数据中心服务器节能技术漫谈-阿里云开发者社区

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数据中心服务器节能技术漫谈

简介:

每次走进数据中心机房,都能看到一望无际的机架上摆放着满满的都是服务器。在数据中心里,服务器的数量多少决定了这个数据中心的业务处理能力,而中大型的数据中心里服务器都是以数千台来计算的,按照一个机架放置10台服务器,大型数据中心就需要数百个机架。这样巨量的服务器设备同时运转,按照每台运行功率300W来计算,一万台就要3千KW,所以如果每台服务器都能节省一点能耗,一万台服务器节省的能耗就非常可观。因此有不少的专家从服务器入手,在服务器上下功夫,在不降低服务器运行性能的前提下,尽量降低运行的能耗,下面就来讲一讲服务器的节能技术。

众所周知,服务器有几大组成部件:CPU、内存、磁盘、网卡及主板元器件等。其中CPU功耗占整个服务器功耗的三分之一,CPU的计算能力越强,其功耗就越大;内存是除CPU外最耗能的部件,主流的DDR3 和FBD内存均已达到10W这个量级,内存频率越高,功耗越高;磁盘也是服务器功耗的主要贡献部分,现在的服务器硬盘规格都很大,这样自然导致整个服务器的功耗升高。正是这些主要部件的功耗升高,导致与它们配合的主板元器件、总线和外围设备都需要工作在更高的频率,才能充分发挥其性能,这意味着服务器整体能耗的增加。这些都是服务器最重要的组成部件,也是能耗大户,服务器既离不开这些任何一个部件,又得在这些部件上下节能的功夫。只要将这些部件的能耗降低些,就能带动周围的器件能耗降低,从而使得服务器整体的能耗下降。

既然CPU是服务器里最能耗的部件,就先来说一说CPU。CPU主要有三类节能技术:C1E节能技术,即增强型深度休眠技术,通过C1E技术CPU在空闲轻负载状态可以降低工作电压与倍频。Intel的CPU还支持一种EIST节能技术,通过开启EIST,能够让CPU根据实际使用情况来自己控制频率和电压,进而实现功耗的控制。AMD也推出了“凉又静”。也是一项让处理器在闲置状态下自动降低电压与频率的节能技术。所有这些CPU节能技术原理都是让CPU可以按需工作,在空闲的时候将工作频率降低下来,从而达到降低功耗的目的。

内存是除CPU外最耗能的部件,这几年内存技术也不断得到了提升,DDR SDRAM、DDR3 SDRAM甚至DDR4等,这些内存具有更低的电压,当没有读写操作时,可以通过Reset命令使它停止所有操作,切换到最少活动状态,达到节能目的。这个领域新技术层出不穷,比如加州大学洛杉矶分校研究小组设计的磁性内存,能耗极低,同时密度大、读取和写入速度快、不挥发,不用加电也可以保存数据。英特尔和美光在今年7月共同推出3D Xpoint内存技术,这也促使另外的服务器巨头惠普与SanDisk合作,其欲将推出新内存芯片,新技术号称可比传统闪存快1000倍。在内存布线密度上下功夫,也可以达到节能的目的。内存一般都是50纳米,50纳米指的是半导体元件基板电路间的连线宽度为50纳米,如今已经出现了40纳米、甚至30纳米,这意味着在同样的空间中可以容纳更多的电路。

磁盘是服务器最为重要的部件,一旦服务器发生异常或者掉电,只要磁盘还在,就能确保数据不会丢失。不过如果磁盘坏了,就容易导致数据丢失的问题。磁盘节能技术主要有磁盘休眠和磁盘降速技术,这些似乎是按磁盘负荷情况(访问量)控制磁盘工作于4种状态:全速、空闲、休眠和下电。全速自然是磁盘在高速运转,正在进行数据的读写访问;而空闲只是读写期间的短时空闲阶段;磁盘若在一定时间不工作即进入休眠状态;若磁盘长时间不工作,就进入下电状态;磁盘在运行过程中,应该处于哪种工作状态,通过软件进行自动调节,这样就可以达到节能的效果。当然这种工作状态切换过于频繁还会影响到磁盘的可靠性,还要考虑应用业务能够容忍磁盘从低功耗模式转换到高速模式带来的延时,所以采用这种动态调整的节能技术还要综合考虑,引入时要慎重。除了调整磁盘的工作状态,还可以使用多种速度磁盘,用SSD硬盘替代机械磁盘等。

除了以上三大部件,还有网卡、风扇、主板、显示器、指示灯等等,都是耗电的部件。比如显示器,数据中心里的服务器基本都不用显示器,只有调试的时候才用,所以显示器可以不用考虑。服务器里的风扇也是应该考虑的一部分,很多服务器的风扇都是以最大速度运行的老式的固定速度的风扇,现在的服务器风扇引入了智能风扇技术,通过内嵌于服务器主板上的温度感应装置,根据环境温度的变化来控制风扇的转速,合理调节服务器内部风扇的转速。网卡虽然占用功耗不大,但也可以通过网卡链路的繁忙程度调整功耗,根据网卡流量的大小来降低网卡的链路速率,就可以达到节能的目的。

数据中心服务器内部有很多可以节能的地方,从这些节能技术不难看出,它们都遵循着同一个设计原则,即按需分配。根据部件运行的实际状态,来提供合适的功耗,这样不浪费一点多余功耗。如果服务器里的每个部件都能节省一点点,累积起来就不得了,再放到整个数据中心服务器上,节省的能耗数额将是惊人的,所以服务器节能技术的研究是对数据中心进行节能减排探索中的重要组成部分。通过对服务器部件进行节能,从而达到对整个服务器进行节能控制,可以从根源上最大地实现数据中心的节能控制。


作者:何妍 

来源:51CTO

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