数据中心机房功率变化探讨

周涛

【摘要】数据中心和网络机房的功率总量随负载的变化而瞬息万变。这种变化的幅度已经在增长，并且随着电源管理技术在服务器和通信设备中的部署会继续急剧增长。本文对动态功率的变化进行了分析，并提出了有针对性的解决思路。

【关键词】数据中心；功率变化；负载

1.前言

数据中心和网络机房消耗的总电源功率是已安装的IT设备所消耗功率的总和。在以前，这类设备的功耗随计算负载或工作模式的不同，只会发生极小的变化。为延长笔记本电脑的电池供电时间，需要对处理器的电源消耗进行管理。电源管理技术的应用使笔记本电脑处理器在负载较小的情况下可节电高达 90%。随着此项技术的逐渐成熟，人们已开始将其移植到服务器的设计中。其结果是当新开发的服务器的工作负载随时间发生变化时，其功耗可能会随之发生显著变化。

当功率随时间发生变化时，随之而来的是数据中心和网络机房设计和管理方面的各种新问题。在几年以前，这种问题是可以忽略的。现在，问题已到达不容忽略的程度，并且问题的严重性还在不断加剧。这种功耗波动会导致在数据中心和网络机房环境中发生意外的不良后果，包括断路器跳闸、过热和冗余电源系统中的冗余功能丧失。这种情况给数据中心和网络机房的设计和操作人员带来了新的挑战。

2.动态功率变化

在新的IT技术出现前，通常来说服务器所消耗的功率都接近于恒定。造成服务器功率变化的主要因素是磁盘驱动器的旋转以及温控风扇的速度变化。处理器和内存子系统上的计算负载所导致的功率变化很小，在总功耗中可以忽略不计。

要大幅度降低功耗，需要BIOS、芯片组、处理器和操作系统之间协调配合。不同的供应商和不同种类的处理器采用不同的方法来实现低功率状态。但是，最常见的方法包括减少或停止时钟和减少或停止对处理器、芯片组和内存的各个部件供电。

最近，处理器供应商开始引入可在CPU执行任务时节省电力的方法。这些方法包括改变处理器的时钟频率和电压大小，以便更好地匹配处理器在非空闲状态下的工作负载。

需要注意的是，任何在一定条件下减小处理器功耗的方法，所减小的都是系统平均功耗。最大功耗不会改变，并且每一代新CPU都有功耗升高的趋势。另外，当处理器功耗在服务器总功耗中所占比例较大时，由计算负载造成的服务器总功耗的变化也会相应变大。因此，拥有多处理器的服务器和磁盘驱动器很少的服务器，其动态功率变化百分比最高。

3.动态功率变化带来的问题

3.1 分支电路过载

在多数时间下，大部分服务器都在小计算负载下运行。对于具有电源管理功能的服务器而言，这意味着服务器将消耗少于潜在功耗的功率。但是，大多数数据中心和网络机房的安装或维护人员并没有意识到其通常观察到的服务器功耗可能远小于高计算负载下的潜在功耗。这种情况可能会导致数据中心或网络机房的操作人员或IT工作人员无意地将过多的服务器连接到分支电路中。

当分支电路中服务器的最大功耗总和超过分支电路的额定值时，就有可能发生过载。在这种情况下，这些服务器将会正常运行，直到条件发生变化，即足够多的服务器同时在大负载下运行。导致此类过载的计算条件很少发生，因此系统可能会连续数周甚至数月无故障地正常运转。

在由于上述情况而导致的过载条件发生期间，分支电路将在高于电路额定值的电流下工作。在数据中心或网络机房环境中，此情况造成的最严重后果是分支电路断路器可能跳闸并中断对计算设备的供电。此外，由于这种供电中断是发生在计算负载很高的时间段，因此计算设备有可能正在处理大量事务，这意味着故障很有可能发生在最不希望发生的时间点上。

3.2 过热

在数据中心和网络机房中，计算设备所消耗的所有电能都会变成热量散发出来。当计算设备的功耗因计算负载而变化时，其热量输出也会变化。如果数据中心某一处设备的功耗突然增加，就会在数据中心出现局部热点。数据中心制冷系统的制冷能力可能已根据典型功率耗散情况进行了分配，因此局部区域的功率突增可能导致局部温度的上升，而这种温度上升在设计制冷系统时并未考虑。这可能导致设备在过热时关机，工作异常或者使设备的保修失效。

3.3 冗余失效

很多服务器都具有双冗余电源输入，而具有最高可用性的数据中心和网络机房正是利用这一特性为服务器提供双路供电。当其中一条供电线路上的任何一点彻底无法供电时，这些系统仍然可获得电能并继续运行。在正常运行条件下，计算机设计为让两条供电线路平均分担负载。当其中一条供电线路发生故障时，服务器的全部负载就会转移到剩下的另一条供电线路上。这会导致供电线路上的负载翻倍。因此，对于为双路供电系统中的设备供电的AC电源分支电路而言，其负载必须小于额定载流容量的50%。这样，它才有足够的剩余能力在必要时承担全部负载。

当负载呈现出动态变化的功耗时，确保分支电路的负载小于其额定值的50% 变得更加困难。系统在安装时已经过测试并且分支电路确实是在其额定值的50% 之下运行。但是，当未来某个时刻出现高计算负载时，系统就有可能开始在大于额定值的50%的条件下运行。 如果双路供电系统的分支电路出现负载超过自身能力的50%的情况，那么系统就丧失了冗余功能。如果一条供电线路发生故障，第二条供电线路会立即过载并可能发生上一节所述的断路器跳闸情况。同样，由于这种供电中断是发生在计算负载很高的时间段，因此计算设备有可能正在处理大量事务，这意味着冗余功能丧失很有可能发生在最不希望发生的时间点上。

4.管理动态功率变化

4.1 为每台服务器提供专用分支电路

如果每台服务器都有独立的分支电路，分支电路过载就不会发生。这是因为设计方案假定每一台服务器都通过专用分支电路供电运行。此方法解决了分支电路过载问题和冗余功能丧失问题。

4.2 充分考虑安全容限标准

多数数据中心和网络机房操作人员都有负载容限标准，通常以占全部负载分支电路额定值的百分数表示。要确认与标准的兼容性，应对实际分支电路进行测量并确保其符合标准。注意，当系统具有动态变化的功耗时，由于在测量时很难知道计算负载的情况，使用此方法会面临严峻的问题。最好的方法是在测量时将大计算负载加在有保护的设备上，以确保在最坏的情况下也能符合标准。

4.3 实时监控负载运行情况

考虑到负载运行情况的重要性，需要建立安全容限并通过自动监控系统对所有分支电路进行实时连续监控。当分支电路负载开始进入安全容限区域时，发出警告。例如，如果使用60%的分支电路负载标准，则当负载超过60%时就会发出警告。所建立的安全容限应該确保操作人员能够提前获得有关问题区域的警告，并且在电流过载情况发生前有足够的时间来采取纠正措施。此方法可与前面所述的其他方法配合使用。它的最大优点在于其适用于用户可能在数据中心管理员不知情的情况下安装、移动设备或将设备插入其他插座的情况。这种情况在数据中心时的实际运行中时有发生。此方法还可对即将发生的冗余功能失效发出警告。它是数据中心管理员管理多变环境中的动态功率变化的最有力方法.

5.结论

随着时间的推移，功耗随负载变化而显著变化的IT负载在网络机房或数据中心所占的百分比正在不断增加。这种情况给数据中心基础设施操作人员带了许多不曾预料到的问题。因此，需要对以前用于减小过载风险的措施加以改进以便适应新的情况。对于要在其中安装大量服务器的新设施和现有设施而言，正确的规划和监控分支电路功率是确保其可靠运行的关键所在。认识了功率变化对系统安全的影响，掌握了一定的处理方法，这样就可以大大提高数据中心系统的稳定性。

参考文献

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