大数据|低碳数据中心，因何而来（一文读懂如何利用超融合降碳） java|机器学习|hadoop|人工智能

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作者 | 让科技向善的

来源 | SmartX
“Global warming isn’t a prediction. It is happening.” 全球变暖并非预言，是正在发生的现实。联合国政府间气候变化专门委员会在今年 8 月发布的报告宣称，人类即将突破 1.5 摄氏度这一关键的气温上升极限。

为应对全球气候变化，中国明确提出 2030 年前二氧化碳排放达到峰值，努力争取 2060 年前实现碳中和目标。“碳达峰、碳中和”早已从新闻里的热词，渗透进政府、企业及个人行动的方方面面。
所谓碳中和，是指国家、企业、个人等在一定时间内直接或间接产生的二氧化碳或温室气体排放总量，通过使用低碳能源取代化石燃料、植树造林、节能减排等形式，以抵消自身产生的二氧化碳或温室气体排放量，实现正负抵消，达到相对“零排放”。
低碳数据中心，因何而来？
碳中和是一项影响深远的系统性工程，是一项真正意义上的“长期主义”事业，需要社会各界的参与。数据中心作为经济社会运行不可或缺的关键基础设施，是公认的高耗电行业。

据前瞻产业研究院分析，过去十年间，我国数据中心整体用电量以每年超过 10% 的速度递增，其耗电量在 2020 年突破 2000 亿千瓦时，约占全社会用电量的 2.71%，2014-2020 年，数据中心耗电量占比逐年升高。数据中心供电结构中，火电占比超过 70%，会产生相对大量的温室气体和其他污染物。
PUE (Power Usage Effectiveness，电能利用效率) 是衡量数据中心能源使用效率的重要指标。PUE 越接近于 1，代表数据中心对于电能的利用越有效率。截至 2019 年年底，全国超大型数据中心平均 PUE 为 1.46，大型数据中心平均 PUE 为 1.55。这与《关于加快构建全国一体化大数据中心协同创新体系的指导意见》建议的 1.3 以下相比，尚有一段距离。
顺应碳中和发展趋势，逐步降低碳排放，是数据中心亟需做出的改变。
数据中心降碳，可双管齐下
数据中心如何才能提升能源效率，为降碳做出贡献？主流的数据中心降碳举措可分为 IT 和非 IT 基础设施两个方面。
非 IT 基础设施方面，常见的有数据中心选址靠近绿色清洁能源、尽量使用可再生能源、采用液冷技术取代风扇散热、数据中心余热回收再利用等等。这其中最为有效的不外乎在数据中心乃至公司运营范围内 100% 使用可再生能源，但这绝非易事——苹果用了 5 年时间才实现公司运营范围内 100% 可再生能源利用。
而在 IT 基础设施方面，企业可立即采用诸多举措来提升能源效率：通过分布式和虚拟化技术将“僵尸”服务器连接起来，最大程度减少 IT 设备空闲；实现服务器和存储的虚拟化与池化，从而大幅提升硬件利用率；通过采用更高能效的芯片产品，结合芯片的自适应电源管理功能来有效管理芯片用电，等等。
其中，虚拟化和超融合基础设施 (HCI) 有望引领数据中心能效的提升。
虚拟化已十分普遍，超融合基础设施也在近年来逐渐成为主流。作为一种融合的、统一的 IT 基础架构，超融合包含了数据中心常见的元素：计算、存储、网络以及管理工具。超融合以软件为中心，结合 x86 或 ARM 架构的硬件替代传统架构中的专用硬件，从而解决传统架构中管理复杂、难以扩展等问题。
相比传统架构，超融合将架构由三层缩减至两层，不仅可以大幅度节省机房空间，还能进一步整合计算资源，从而提升机房能效。超融合架构自带计算虚拟化和分布式存储，取代了传统物理环境和传统虚拟环境，对数据中心降碳的影响显著。
经过通用场景下的对比计算，从传统物理环境到传统虚拟环境，仅是虚拟化这一层即可带来 20%-80% 的节能；而从传统虚拟环境进一步过渡到超融合架构，通过将分布式存储融合到计算侧，可再带来高达 31% 的能耗节省。以下为计算详情（以下为理论值，不同负载情况下物理服务器能耗会有有所不同，不同服务器也会表现不同，同时不考虑交换机等因素）。
计算虚拟化：节能 20%-80%，虚拟化程度越高越节能
计算虚拟化是从 IT 基础设施层面提升能效的关键。它实现了 IT 基础设施从物理架构到虚拟化的跃升，减少物理服务器的数量、增加 IT 资源的利用率，让数据中心得以使用更少的基础设施即可运行更大的工作负载。IDC 报告指出，数据中心中计算、存储、网络层虚拟化程度越高，所带来的碳影响就越小。
以 4 台物理服务器搭配 1 台存储系统的配置为例，通过用虚拟化取代原有的物理机，能实现约为 20% 到 80% 的能耗节省（取决于虚拟机部署的密度）。
传统物理环境 vs. 传统虚拟环境

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（以 4 台物理服务器搭配 1 台存储系统为例）
如图所示，此场景中两种架构的最大差异在于对计算资源的利用率不同：在相同的硬件条件下，计算资源的利用率越高，能获得的节能优势就越大。虚拟化架构通过高度利用 CPU 资源（此场景预设的 CPU 超分比例为 1：4，通常属于中到重度计算需求使用），可将平均每计算核心耗能降低约 74%。
在实际使用场景中，虚拟机部署密度的不同，也会带来不同的节能效果：

高密度虚拟机场景下（1 : 20，1 台物理服务器支撑 20 台虚拟机)，平均每台服务器（虚拟机）耗能为 321 W/Hr，相比物理服务器降低约 80%；
低密度虚拟机场景下（1：5，1 台物理服务器支撑 5 台虚拟机），平均每台服务器（虚拟机）耗能 1284 W/Hr，相比物理服务器降低约 20%。

若进一步将 CPU 超分比例提高，物理环境和虚拟环境的耗能差距将会更大。

存储与计算节点融合部署：再节能约 31%
超融合基础设施将计算与存储服务模块融合部署在同一物理服务器（物理节点），完全舍弃了传统集中存储的需求，能够在虚拟化降低能耗的基础上，进一步为数据中心节能。
以相同的硬件配置为例（4 台物理服务器搭配 1 台存储系统），超融合架构通过去除传统集中存储硬件，可将平均每计算核心耗能再降低约 31%。
传统虚拟环境 vs. 超融合

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（以 4 台物理服务器搭配 1 台存储系统为例）
由此可见，没有了集中存储设备的影响，超融合架构的存储能力有大幅提升，而平均每计算核心耗能显著下降。
以上场景所设定的硬件配置为 4 台物理服务器搭配 1 台存储系统，若单纯增加物理服务器的数量而存储系统保持不变，则两种架构的能耗会趋于接近。不过，计算资源（物理服务器）的增加，通常意味着对存储资源（性能与容量）的需求也会随之提升，所以从实际部署的场景来看，传统虚拟化架构的计算资源增加与相应的存储资源提升，整体的能耗与超融合架构相比仍存在不小的差距。
总结
在我国提出的“30 碳达峰 60 碳中和”大目标下，企业作为重要的社会主体，扮演着至关重要的角色。利用自身的影响力和科技力，助力碳中和进程，更是科技企业肩负的重要使命。
虽然数据中心能耗占全社会用电量的比例并不高，但仍处于不断增长的态势；对于每一位企业用户而言，数据中心的碳影响在整个企业的碳影响中占比不小。
企业在采取多个非 IT 基础设施方法进行降碳的同时，也可从 IT 基础设施层面入手，采用创新的架构，加快数据中心降碳的步伐。
参考资料

IPCC report: ‘Code red’ for human driven global heating, warns UN chief
https://news.un.org/en/story/2021/08/1097362
Infrastructure Virtualization Leads the Way in Reducing the Carbon Cost of Growth
https://www.vmware.com/content/dam/digitalmarketing/vmware/en/pdf/company/vmware-infrastructure-virtualization-leads-the-way-in-reducing-the-carbon-cost-of-growth.pdf
2021年中国数据中心行业市场现状与发展趋势分析

https://finance.sina.com.cn/stock/relnews/cn/2021-06-25/doc-ikqciyzk1808625.shtml
关于加快构建全国一体化大数据中心协同创新体系的指导意见
https://www.ndrc.gov.cn/xxgk/zcfb/tz/202012/t20201228_1260496.html?code=&state=123
低碳数据中心发展白皮书 (2021)
https://www.dctech.org.cn/dctech/achievements.html