其他可再生低碳能源。在这样的地方工作，不仅可以通过降低冷却系统所需的工作量，限制设备温度上升，来降低功耗，而且如果供能地点允许降低电费成本，还可以进一步节省成本。

还有第三种方式。通常，在源头处理任何问题被认为是最英明的响应，并且在数据中心冷却的情况下，这可以产生较少的热量让冷却系统来处理。实际上，这要求在整个电子系统当中提高能源效率。其不仅包括计算机服务器，还包括配电基础设施。人们在提高服务器效率上的努力已经根深蒂固，服务器虚拟化等技术也有助于最大限度地减少启动但未充分利用的服务器的数量。数据中心管理人员熟悉功率利用系数(Power Utilization Index)是表达虚拟化效能的关键指标。

电源进步解决病因

运营商们明白，电源模块效率越高，则从电力供应商处购买的能源当中就有更高的比例用来为服务器供电，换句话说，则会有更少的比例转换成不期望的热量。因此，鉴于散热量越低，则移除废热所需的冷却系统所消耗的能源成本就越低，最初的节省就能被放大。

我们可通过改进电力传递到服务器的方式来实现节能。图1显示了通常连接到数据中心服务器的配电基础设施是如何包含AC-DC电源的——AC-DC电源又可能为连接到负载点电压阵列的中间总线(DC-DC)转换器(IBC)供电，进而为电路板级的服务器电路供电。在某些系统中，AC-DC电源也可能直接为负载点转换器供电，如图所示。

图1.面向数据中心应用的典型分布式电源架构的功能方块图。

服务器主板的电力需求随着设备的更新换代而不断增长——从几年前“比萨盒”服务器的几百瓦，增长到今天许多服务器的超过2kW，并且不断增加。这对配电器件有两个影响。首先，随着服务器主板峰值功率需求的增加，实际的转换器效率和不可实现的100%的理想效率之间的差异，会导致更加显著的能量以热的形式耗散掉。若要将该损耗保持在最低限度，则要求使工作效率提高。其次，传统的电源只能在小负载范围内进行优化。当超出该范围时——特别是在较低的负载下——能量效率相对于最大值会进一步降低。

软件定义电源介绍

近来，随着数字电源的出现，电源设计发展迅速。不同于传统的模拟电源，其性能由元器件(例如电容器，其被用来确保向电源控制电路提供稳定和可预测的输出电压反馈)的固定值决定，数字电源的特性由固件决定。与使用具有固定值的电容器等器件相比，控制工作参数的寄存器的值可以更快更容易地更改。

数字电源已经为电源供应商们带来了规模经济，它们可以创建可配置用于多个应用或适合个别最终用户要求或各种操作条件的平台电源。例如，在数据中心应用中，数字电源可以通过用一组数值进行编程，来最大限度地提高满负载或接近满负载的效率，同时其能够灵活改变到低负载设置，从而保持高效率。这与模拟电源的效率形成鲜明对比——在较低的负载下，模拟电源的效率将会显著降低。

数字电源模块通常由中央控制器进行调整——中央控制器通过电源管理总线(PMBus)连接与模块寄存器进行通信，如图2所示。PMBus是由系统管理总线(SMBus)规范开发出的一个行业标准，它定义了用于在电源模块之间交换数据的物理连接和协议。此外，数字电源可以使用更少的板载电容器达到稳定，因而可实现更小的功率模块，进而释放出额外的板级空间来承载更大的处理能力，从而为最终用户提供更多、更快、更好的服务。

图2.数字电源模块通过PMBus连接交付的指令进行控制。

数字电源已经在电信市场及网络和数据中心设备上得到广泛应用。数字电源的灵活性使我们可以在各种工作条件下将模块配置为实现最佳效率。

基于数字电源的优势，以及随着由中央控制器上软件运行的应用程序来管理的实时适应性的引入，电源设计正处于更加激动人心的过渡阶段。这种演进被称为软件定义电源架构(SDPA)，它带来了更大的灵活性和机会，可以根据负载变化来自动微调电源，或适应元器件老化等较慢变化的影响。软件定义电源——特别是SDPA应用的设计——正处于开发曲线的起始阶段，这将推动性能和效率的显著提高，同时也能够提高响应速度，并实现更大的功率密度，从而进一步降低模块尺寸和对电路板空间的需求。

对数据中心操作人员的影响

就数据中心所有者和运营商而言，供电策略和板载器件在很大程度上是看不见的。然而，对向全天候工作的计算机服务器分配电力的子系统有一定了解，可以帮助了解其中的设计改进如何有助于提高整体效率，并能够提高计算性能。数字电源代表着目前的技术发展水平，软件定义电源则准备好开启更多灵活数字配置的优点。

软件定义电源正处于开发曲线的开始阶段，应用代码很可能会被快速改进。服务器OEM厂商可以预期将会在部署产品的生命周期的早期频繁发布电源应用软件更新。软件更新可以通过远程实现，因此对用户来说是透明的：唯一可见到的结果会是冷却系统的需求降低，电费的支出相应减少。

总结

关心降低电力成本的数据中心运营商可通过采取一些措施——包括在可能的情况下找到更便宜的能源，并结合各种技术——来减少冷却系统的负担。这些措施包括在不影响可靠性的前提下，尽可能提高对可接受工作温度的限制，以及在某些情况下，将设施设置在环境温度较低而能够有效提供自由冷却的地理位置。最近，可配置的数字电源模块已经出现，这为提高效率和降低能量冷却成本带来了潜力。

随着数字电源自然而然地引申出软件定义电源，我们可以在一组更宽的工作条件下保持提供更高的效率。具有软件定义电源的新型服务器设备，可以帮助用户立即降低电费支出，并且随着技术的不断成熟，未来可能会实现进一步的成本节省。