恢宏壯觀的數(shù)據(jù)中心是如何節(jié)省能耗的

先讓我們走進(jìn)恢宏壯觀而神秘的數(shù)據(jù)中心。

一排排機(jī)柜整齊排列，服務(wù)器和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備層層堆疊，設(shè)備不停的運(yùn)轉(zhuǎn)，無(wú)數(shù)個(gè)風(fēng)扇發(fā)出嗡嗡作響聲。

突然，有機(jī)柜發(fā)出了更響亮的嗡嗡聲，這是服務(wù)器的風(fēng)扇正在全速運(yùn)轉(zhuǎn)。

隨后，傳來(lái)了告警聲，這是服務(wù)器沒(méi)有得到足夠的制冷而發(fā)出的求救信號(hào)。

不一會(huì)，最糟糕的事情發(fā)生了，服務(wù)器過(guò)熱保護(hù)，自動(dòng)關(guān)閉運(yùn)行，這或?qū)?dǎo)致大量的用戶無(wú)法訪問(wèn)服務(wù)器。

與家用空調(diào)不同，機(jī)房設(shè)備更需高效、可靠的呵護(hù)。一個(gè)數(shù)據(jù)中心動(dòng)輒數(shù)千臺(tái)服務(wù)器，大量的設(shè)備所消耗的電能幾乎都會(huì)變成廢熱，為了讓每臺(tái)設(shè)備保持在恒定的溫度下正常運(yùn)轉(zhuǎn)，數(shù)據(jù)中心配置了如冷水機(jī)組、冷卻塔、末端空調(diào)等設(shè)備的大型的制冷系統(tǒng)來(lái)吸入熱空氣、排出冷空氣。

可你知道嗎？為了排放廢熱，這些制冷系統(tǒng)是數(shù)據(jù)中心的耗電大戶，降低數(shù)據(jù)中心的能耗（降低PUE值）一直是業(yè)界關(guān)注的焦點(diǎn)。

一個(gè)大型數(shù)據(jù)中心的電費(fèi)占據(jù)了約70%的運(yùn)營(yíng)成本，全球數(shù)據(jù)中心每年電力消耗相當(dāng)于8個(gè)三峽水電站的發(fā)電量。例如PUE為2的數(shù)據(jù)中心，在總能耗中，IT設(shè)備能耗占了一半，制冷系統(tǒng)能耗占約30%，這就是PUE居高不下的原因。

近年來(lái)，隨著移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算技術(shù)的蓬勃發(fā)展，數(shù)據(jù)中心已成為現(xiàn)代信息生活不可或缺的ICT基礎(chǔ)設(shè)施。面向5G萬(wàn)物互聯(lián)時(shí)代，數(shù)據(jù)流量急劇增長(zhǎng)，數(shù)據(jù)中心必將進(jìn)一步向大型化和高密化發(fā)展。

但海量數(shù)據(jù)處理產(chǎn)生的熱量隨之增加，為保障設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行，制冷系統(tǒng)能耗也將持續(xù)走高。

如何讓數(shù)據(jù)中心更節(jié)能、更高效？業(yè)界為此絞盡了腦汁…

比如，F(xiàn)acebook在瑞典北部，靠近北極圈的地方建數(shù)據(jù)中心，以利用自然低溫為數(shù)據(jù)中心散熱，降低能耗。

微軟在蘇格蘭奧克尼群島海岸附近建“水下數(shù)據(jù)中心”，利用寒冷的海水散熱。

Facebook和微軟將數(shù)據(jù)中心建在北極和海下，目的是通過(guò)“免費(fèi)”獲取冷源的自然冷卻技術(shù)來(lái)降低能耗。

但是， Facebook和微軟采用的自然環(huán)境冷卻方式受地域限制，你不可能把所有數(shù)據(jù)中心都搬到遙遠(yuǎn)的北極或沉到海底，未來(lái)5G時(shí)代的低時(shí)延應(yīng)用更需就近部署。

所以，我們還得把目光轉(zhuǎn)回來(lái)，看看如何降低制冷系統(tǒng)本身的能耗?？偟膩?lái)講，當(dāng)下制冷系統(tǒng)向高效化和智能化趨勢(shì)發(fā)展，方法可謂是“軟硬兼施”，以獲得更低的PUE。

大型數(shù)據(jù)中心一般采用冷凍水制冷系統(tǒng)。制冷系統(tǒng)主要由冷水機(jī)組、冷卻塔、水泵和末端空調(diào)等組成，通常冷水機(jī)組、末端及水系統(tǒng)組件是能耗關(guān)注的重點(diǎn)。

過(guò)去以來(lái)，為了提升制冷系統(tǒng)能效，在冷源側(cè)，從風(fēng)冷向水冷、自然冷卻發(fā)展；在空調(diào)末端側(cè)，從房間級(jí)制冷發(fā)展到行級(jí)制冷、頂置制冷和機(jī)柜級(jí)制冷，以更加靠近熱源，減少冷媒輸送能耗，提升冷卻效率。

隨后，由于數(shù)據(jù)中心內(nèi)設(shè)備眾多，設(shè)備發(fā)熱量動(dòng)態(tài)變化，智能化的制冷系統(tǒng)開(kāi)始應(yīng)用于數(shù)據(jù)中心，使能根據(jù)變化隨時(shí)隨地的提供動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)制冷方案，比如變頻空調(diào)、變?nèi)萘繅嚎s機(jī)、風(fēng)量智能調(diào)節(jié)技術(shù)等。

但是，由于傳統(tǒng)制冷系統(tǒng)中精密空調(diào)、水泵、冷水機(jī)組、冷卻塔來(lái)源不同廠家，各自獨(dú)立運(yùn)行，少有對(duì)整個(gè)制冷系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)性的效率優(yōu)化。

要系統(tǒng)性的提升制冷效率，需要實(shí)現(xiàn)從冷凍站、空調(diào)末端到IT負(fù)載的端到端協(xié)同管理和精細(xì)控制來(lái)智能化降低制冷系統(tǒng)的功耗。

最近在HUAWEI CONNECT 2018上，華為發(fā)布了基于AI的iCooling解決方案，正是這種智能化方向的代表。

基于AI的iCooling數(shù)據(jù)中心能效優(yōu)化解決方案，針對(duì)數(shù)據(jù)中心制冷效率提升瓶頸，通過(guò)機(jī)器深度學(xué)習(xí)，對(duì)大量的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行業(yè)務(wù)分析，探索影響能耗的關(guān)鍵因素，獲取PUE的預(yù)測(cè)模型?；赑UE的預(yù)測(cè)模型，獲取與PUE敏感的特征值，利用特征值，進(jìn)行業(yè)務(wù)訓(xùn)練，輸出業(yè)務(wù)的預(yù)測(cè)模型。最后利用系統(tǒng)可調(diào)整的參數(shù)作為輸入，將PUE預(yù)測(cè)模型、業(yè)務(wù)預(yù)測(cè)模型作為約束，利用尋優(yōu)算法，獲取調(diào)優(yōu)參數(shù)組，下發(fā)到控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)制冷系統(tǒng)的控制。最終通過(guò)規(guī)范化的實(shí)踐引導(dǎo)和目標(biāo)導(dǎo)向評(píng)測(cè)，不斷調(diào)整優(yōu)化，獲取均衡PUE。

在華為廊坊數(shù)據(jù)中心，實(shí)測(cè)環(huán)境為1500柜，單柜密度4kW/柜，43%IT負(fù)載率，2N供電系統(tǒng)，N+1冷凍水系統(tǒng)，采用iCooling智能溫控技術(shù)后，冷凍站總能耗降低325.6kW，冷凍站COP提升8.2，全年P(guān)UE由1.42降為1.304，每年可節(jié)省電費(fèi)372萬(wàn)元，實(shí)現(xiàn)了從“制冷”向“智冷”轉(zhuǎn)變，為未來(lái)降低數(shù)據(jù)中心能耗奠定了新方向。

其實(shí)，試圖用AI優(yōu)化制冷的并不只有華為，Google已宣布通過(guò)旗下DeepMind公司的AI技術(shù)來(lái)降低數(shù)據(jù)中心能耗，其原理與iCooling類(lèi)似，在制冷系統(tǒng)中安裝數(shù)千個(gè)傳感器收集并發(fā)送數(shù)據(jù)到深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，再作出最優(yōu)決策建議。

不過(guò)，Google開(kāi)發(fā)的技術(shù)目前只針對(duì)自己的數(shù)據(jù)中心，未對(duì)外，不具有普適性。而華為iCooling作為對(duì)外發(fā)布的解決方案，為各家數(shù)據(jù)中心提供了最優(yōu)解決方案。

基于軟件化的AI解決方案是趨勢(shì)，同樣，在硬件效率的提升上業(yè)界也一直不遺余力。

各廠家在硬件上常選用更節(jié)能的壓縮機(jī)和風(fēng)機(jī)來(lái)提升空調(diào)末端效率，并有持續(xù)的投入，使得在這兩部分上技術(shù)和性能都差異不大。但加濕系統(tǒng)的能耗往往容易被忽視。

通信機(jī)房要求濕度必須控制在50%±5%。以北方數(shù)據(jù)中心為例，空調(diào)系統(tǒng)全年耗電約有2%~3%的比例消耗在加濕系統(tǒng)上；如果數(shù)據(jù)中心制冷系統(tǒng)年耗電在1000萬(wàn)kwh，那么10年生命周期將有200~300萬(wàn)kwh的電費(fèi)消耗在加濕系統(tǒng)上。

因此，數(shù)據(jù)中心除了在不間斷使用的的制冷系統(tǒng)上進(jìn)行節(jié)能減排措施外，也需要在加濕等溫濕度及環(huán)境控制輔助耗電單元上進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，進(jìn)一步降低日趨膨脹的數(shù)據(jù)中心能源消耗。

目前常用的內(nèi)置式加濕有：紅外加濕、電極加濕、濕膜加濕。

濕膜加濕的大致原理是，通過(guò)循環(huán)水泵將水箱中的水送到濕膜頂部布水器，水向下滲透，均勻地濕潤(rùn)濕膜表面，通過(guò)水蒸發(fā)增加空氣的濕度。整個(gè)過(guò)程不需要耗費(fèi)額外功率。

與紅外加濕和電極加濕相比，濕膜加濕不必將熱量轉(zhuǎn)化為水蒸氣，在改變空氣濕度的同時(shí)還能降低溫度，可大幅降低功耗，且維護(hù)方便，無(wú)需額外水處理設(shè)備。

濕膜加濕可以多節(jié)能？讓我們來(lái)看一組統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。

這同樣是來(lái)自華為的數(shù)據(jù)，在目前內(nèi)置式加濕中，華為采用獨(dú)有濕模式加濕技術(shù)，相比傳統(tǒng)的加濕方式節(jié)能95%。

以上提到了2個(gè)華為的案例，也許有點(diǎn)出乎你的意料，都說(shuō)華為的電信設(shè)備和手機(jī)做得好，在數(shù)據(jù)中心制冷系統(tǒng)領(lǐng)域，難道華為也是佼佼者？

答案是：Yes.

華為于2008年成立網(wǎng)絡(luò)能源產(chǎn)品線，開(kāi)始數(shù)據(jù)中心溫控產(chǎn)品研發(fā)。十年來(lái)，華為溫控產(chǎn)品線每年將銷(xiāo)售收入的15%投入研發(fā)，已在全球設(shè)立三大空調(diào)研發(fā)中心，分別位于中國(guó)西安、深圳以及德國(guó)紐倫堡，現(xiàn)有溫控研發(fā)工程師超過(guò)150人，提供全系列的自研數(shù)據(jù)中心溫控解決方案。

根據(jù)ICTresearch的研報(bào)， 2016年和2017年華為行級(jí)溫控在中國(guó)市場(chǎng)份額蟬聯(lián)第一。

數(shù)據(jù)來(lái)源：ICTresearch 2018

不久前，中國(guó)移動(dòng)2018年山西等五省新型空調(diào)末端系統(tǒng)集成補(bǔ)充采購(gòu)項(xiàng)目結(jié)果揭曉，華為以33.32%的份額中標(biāo)。

不斷研發(fā)投入和技術(shù)創(chuàng)新以降低數(shù)據(jù)中心能耗，是華為的堅(jiān)持，也是行業(yè)一致的追求。一直以來(lái)，業(yè)界都在不懈努力使得PUE值盡可能接近1。隨著數(shù)據(jù)流量爆發(fā)，數(shù)據(jù)中心需求持續(xù)增長(zhǎng)，提升能耗效率越來(lái)重要，相信行業(yè)將會(huì)帶來(lái)更多的驚喜。