1 引言
数据中心是数据集中存储的场所，是信息网络服务、信息技术服务、数字内容服务和互联网服务的集中载体。在信息通信技术产业的快速发展过程中，数据中心发挥了重要作用。在数据爆炸式增长的今天，云计算已成为下一代互联网发展趋势；而云计算的发展离不开数据中心，数据中心正发展成为战略性新兴产业，成为新一代信息产业的主要组成部分。
与此同时，数据中心的能耗和能效问题也越来越成为一个突出的矛盾，其节能已经成为一个核心议题。随着国家对节能减排的重视，云化数据中心成为数据中心运营企业的重要手段，越来越多的运营商将云计算技术引入到数据中心的建设和运维中，用以降低整体运营成本，提高自动化运维管理水平。
本文综合分析当前数据中心发展现状，探讨云化数据中心节能减排的关键技术和效果等问题。
2 数据中心能耗现状
2.1数据中心能耗特点
数据中心与传统电信机房相比，其主要特点是服务器、存储和网络设备众多且集中，通常采用机柜、机架等方式堆放，需要大量的集中供电。除了服务器等设备的直接消耗外，各类信息设备不间断运行，全年需要供冷，因设备散热问题而带来的制冷能耗巨大。当前数据中心的能耗特点主要有以下方面：
（1）数据中心运行能耗高、能效低
数据中心能耗巨大，主要集中在服务器设备和制冷设备方面，其中制冷系统能耗占整个机房运行能耗的30%～50%。图1显示了数据中心的大致能耗分布：
图1 数据中心能耗分布图
据统计，数据中心的能耗成本占到了总成本的50%左右，包括电力、机房占地、带宽等各方面。在产生高能耗的同时，我国数据中心也存在着低能效的问题，机房主设备的平均负载比较低，资源利用率一直处于较低水平。传统数据中心中90%的服务器90%的时间其CPU占有率低于10%，资源存在极大的浪费。
与高能耗相伴随的是巨大的电费支出。斯坦福大学教授OhnathanG.Koomey针对数据中心的能耗报告称，全球数据中心2010年共消耗1988亿千瓦时的电力，是全年总发电量的1.1%～1.5%。电费支出已占数据中心运营成本的50%以上，有的甚至达到70%。传统电信业务的电费支出仅占业务收入的2%左右，而数据中心业务的电费支出占业务收入的30%～50%。
数据中心耗电量占比如图2所示。数据中心由于建设和运营的差异，导致其电耗差异很大。在美国，数据中心三年的能源消耗成本已经等同于设备购置成本；在欧洲，三年的能源消耗成本已经两倍于设备购置成本；在我国，一个上规模的数据中心，三年的能源消耗成本甚至相当于该数据中心的建设费用。Google、微软等数据中心大户开始尝试将数据中心建设在严寒地带以减少电力消耗。
图2 数据中心耗电量占比图
（2）随着数据中心业务增长，能耗增长迅速
近年来，数据机房的投资规模保持25%左右的年增长率，而数据机房耗电量将以每年10%～15%的速度递增。在美国，数据中心每年的能源开销达到了300亿美元，约为总能源开销的1.5%，并以每年18%的速度增长，其增长速度如图3所示。
图3 服务器增长与耗电量增长
斯坦福大学研究表明，全球数据中心的能耗在2000～2005年间翻了一番，2010年增加了75%。Gartner的调查显示，2007～2020年间全球数据中心的碳排放量将由80百万吨当量激增到340百万吨当量，直追钢铁、造船、航空等产业。能源花费占IT预算的比例已经从8%激增到48%，电力和制冷问题成为数据中心面临的最大问题，数据中心产业已进入高耗能行业序列。
（3）我国数据中心数量多、规模小
我国数据中心总体规模比较小。据统计，规模在100台服务器以下的数据机房占了绝大部分，全国有十万个以上。这些机房不但占据了大量的场地空间，其运营管理也难以实现规模效应。
随着云计算技术的发展，各项业务对数据中心的依赖越来越大，能耗问题也越来越严重。数据中心的高能耗不仅带来耗电增加和运营成本的急剧攀升，而且产生沉重的碳排量负担。如何利用各种管理、技术手段和措施，降低数据中心的能耗，已经成为当务之急。云计算技术在带来数据中心巨大发展的同时，其在数据中心的应用也为节能减排指明了新的方向。
2.2云化数据中心变革
数据中心的发展是以基础设施为基础，随着网络和互联网业务的发展而发展的，其发展进程大致可以分为三个阶段。
（1）互联网发展前的初期阶段。这个阶段主要为客户提供网络线路、通信设备、电源和场地等基础电信资源与设施的托管及线路维护服务。
（2）互联网发展阶段。这个阶段是因上世纪90年代互联网的高速发展延伸而来的，以主机、网站等托管业务为主，提供场地出租、线路带宽共享、主机托管维护、应用托管等服务。由于各类网站的发展，企业的各种互联网设备如服务器、主机、出口带宽等设备和资源需要集中放置、维护与管理，数据中心成为企业IT基础设施放置和管理维护中心。
（3）云计算应用发展阶段。本世纪互联网、移动互联网等技术尤其是云计算技术的发展，带动了数据中心的新型产业，以大型化、虚拟化、综合化为主要特征，更注重数据的存储和计算能力的虚拟化、设备维护管理的综合化。
随着云计算越来越被客户接受，数据中心承担了云计算的各类应用，这样就出现了云计算数据中心的概念。云计算数据中心通过大规模数据中心集成的方式，采用高性能基础架构，实现资源按需提供，可以降低数据处理的平均费用，并通过规模运营降低能耗。
云计算正在引发新一代数据中心变革，引入了全新的建设和运营模式。云计算促使Google、微软、IBM等大公司投入巨资，大力发展各自的数据中心，并向云方向转化。Google在云计算IT基础架构上投入巨资，在美国平均每个数据中心耗资约6亿美元。微软自2007年起在全球已经构建了15个数据中心，每家数据中心耗资平均达到5亿美元。IBM也投入巨资向云计算服务方向转变。
对大数据量进行高效存储处理和降低运维的需求，正在促使传统数据中心向满足云计算应用条件的数据中心转型。据IDC公司预测，到2020年，全球所有IT部门拥有服务器的总量将会比现在多出十倍（包括虚拟机和物理机），所管理的数据将增长50倍，而IT管理人员的总数增长只有1.5倍。云数据中心可以有效增强自动化运维管理，降低运营维护成本。
3 云化数据中心的关键节能技术
3.1云化数据中心与传统数据中心的差别
数据中心是云计算发展的必要条件，云计算技术也为数据中心节能减排提供了新的技术保障。
从图1可以看出，数据中心的能耗主要集中在IT设备、空调制冷、供电等方面。传统数据中心节能也主要基于这几方面进行，具体如下（数据来自于艾默生）：
（1）通信/IT设备节能是机房节能的基础。主设备降耗100W，机房可降耗284W。因此，主设备的节能至关重要。
（2）空调设备节能是机房节能的关键。消除274W机房热能需要消耗107W电能。
（3）供电系统节能是机房节能的重要要素。为194W负载供电，供电系统需要消耗18W电能。
由此可以看出，主设备的节能可以带来级联性的节能效果，不但降低了设备本身能耗，也降低了相关的空调、供电等能耗。云计算技术通过虚拟化、实时迁移电源管理技术，可以极大降低主设备的数量和运行效率及时间，进而极大降低主设备的能耗。
从设备层面来说，云化数据中心在服务器、机房、带宽、电力、制冷等硬件基础设施的节能处理上与传统的数据中心没有大的差别；但是，云计算通过虚拟化、实时迁移等技术可以节约能源、提高能效，真正实现节能减排。比如，Google、Facebook等大型云数据中心的能源利用率达到了90%以上。
3.2云化数据中心关键技术
云计算的核心技术包括并行技术、分布式文件系统、海量存储处理、负载均衡等。在云化数据中心中，采用云计算技术实现数据中心节能最主要的技术是虚拟化，这也是云计算技术的本质特征。
虚拟化技术为数据中心的设计、建设和运营带来了新的发展机遇。它对数据中心节能减排、降低投资和运营成本所起到的作用是显而易见的：通过服务器整合，遏制了服务器数量的增长，极大减少了IT设备的采购量；极大减少了运营维护难度，提高了运维人员生产效率，大幅降低设备运行带来的隐性消耗。
虚拟化技术涉及很广，包括服务器、存储、网络、桌面和应用程序的虚拟化等，典型的虚拟化技术的原理如图4所示。
图4虚拟化技术原理
虚拟化后的主机形成各种硬件设备的资源池（如CPU、内存、存储、网络等），并采用动态资源调度技术（DRS），将同一资源池中的虚拟机和主机集中调度，实现负载均衡、电源管理、关联性规则等功能。
从节约能耗出发，可以通过电源管理与关联性规则结合，将符合节能策略规则的虚拟机迁移到其他主机上，从而通过电源管理，将空闲的主机关机，并在需要的时候，通过电源管理唤醒开启主机。整个过程涉及到多项技术的协作，包括动态资源调度中的电源管理、关联性规则、虚拟机在线迁移等。
同时，虚拟化技术将先进的自动化和系统管理引进到数据中心，为数据中心提供了一种共享、隔离（保障安全、可信）的云计算基础架构，形成了云计算功能架构的弹性数据中心。
研究资料表明，虚拟化技术将IT环境改造成为更加强大、更具弹性的云架构，带来了平均35%～75%的总体成本节约。通过将多个物理服务器整合到一个物理服务器，可以降低40%软硬件成本，而服务器的平均利用率从7%提高到60%～80%，运营成本降低70%～80%。
4 结束语
本文对云化数据中心的节能减排关键技术和效果进行了探讨。随着云计算、虚拟化技术的发展，未来服务器、存储、网络等虚拟化整合效果会更加明显。为了达到更好的节能减排效果，云计算数据中心需要从规划、设计、选址到运营维护，全流程贯穿云计算、虚拟化和节能减排思想。
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本文标题：云化数据中心的节能减排探讨
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