陈强， 朱涛（中国移动通信集团上海有限公司，上海 200233）

CHEN Qiang， ZHU Tao（China Mobile Group Shanghai Co.， Ltd.， Shanghai 200233， China）



数据机房PUE和节能的关系研究

陈强， 朱涛
（中国移动通信集团上海有限公司，上海 200233）

摘 要通过对PUE的计算公式进行分解和推导，解析论述数据机房PUE和节能之间的关系，并与数据机房实际运行的情况进行对比验证，最后对数据机房的节能方法进行补充。

关键词数据机房；PUE；节能；关系

多年来，国家对节能减排工作越来重视，对包括通信行业在内的所有企业提出了加强资源节约和管理的要求，在“十一五”期间，各电信服务商都投入了巨大的人力和专项资金落实节能减排工作，也取得了很大的成效，单位电信业务总量综合能耗从每万元68.5 kg标准煤降低到51.4 kg标准煤，累计降低24.9%。

在“十二五”规划中，国家进一步提出了电子信息行业能耗降低18%，其中一般数据中心PUE下降8%，新建大型云计算数据中心的PUE要达到1.5以下的目标。

PUE只是用电效率的一个指标，最终目的是为了节能，但是中国移动对数据中心有着节能和PUE两方面的要求，那么我们就应该对这两方面，特别是这两者之间的关系进行透彻的研究，这样才能更好的制定和完成节能减排的总体目标。

1　PUE及其测算

PUE（Power Usage Effectiveness， 电源使用效率）是一个综合考量数据机房能耗运行水平的评价值［1］，其最早是由TGG（The Green Grid，绿色网格）在2007年提出来的，同时被提出来的还有DCE（后来改为DCIE，Datacenter Efficiency）这个评价值，DCIE为PUE的倒数［2］，因此不在此赘述，能耗测量点图如图1所示，PUE的计算公式：

PUE=总设备用电/IT设备用电 （1）

总设备用电：通信用电、空调用电和建筑基础用电三者之和，即A点的用电计量。

IT设备用电：数据机房内的通信设备用电，一般指服务器用电及G点的用电计量。

PUE大于2.5时，说明数据机房能效处于较差水平；PUE值在1.4～2.5时，说明数据机房能效处于一般水平；PUE值小于1.4时，说明数据机房能效处于优秀水平。

图1　能耗测量点图

目前，数据机房的PUE水平大致在1.8～2.5之间，个别机房因为采用了自然冷源或者负载率比较高，PUE甚至可以做到低于1.5，而有些机房因为负载率很低，同时也没有采用好的节能措施，其PUE甚至会大于3。

表面看目前的数据机房的PUE值还是可以接受的，但是其存在以局部PUE替代总体PUE的问题，所以PUE看上去比较小，实际上能耗还是比较大的。以上海移动怒江IDC机房为例，所有5个楼层的PUE均在1.8以下，最低的到达1.46，但是其总设备用电的测量点不是在图1的A点位置，而是取E、C和D这3者的和，忽略了UPS设备自身的消耗电量，所以其PUE值应该比目前测量的大0.2左右。如果使用的是冷冻水或者冷却水系统，则还必须加上水泵和淋水塔风扇的用电量［3］。

2　PUE和节能的关系

PUE计算公式中包含通信能耗、空调能耗、建筑照明能耗以及供电设备自身的能耗等4个方面的数据，因此节能可以大致分为通信主设备节能、供电设备节能、空调设备节能和建筑节能这4个方面。

PUE计算公式的分母是IT设备用电，其实也就是通信主设备用电。分子是总设备用电，即通信用电、空调用电和建筑基础用电三者之和。其中通信用电又包含通信主设备用电、电源设备损耗和配电线路损耗三部分，因此说4个节能方面都包含在PUE计算公式中，为了便于推导它们之间的关系，对计算公式进行分解。

PUE=（IT设备用电+电源设备损耗+配电损耗+空调设备用电+建筑用电）/IT设备用电 （2）

电源设备损耗用电根据其供电效率而不同，老旧的通信电源因其负载率小于50%低时，其效率往往低于0.8，近年来随着模块化UPS和高压直流设备的引入，其负载率在30%时的效率可以达到0.9以上。

综上，设IT设备用电为变量t，则PUE计算公式套入经验值后变形为：合并同类项后

下面分别对通信主设备节能、供电设备节能、空调设备节能和建筑节能这4个方面与PUE的关系进行研究。

2.1通信主设备节能与PUE的关系

就是研究t变化时PUE值的变化情况，对式（4）进行求导即可，求导后得到：t2

因为式（5）恒为负值，因此随着IT设备用电量的增大，PUE值变小，当采用云计算、虚拟化等主设备节能手段后，IT设备用电量减小了，PUE值反而增大了。

由此可见反映机房能耗效率的指标PUE，在反映通信主设备节能上，是不正确的，甚至是相反的，这是PUE这一指标的局限性，要引起特别的注意［4］。

2.2供电设备节能与PUE的关系

在主设备用电不变的情况下，在式（4）中，反映供电设备节能的是分子中的第二项的系数0.23，所谓供电设备节能，就是对此项系数的改变，当采用了高效供电设备，或者供电设备被调整到运行在比较高效的工况时，此项系数会变小，反之则变大。

因此供电设备节能会使PUE值变小，能够正确地反映机房能效水平。

2.3空调设备节能与PUE的关系

在主设备用电不变的情况下，同供电设备节能相类似的是，在式（4）中，反映空调设备节能的是分子中的第3项的系数0.6，理论上空调设备节能，就是对此项系数的改变，当采用了高能效比的空调设备，或者空调设备被调整到运行在比较高效的工况时，此项系数会变小，反之则变大。

因此空调设备节能会使PUE值变小，能够正确地反映机房能效水平。

2.4建筑节能与PUE的关系

建筑用电在式（4）中是分子中的常数项，不同于供电设备和空调设备，在机房和人员确定后，其基本不受主设备用电的影响，因此显而易见，当建筑采用了节能手段后，PUE值下降，反之上升。

因此建筑节能会使PUE值变小，能够正确地反映机房能效水平。

3　实际运行对两者关系的验证和补充

在上海移动十几年的数据机房运行维护过程中，经历了多次的IT设备和技术升级、电源设备升级更新、空调设备升级更新，以及机房建设标准的变迁，因此可以作为对上面理论上论述的PUE和各种节能技术或手段之间的关系进行验证。

首先说主设备的方面，当刀片机逐渐代替老式的服务器，或者机房从建设之初的低装机率到后来装机率上升到一定程度，PUE的变化是明显的，那就是随着通信负载的增大，PUE整体而言是呈下降趋势。而随着近几年云计算和虚拟化技术的逐渐引入，某些机房的主设备用电量反而下降了，随之PUE却有增大的趋势，这一现象说明上面论述的主设备节能和PUE之间的关系是正确的。

其次是供电设备的更新升级，随着电力电子技术的发展成熟，数据机房供电设备也发生了很大的变化，由最早的清一色的6脉冲的UPS，发展到12脉冲UPS，再到高频机UPS，再到模块化UPS，直到近两年逐渐引入的高压直流设备，撇开设备本身的可靠性、可用性指标不谈，其工作效率确实是在不断的提高，这就使得供电设备本身消耗的电能下降了，引起了PUE值的下降，验证了供电设备节能和PUE之间的关系。

然后是空调设备的更新升级，空调采购上，由以前的能效比2.5、3提升到了目前的4，室外工况也由以前的25℃提升到了目前的35℃，因此空调的节能效果有了很大的提升，在通信负载发热不变的情况下，机房PUE有了很大的下降，这一点也验证了空调设备节能和PUE之间的关系。

最后是建筑节能这块，数据机房建设标准的变迁有些不能说是严格意义上的建筑节能，比如冷热通道分离、冷通道封闭等，应该偏空调节能多一点，但是对建筑节能也有影响，完全属于建筑节能的应该是数据机房禁止开窗，隔热材料等，这些措施在数据机房应用较少，反而是基站应用的较多，数据机房用的较多的是减少机房日光灯的开启数量这一管理手段，取得了很好的节能效果，当然因为建筑用电这块在数据机房用电占比较小，所以对PUE的影响不大，但是变化趋势是没有问题的，验证了建筑节能和PUE之间的关系。

这里要补充一点的是，虽然上述4个方面都验证了节能和PUE之间的关系，但是实际运行中的变化曲线并非严格按照式（4）的算术关系所形成的光滑曲线，而是阶梯状的，带有断点的形状，如图2、图3所示。

比如说一个已经有一定装机率的数据机房，现在要增加IT设备负载，按照我们上面论述的关系研究，其机房PUE应该是随着IT设备负载的增加而逐渐下降。但是实际情况并不完全如此，当下降到一定程度时，PUE反而会在某一点上有个跳跃上升的断点，然后再以此断点开始新一段的下降过程。

图2　理论关系图

图3　实际关系图

造成这种情况的原因是空调因素，因为在式（4）中，空调分项是0.6 t，这是个经验值，是在实际运行数据的基础上为了简化空调因素的作用而总结的，是假设空调用电量会随着IT设备用电量同步上升或者下降，但实际上目前数据机房使用的大多数空调不是这样的，首先有个运行工况的概念，效率随着工况变化，还有就是空调的开启关闭是以台为单位的，并不是一个以冷量为单位的平滑曲线，如果因IT设备负载增加而增加开启的空调制冷量和新增的热量这两者不匹配，就会造成关系曲线断点的形成，而这两者在绝大多数情况下是不可能匹配的。

目前逐步引入带EC风机的空调能使得实际关系曲线更平滑一些，但是并不能完全消除断点。

4　总结

到目前为止，PUE仍然是被业界广泛接受的数据机房能效指标，虽然PUE在面对云计算、虚拟化等IT新技术时表现出了一定的局限性，而且还存在一些不合理的地方，例如清理关闭数据机房的僵尸服务器反而会使得PUE上升等。

从逻辑上来讲，既然是关于数据机房的指标，必然需要和数据机房的数据流量或者服务器的计算工作量有关，才能完整反映数据机房的运行水平。但是可能这方面的统计比较困难，所以还没有一个可以替代PUE，且能被业界广泛接受的指标。所以PUE还是数据机房最重要的一个能耗指标，我们还是很有必要紧紧把握其与节能之间的关系，以指导我们更好地完成节能减排工作。

参考文献

［1］ Green grid metrics： describing datacenter power efficiency［R］. TGG，2007.

［2］ Jon Haas，Jamie Froedge. pue dcie usage guidelines［R］. 2009.

［3］ 傅烈虎，曹播. 全面深入解析数据中心PUE［J］. 电气应用. 2012（3）：20-23.

［4］ QUANTITATIVE EFFICIENCY ANALYSIS OF POWER DISTRIBUTION CONFIGURATIONS FOR DATA CENTERS［R］. TGG， 2008.

CHEN Qiang， ZHU Tao
（China Mobile Group Shanghai Co.， Ltd.， Shanghai 200233， China）

Relationship of PUE and energy saving in data center

Keywordsdata center； PUE； energy saving； relationship

AbstractThe essay notes the relationship of PUE and energy saving in data center base on the decomposition and derivation of the PUE calculating formula.Verifying and complementing the relationship by the actual operation and experience in data center.

中图分类号TN915

文献标识码A

文章编号1008-5599（2016）05-0081-04

收稿日期：2016-03-01