從電晶體閘極到輸配電網路:英特爾資料中心的效率提升歷程

雲端運算的興起加上行動資料爆炸性成長,讓電力的使用呈現大幅的攀升:資料中心目前大約消耗全球總用電量的1.5%[i],每年的用電成本達260億美元[ii]。從單一電晶體到與處理器、伺服器平台、資料中心、以及輸配電網路(electricity grid),英特爾發展出一整套技術來因應這方面的能源挑戰。

英特爾說明許多創新科技如何能大幅增進資料中心的效率,其中包括Intel®智慧型電源節點管理(Intel® Intelligent Power Node Manager)技術和Intel®資料中心管理平台(Intel® Data Center Manager)、高環溫(High Ambient Temperatures,HTA)資料中心、以及許多未來的科技,像是用電與溫度感知排程(Power and Thermal Aware Scheduling,PTAS),以及各種電池備援解決方案。

高溫的環境

行動化的革命加快雲端的佈建腳步,讓資料中心面臨前所未有的用電挑戰。由於資料中心使用許多舊硬體、現有的配置、以及服務層級協議(service level agreements,SLAs)等因素,因此通常機房溫度通常必須冷卻到攝氏18至21度。然而許多資料中心卻能夠在攝氏27度甚至更高的溫度下運行,而且不必大幅翻新舊有的設備。一些針對特定用途設計且能適應高溫的資料中心,甚至能在攝氏40度或更高的溫度下運作。

英特爾的解決方案突破冷卻的舊有桎棝

藉由強化使用者、運算、以及效能等因素來增進效率,英特爾從許多層面提升資料中心的用電效率:

類別 英特爾的技術 效益
輸電網路/傳輸線路 Intel® Smart Grid Embedded技術
Intel® Open Energy Initiative計畫
從電廠到設施端,配置出最佳化的輸電線路。
設施、機架、以及機櫃層級的基礎建設 Intel®智能電源節點管理與Intel®資料中心管理平台 支援耗電與溫度監視功能,提高機架密度,執行伺服器耗電最佳化,並且不影響效能。
伺服器/儲存 Intel® On Demand Redundant Power技術 無須再安裝大型不斷電系統。
散熱風扇與冷卻 客制化的風扇控制 降低伺服器風扇的耗電,加上妥善的系統配置以避免散熱不良的熱點。
主機板 管理引擎執行電壓調節 Intel®智能電源節點管理技術能改進整體系統效能,其中包含電壓調節功能。
封裝 最佳化的散熱解決方案 散熱片的設計加入許多改良,包括銅質散熱片。
晶粒 先進封裝技術與CPU功耗模式 自動調降CPU的耗電量。
電晶體(閘極) 32奈米矽製程技術 透過第二代高介電係數(high-k)金屬閘極電晶體,讓效能提高22%以上。

Intel®智慧型電源節點管理技術與Intel®資料中心管理平台

Intel®智慧型電源節點管理技術是聰明的管理方法,能在資料中心內善加運用及管理電力與冷卻資源。這項伺服器電力管理技術把元件的量測應用擴展到平台層級,讓資料中心耗用的每一瓦電力發揮至最大效益。第二代Intel®智慧型電源節點管理技術提供兩倍的核心功能,帶來關鍵的資訊與控制機制,讓資料中心能以更有效率的方式來運作;它能通報系統層級以及處理器和記憶體子系統的耗電狀況,並能限制系統、處理器、以及記憶體層面的用電量,根據IT管理者定義的策略自動執行限制用電的作業。

Intel®智慧型電源節點管理技術通報資料中心的結果數據

  • 用電與溫度監視:取代IP電源排線與串列連結線路,每個機架可省下約400美元[iii]
  • 提高機架密度:每個機架最高可增加40%的伺服器與效能[iv]
  • 負載用電最佳化:提供30%的耗電最佳化效果,而且不影響效能[v]
  • 業務持續性:持續維持運算可用性,安然度過斷電或溫度過高的狀況。

高環溫 (HTA)

平均而言,資料中心的所有用電中,約有40%是用在冷卻建築物與伺服器,讓溫度維持在攝氏18-21度。選擇這樣的低溫,主要是因為許多傳統因素,但現今的硬體(特別是英特爾平台元件)比起以往更能適應較高溫的運作環境。採用較高運作溫度的資料中心不僅能降低冷卻成本,還能提高用電效率,這種資料中心稱為高環溫(HTA)資料中心。英特爾在Green Grid、歐盟、ASHRAE以及其他機構中帶領各界形成HTA規格。

HTA實例

  • Facebook著手翻新位於加州聖塔克拉拉的資料中心,使其能在攝氏27度下運作。Facebook每年的電費因此減少22.9萬美元,並從美國聯邦政府獲得294,761美元的電費折扣優惠[vi]
  • 英特爾位於新墨西哥州的概念實證資料中心裝有900部伺服器,其100%換氣比率的空調系統在攝氏33度下運作,本身沒有溼度控制功能,空氣過濾的功能也有限。這樣的設計讓用電量節省67%,等於省下一部價值287萬美元的1,000萬瓦直流發電機[vii]
  • 雅虎(Yahoo)的運算中心是一處沒有空調的資料中心,每年僅有少數幾天須動用水冷系統(估計用電效率係數為1.08)。100%的天然流通空氣,讓建築物的總用電量中僅有不到1%的電力是用在冷卻[viii]

用電與溫度感知排程(PTAS)

用電與溫度感知排程的建構基礎包括將Intel®智能電源節點管理技術以及資料中心管理平台,結合成理想平台,匯集了用電、溫度、以及作業負載的訊息,隨時機動管理各項資源。它不僅讓運作成本降低約20%,還回收最高到50%的未使用冷卻資源,達到最高的運作效率[ix]

Intel®電池備援解決方案(Intel® Battery Backup Solutions)

Intel®電池備援解決方案能降低資料中心的資金支出成本,讓不斷電系統(uninterruptible power supply,UPS)相關的資金支出成本最高降低到5倍[x],讓不斷電系統相關的用電效率提升到40%的損耗率[xi]

其他重要事項

  • 現有的資料中心中,將近80%都是在低溫空調環境下運作,溫度介於攝氏18-21度[xii]
  • 僅僅把這些資料中心的空調溫度範圍提高到攝氏28-30度,在大多數情況下都能省下極可觀的費用[xiii]

假設全球所有資料中心都將溫度調高攝氏五度會有什麼結果?

這將讓:

  • 每年立即省下21.6億美元的用電成本[xiv]
  • 全球資料中心的耗電量降低8%[xv]
  • 省下243億千瓦小時的電力。
  • 大約相當於西班牙、南非、澳洲、或台灣一個月的總耗電[xvi]
    • 二氧化碳排放量減少170萬公噸,相當於4,300萬棵樹生長10年所吸收的碳排放量[xvii]

[本文由Intel提供]


[i] http://www.iea.org/stats/electricitydata.asp?COUNTRY_CODE=29

全世界總電量 * 1.5% = 資料中心所使用的總電量

全世界總電量 = 20,260,838,000,000kWh

資料中心所使用的總電量 = 303,912,570,000kWh

[ii] 年度伺服器能源成本; IDC 2009。

[iii] 雅虎(Yahoo)資料中心 http://pressroom.yahoo.net/pr/ycorp/508872.aspx

[iv] BMW and 甲骨文(Oracle) 節點管理器白皮書:http://communities.intel.com/docs/DOC-4040

[v] 百度與中國電信節點管理器白皮書:http://communities.intel.com/docs/DOC-4212

[vi] http://www.datacenterknowledge.com/archives/2010/10/14/facebook-saves-big-by-retooling-its-cooling/

[vii] http://www.datacenterknowledge.com/archives/2008/09/18/intel-servers-do-fine-with

http://www.intel.com/content/dam/doc/technology-brief/data-center-efficiency-xeon-reducing-data-center-cost-with-air-economizer-brief.pdfh-outside-air/

[viii] http://pressroom.yahoo.net/pr/ycorp/508872.aspx

[ix] 顧能(Gartner)估計降低20%的營運成本,減少50%佈建伺服器時間,延長直流壽命至5年,並降低電效率係數到2.0以下。

[x] 英特爾的內部估計。

[xi] APC白皮書# 108

[xii] 英特爾的內部估計。

[xiii] 英特爾的內部估計。

[xiv] http://www.iea.org/stats/electricitydata.asp?COUNTRY_CODE=29 2008年全世界總電量20,260,838,000,000千瓦/1.5=資料中心所使用的總電量303,912,570,000千瓦

[xv]減少20%的冷卻成本(溫度每提高攝氏1度,冷卻成本就能節省4%)。

[xvi] 各國發電量出自美國中央情報局世界概況(CIA World Factbook ) http://en.wikipedia.org/wiki/List_of_countries_by_electricity_production

[xvii] 碳排放量計算方式:http://www.epa.gov/cleanenergy/energy-resources/calculator.html#results

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