节能从点滴做起 服务器组件能耗详细分析
在数据中心节能是目前的热门话题。我们都要为自己的数据中心配置速度最快的、功能最强大的服务器。我们都要为了让数据中心更有效率和更绿色而实施优化、虚拟化和整合。North American Access Technologies(北美接入技术公司)创始人和网络服务经理Julius Neudorfer介绍了对于一般服务器使用的总能源有影响的一些关键组件、操作一台服务器的真正成本是什么以及如何优化你的服务器的能源效率。每一个人都在观察自己的数据中心的效率，并且设法量化和改善这个效率。当然，从不同的立场看，实际上有两个不同的团队解决这个问题：设施团队和IT团队。
节能要从每一个组件做起
设施团队负责整个封闭空间的电源和冷却。IT团队负责服务器、存储和网络硬件。一般来说。双方的沟通尽可能的很少，除非服务器机房或者数据中心的电源或者冷却达到了极限。
IT设备厂商和电源以及冷却设备厂商创建了一个Green Grid(绿色网格)组织。Green Grid已经创建了并且一直在推广衡量数据中心效率的电源使用效率(PUE)和数据中心基础建设效率(DCiE)。
Neudorfer说，虽然我在这里不深入研究PUE计算的全部细节，但是，PUE基本前提是包括IT负荷本身在内的数据中心的总耗电量(包括不间断电源和冷却)的比例除以IT负荷。一个简单的例子是，如果总负荷是200千瓦并且IT负荷是100千瓦，PUE的结果就是2.0.虽然这个PUE可以是1.x至3.x，2.0的PUE是许多数据中心相当普通的操作比例。
然而，奇怪的是这些新的衡量标准都不能直接解决任何IT设备的效率问题，只能解决电源和冷却设备的效率问题。虽然本文的重点不是数据中心基础设施的效率问题，但是，对于IT部门来说，理解和考虑每一瓦IT设备和数据中心基础实施都需要额外的能源支持它是非常重要的。
甚至美国政府在投入了大量的时间和资源之后有没有能够全面地定义和规范数据中心、服务器和IT设备的电源效率(根据美国环境保护署在2007年8月提交给美国国会的报告)。据美国环境保护署在2008年7月9日召开的能源之星计算机服务器相关人士会议称，这个法规仍在制定之中。第一层规则预计在2009年最后确定。
目前，对于整个服务器的能源效率还没有真正的标准。对一台普通的服务器使用的整个能源有影响的一些关键的组件是：电源、风扇、处理器、内存、硬盘、输入/输出卡和端口以及其它主板组件和支持的芯片组。这些主要组件存在于传统的服务器中，也存在于刀片式服务器中。此外，操作系统和虚拟化软件也将影响硬件平台可用的计算吞吐量。下面让我们看一看运行一台服务器的真正成本。
1瓦的价值：能源成本
我们一般都不考虑使用一台耗电量为500瓦的“小型”服务器的成本是多少。这台服务器还需要冷却500瓦的热负荷，大约是1700 BTU(英热单位)。因此，对于一个采用PUE 2.0标准的典型的数据中心来说，这就意味着它要使用1瓦电源支持这个IT负荷本身的每一瓦电源(电源损耗和冷却电源)。也就是说，数据中心要运行一台500瓦的小型服务器，就需要1000瓦的耗电量。
一个1千瓦在数据中心看起来并不多，但是，在你计算它连续不断的消耗之后(每周7天每天24小时全年365天)，你会发现一年的耗电量等于8,760千瓦时。按照每千瓦时11.5美分计算，1千瓦一年的成本是1000美元(当然11.5美分仅仅是平均价格，在许多地区这个成本更高)。
因此，在三年的时间里，一台小型的500瓦服务器的耗电量成本可达3000美元或者更多。事实上，由于许多这种小型服务器的成本都不到3000美元，你就明白了为什么有些分析师说使用服务器的电源成本将超过服务器的成本，特别是能源涨价的时候更是如此。下面让我们看看电源消耗在什么地方和如何优化耗电量。
当然，电源是电力进入服务器的地方，并且从120伏至240伏的交流电转换为3.3伏、5伏和12伏的直流电。直到最近也没有发表有关节能的数字(只有一些厂商列出一些数字)。事实上，美国环境保护署能源之星计划(强制规定所有的PC电源必须是80%以上的节能效率)特别免除了对服务器的要求!在服务器领域，如果多花一点钱购买80%以上节能效率的服务器在服务器三至五年的使用寿命期间能够得到大量的节能的回报。
70%和87%的电源节能的差别在电源使用总的节省方面相差20%(假设内部服务器的工作负荷相同)。这也是数据中心整个减少能源的范围。
不过，这个节能效率通常仅提供了电源最大负荷的状况。这没有反应服务器在生产中工作的实际工作负荷。一般来说，一台服务器仅消耗最大供电负荷30%至50%的电源。这就意味着电源的固定损耗将低于满负荷的额定的电源效率值。
此外，由于我们还需要冗余以改善运行时间，我们一般还要为服务器订购冗余的电源。这些冗余的电源一般都负担一部分内部负荷，从而导致每个电源仅提供其负荷的一半的电源。也就是说，每一个电源仅运行其额定负荷的13%至25%。这就意味着固定的损耗占内部服务器组件实际消耗的电源的很大一部分。
在购买服务器的时候，价格最低的组件也许不是最佳的选择，甚至计算性能的技术规格也是如此。因此，在确定一台新的服务器的时候，节能是最佳的起点之一。如果服务器厂商没有公布或者不能提供电源的节能效率，你要再三考虑一些这个服务器是否真正具有很好的价值。
现在多花50至100美元购买更节能的服务器在服务器的受用寿命期间能够为你节省数百美元。而且，你还不用升级电源和冷却基础设施。
另外，采用208伏或者240伏的电压使用服务器能够比采用120伏电压节省2%至3%的电源，因为电源的电压越高越节能。
服务器风扇：如何优化电源使用
服务器风扇是仅次于电源的第二大耗电组件(除了实际上与计算有关的组件本身之外)。随着服务器尺寸越来越小和目前通常在1U服务器中采用几个多核处理器，要使这些服务器具有充分的通风能力需要配置多个较小的和高速的风扇。这些风扇要把空气传送到服务器内部非常小的空气很难达到的地方和以及服务器机箱前面和后面的非常小的进气口和出气口。
这些风扇占服务器耗电量的10至15%。由于风扇使用直流电，风扇要消耗电源提供的电源，从而增加了服务器的电源输入，再一次降低了电源的效率。此外，在1U服务器中，大多数或者全部的气流都是通过电源风扇驱动的，因为实际上在后面板上没有任何排出热气的有效面积。
为了提高效率，许多新的服务器配置了恒温控制风扇。这种风扇能够随着服务器需要更多的冷却气流而加快风扇速度。这比一直以最大速度运行的老式的固定速度的服务器风扇有所改善。然而，在内部热负荷增加或者输入的空气温度提高时，这些变速风扇仍需要很多能源。
例如，如果一台服务器的内部处理器和其它与计算有关的组件需要消耗来自电源的250瓦至350瓦电源，风扇需要30至75瓦电源来保证足够的空气通过这个服务器。随着数据中心的热密度和空气温度的提高，服务器的整个耗电量也将增加。
处理器
处理器是服务器的心脏，也是与计算有关的计算组件中耗电量最大的。虽然英特尔和AMD都提供了不同系列的处理器，所有这些处理器的目标都是提供每瓦更大的计算能力，但是，服务器的整体耗电量仍在继续增加(因为计算能力的需求也在增长)。
例如，根据版本和时钟速度的不同，英特尔双核Xeon处理器的耗电量是40至80瓦，英特尔四核处理器的耗电量是50至120瓦。如上所述，许多服务器配置两个、四个、甚至八个双核或者四核处理器。我们很自然地都希望我们目前购买的是速度最快的服务器并且有在下一波软件或者应用程序压过这些服务器的性能之前能够有三年的可用寿命。
有文件显示，处理器平均有90%的时间是处于待机状态，达到需要高峰的时间非常短暂。尽管如此，处理器每天24小时都连续不断地消耗其最大耗电量的大部分电源。而且，即使服务器配置了硬件和软件的节能功能(大多数服务器都是如此)，服务器管理员通常都关闭这些功能。
虚拟化的主要目标之一是减少大多数时间处于待机状态的服务器的数量，把这些服务的功能和应用程序合并到较少的和功能更强大的服务器。这些服务器将以更高的平均使用率运行。
最后，性能要求和你的应用程序面临的计算负荷的类型将是你选择服务器类型和数量的决定因素。通过使计算负荷与性能和处理器数量相匹配，你将能够优化每一台服务器的效率。
内存：如何优化电源使用
在确定服务器的配置的时候，内存在确定整个实际耗电量方面通常是一个被忽略的因素。各个厂商的内存芯片有很大的差别，并且通常没有很好地说明内存的耗电量。总的来说，每个芯片模块的内容容量越大，每GB内存的耗电量就越低。此外，内存的速度越快，耗电量就越大(这与服务器和处理器的内存总线速度有关)。
理想的情况是为你的应用程序需求得到尽可能多的内存，但是，不要最大限度地增加你的所有的服务器的内存。过多地配置不使用的内存将增加最初的成本和服务器使用寿命周期内的不必要的耗电量。虽然一些较大的内存芯片每GB的成本高一些，但是，更节能的内存芯片在服务器的使用寿命周期内能够减少更多的能源成本。此外，如果你以后需要增加更多的内存时，这还能留下更多的没有使用的插座。
硬盘
硬盘的容量、物理密度和能源效率已经超过了许多其它计算组件性能的增长。我们似乎对于数据存储都有贪得无厌的需求。然而，比较新的2.5英寸硬盘的耗电量显著低于“全尺寸”的3.5英寸硬盘。此外，由于每一个盘片的介质的磁密度的增加，更多容量的硬盘与较小容量的硬盘的耗电量是相同的(假如是同一种硬盘型号的话)。
在同样类比的硬盘中，旋转速度对于电源效率有直接的影响。一个每分钟10000转的硬盘，无论是146GB硬盘或者300GB硬盘，使用时的耗电量都是7瓦，待机时的耗电量只有3.5瓦。除非你有特殊的应用程序需要更快的硬盘响应速度，否则，每分钟10000转的硬盘对于普通存储来说能过提供更多的每瓦存储量。只要有可能，尽量采用耗电量更低的硬盘以增加节能效率。
最近，用于笔记本电脑的固态硬盘容量已经增至512GB并且开始降价。固态硬盘将很快进入服务器市场并且将节省更多的能源，特别是与每分钟15000转的硬盘相比。
输入/输出卡和端口
虽然大多数IT人员都没有考虑网卡或者输入/输出卡的耗电量，但是，这是能够为每台服务器节省几瓦电源的一个机会。有些服务器厂商提供嵌入式的卡，有些服务器厂商提供插入式的卡或者两种卡都提供。在选择网卡的时候，我们需要数据吞吐量最快的，通常没有考虑电源使用问题。例如，英特尔生产的一些网卡耗电量就不一样。INTEL PRO/1000 PT网卡的耗电量只有3.3瓦，而10-Gigabit Dual Fiber 10GB XF网卡的耗电量是14瓦。
例如，在OEM厂商生产的服务器网卡方面，一个主要的厂商电源预测工具显示，他们的OEM厂商生产的PCI以太网卡的耗电量是22瓦。由于许多服务器采用了嵌入式网卡，这些网卡即使在关闭的情况下也许还会耗电，或者不耗电。如果你为了冗余和吞吐量的需求而配置多个网卡，认真比较内部的或者OEM厂商的网卡能够为每台服务器节省若干瓦电源。
其它主板组件和支持的芯片组
每一台服务器显然都需要自己的支持芯片组以便组成一个完整的系统。比较市场上的各种不同的系统超出了本文的范围。如果系统主板已经配置了大多数的板上网卡、RAID控制器或者其它输入/输出设备以满足你的需求，那么，你就不需要增加额外的卡。
每一个主要服务器厂商现在似乎都为其服务器配置了一个电源预测工具。这也许不是服务器耗电量的绝对的指标，但是，这个工具能够提供一个很好地预测和比较不同组件和配置的一种方法。
小结
所有这些因素合在一起将确定你的数据中心使用的电源。通过认真对比和选择更有效的组件和设置选项，你可能会节省大量的电源。要记住，通过认真地确定和设置你的服务器以充分地满足而不是超过你的计算需求，你为服务器节省的每一瓦电源每一年将为你节省大量的金钱。否则，你就要升级你的数据中心或者服务器机房中的电源和冷却系统，或者继续以现有的基础设施的负荷工作。
最后一个建议。也许最简单和最有效的节能方法是评估数据中心中的每一个IT设备的状态和目的。许多研究表明，大量的已经不再在生产中使用的服务器和IT设备仍在开着电源。没有人知道这些设备支持的应用程序或者功能是什么，但是，没有人负责关闭这些设备。因此，要定期制作一个全部设备的清单。你也许会发现一些不再使用的服务器、路由器和交换机仍在开着电源。一旦比发现这些设备，就关闭这些设备的电源。