绿色数据中心电能资源效率优化研究

摘要

随着大数据时代的来临，数据中心耗能达到万亿瓦。数据中心的高耗能给社会，环境以及经济带来了新的挑战。数据中心每年需要花费几百万美金用于日常电费的开销。此外还需巨额的花费用于建设数据中心的电力设施以支撑IT设施峰值功耗的需要，即便这样的峰值需求很少或者几乎达不到。由于用户访问行为导致电能需求的波动性，使得数据中心配给的昂贵电能资源并不能保证每一瓦都被高效利用。高耗能的数据中心不仅带来了巨额成本开销而且会产生巨大的碳排放量，给环境造成了巨大的压力。因此，工业界以及学术界致力于在数据中心引入清洁能源，以降低日常电费带来的巨额运营成本以及减少温室气体的排放。本文致力于在具有多重电能资源的绿色数据中心下提升电能资源效率：(1)降低数据中心电网资源的超额配给以提高电网资源的利用效率；（2）提高新能源的供给效率降低数据中心对于传统电网电能以及储能设备的依赖；（3）提高服务器能效以提升数据中心新能源资源的利用率，从而实现最大限度的节能减排。因此降低数据中心总体拥有成本依赖于提高数据中心的电能资源效率。
　　当前学术界以及工业界都将目光聚焦于优化数据中心的电能资源配给，调整电网容量以应对常见的需求峰值而不再采用超额配给的方式。当前的优化方案多采用对于计算资源的调节以降低负载功耗需求或者采用储能设施进行峰值功耗的削减。然而，当前研究忽略了利用新能源供电资源优化电网资源配给的问题。数据中心中传统电网配给方案多采用集中式的电力传输结构，优化电网配给容量需要重新设计并且改造整个电网传输结构，这样会带来极大的成本以及时间开销。我们关注如何便捷、高效地利用新能源的电能供给降低IT设施对于电网资源的依赖。针对该问题我们提出一种新的新能源配给方案，采用分布式的新能源供电设施以及分布式电池系统用于电网资源的配给优化。此外，针对新能源波动特性以及电池系统使用寿命，我们设计一个新的电能资源控制以及能耗需求控制结构，用于选择合适的电能资源供给以及调控服务器功耗以实现整体电能使用效率的优化。
　　降低电网配给容量在提高电网资源的利用效率的同时，也将导致电力紧急状态，即数据中心的用电需求会超过电网配给的实际容量，从而带来用电危险。电力紧急状态需要良好的电力响应机制保障数据中心电能资源的可用性。针对这一问题，我们从新能源利用效率的角度出发，利用绿色数据中心多重电能资源的调度，降低负载峰值功耗（削峰策略）对于电网资源的依赖以解决电力紧急状态。利用新能源进行削峰既可以降低数据中心的电网建造成本，又能够提高新能源使用效率。然而，新能源波动性以及电池容量的有限性给数据中心负载性能以及用电安全带来新的挑战。我们从性能的角度上，探索了在电力紧急状态下，如何合理地调度可用的电能资源以解决电力紧急状态以及保证负载的性能需求？因此，我们提出一个新的基于电力紧急状态的调度框架，该框架针对不同时间跨度的电力紧急状态选择合适的电能资源，以应对电力紧急状态；并且根据负载的性能需求选择合适的节能机制以弥补电能资源的供给不足。我们评估了在不同容量的新能源以及电池系统配置条件下，不同类型负载的性能。我们评估了在新能源波动以及电池储能有限的条件下，不同节能方案对于负载性能的影响。通过实验证明，我们发现充分利用新能源可以较好地实现负载性能优化与电力设施投资成本节约之间的平衡。
　　无论在数据中心降低电网配给容量还是接入不稳定的新能源，都会导致电能供需不匹配的情况出现，即IT设施的功率需求会超过或者低于电网或新能源的功率供给。虽然将新能源用于数据中心峰值功耗的处理会带来较优的能源利用效率，然而数据中心的服务器长时间处于较低利用率状态，使得对于非峰值阶段的负载，新能源利用效率较低。服务器低能效导致的过度电能需求，同样加剧了电能供需不匹配，使得数据中心依然过度依赖于电网资源。当前研究工作重点关注电能供给侧以储能设备（电池系统）用于平衡绿色能源的供给，或者依赖于传统的节能方案降低负载需求，从而达到数据中心的整体电能供需平衡。但是，这些方案忽略了服务器自身的耗能特性，并且忽略了电能资源调度与传统能效提升机制相结合，使得新能源使用效率的提升极其有限。针对这一问题，我们提出GreenGear——结合服务器能效优化以及新能源供给调度的机制解决绿色数据中心的电能供需不匹配的情况。该方案采用异构服务器结构，将低功耗的弱服务器与传统的高性能强服务器相结合，解决在轻负载条件下服务器低能效的问题，并且采用电能调度机制以充分利用新能源并且保证延迟关键性任务（Latency Critical Workload）的服务水平目标（Service Level Objective）。与传统的同构服务器设计方案相比，GreenGear可以显著地提高新能源的利用率以及电能供需匹配比率。

目录

声明

1 绪 论

1.1 研究背景

1.2 研究动机以及问题的提出

1.3 国内外研究现状

1.4 现有研究解决方案以及不足

1.5 本文研究的主要内容

1.6 论文组织结构

2 绿色数据中心电网传输结构优化设计方案

2.1 研究背景

2.2 分布式供电设计结构

2.3 设计空间讨论

2.4 分布式电能控制结构

2.5 本章小结

3 基于电力紧急状态的电能资源以及负载调度策略

3.1 研究问题的提出

3.2 调度目标

3.3 基于电力紧急状态的调度框架设计

3.4 基于数学模型的调度算法

3.5 实验设计

3.6 实验结果

3.7 本章小结

4 基于电能供需不匹配的服务器设计以及新能源管理方案

4.1 电能供需不匹配问题的研究背景

4.2 GreenGear设计的基本原理

4.3 电能供需不匹配分析

4.4 异构服务器平台的性能以及能效

4.5 GreenGear设计结构

4.6 GreenGear调度器

4.7 GreenGear 实验测试

4.8 本章小结

5 总结与展望

5.1 全文总结

5.2 未来工作

致谢

参考文献

附录1 攻读博士学位期间发表的主要论文目录

附录2 博士生期间申请的发明专利

附录3 攻读博士学位期间参加的主要科研项目