基于云数据中心服务能力的评估指标研究

2020-08-19唐怀坤程莹莹

通信电源技术 2020年10期

唐怀坤，程莹莹

（中通服咨询设计研究院有限公司，江苏南京 210019）

0 引言

自2010年开始，我国数据中心产业进入高速发展阶段，产业规模以每两年翻一番的速度增长。根据工信部首次公布的《全国数据中心应用发展指引（2017）》，截至2016年底，我国在用数据中心共计1 641个，总体装机规模达到995.2万台服务器，规划在建数据中心共计437个，规划装机规模约1 000万台服务器[1]。根据不完全统计，到2019年底，总装机规模更是有飞跃式增长。进入2020年，在5G、物联网等新一代信息技术的快速演进和新冠肺炎疫情倒逼的形势下，网络数据通信量呈爆发式增长，对数据中心提出了更高要求。2020年3月，中共中央政治局常务委员会把数据中心建设上升到国家新型基础设施层面。可以预见，数据中心将迎来建设高潮。

根据建设运营经验，数据中心运营用电成本平均占到数据中心运营成本的50%以上，在电价相对较高的数据中心热点地区甚至占到运营成本的70%。国际环保组织绿色和平与华北电力大学近日联合发布的《点亮绿色云端：中国数据中心能耗与可再生能源使用潜力研究》研究结果表明：2018年中国数据中心总用电量占全社会用电量的2.35%[2]。因此，由Green Grid于2006年发布的用于衡量数据中心用电效率的PUE，一直是数据中心建设运营方和政府管理部门重点关注的指标。自2013年起，各级政府发布的数据中心PUE限制指标呈不断升级趋势，经历了从1.5的推荐性指标上升到1.3的限制性指标的过程。

Green Grid发布的PUE计算公式为[3]：

其中，数据中心的总耗电是指维持数据中心正常运行的所有耗电，包括IT设备、制冷设备、供配电系统和其他设施的耗电总和。如果数据中心所在建筑同时用于办公等其他用途，则办公等所消耗的电能不包括在数据中心总耗电中。IT设备耗电指机房内芯片级主设备耗电。在数据中心中，只有IT设备的耗电被认为是“有意义”的电能。

PUE衡量数据中心的电耗简洁、直接，已经被广泛应用于数据中心能耗管理和运营成本管理。但是，该指标忽略了数据中心能耗多样性和耗电主体是服务器设备，且评价机制和测量标准存在主观性等问题。如何落实并通过科学的模型或方法规范数据中心能耗管理，是摆在数据中心建设单位和政府考核单位的研究课题之一。

1 数据中心能耗及PUE现状水平分析

根据业内接触的多个数据中心运营能耗统计，运行成本支出最大的组成是用电消耗。为尽可能降低用电支出，大型互联网公司纷纷尝试不同途径降低PUE。自2015年以来，百度、阿里、腾讯等大型互联网公司建设运营数据中心过程中，因地制宜采用不同方式降低机电配套基础设施电能消耗，使得我国数据中心PUE接近国际先进水平，典型项目如表1所示。

表1 百度、阿里、腾讯等大型互联网公司典型数据中心PUE

但是，根据中国信息通信研究院发布的《数据中心白皮书（2018）》，我国大型数据中心能效整体水平相对较低。截至2017年底，受上架率影响，全国在用超大型数据中心平均运行PUE 1.63，大型数据中心平均1.54[4]。工信部在2017年4月发布的《关于加强“十三五”信息通信业节能减排工作的指导意见》中指出：到2020年，新建大型、超大型数据中心的能耗效率（PUE）值必须达到1.4以下。

2 PUE局限性分析

根据PUE计算公式，降低PUE值主要是通过控制数据中心机电配套基础设施的电耗，进而达到减少建设运营单位电费成本支出的目的。然而，该计算方式没有考虑IT设备本身性能、数据中心运营模式及PUE测量基准点等因素对数据中心建设运营整体效益的影响。

2.1 IT设备本身性能的影响

由PUE的计算方法可以看出，数据中心的耗电设备主要是IT设备。降低PUE值只是减少了机电配套基础设施的电耗，忽略了从数据中心整体能耗方面考虑时，IT设备是数据中心耗电主体的情况。在服务能力不变的情况下，如果IT系统设备电耗加大，会出现PUE值降低但是整体用电成本却可能上升的情况。因此，降低IT设备的电耗对降低数据中心运营成本具有重要意义。

数据中心运营中，采用专用的网络存储服务器和对冷热数据进行存储应用优化等技术，均可不同程度降低IT系统的能耗，实现数据存储的电耗成本最优，但可能会导致PUE指标不降反升，失去数据中心电耗水平风向标的意义。

2.2 数据中心运营模式影响

数据中心运营模式经历了机柜出租、带宽出租与运营支撑为主的阶段。随着5G、物联网、AI等技术的快速发展，当前数据中心运营正在迈入“云计算流量”收费阶段。今后的云计算数据中心服务形式以云计算流量为单位，按需提供，按“流量”收费，并逐渐代替目前的按机柜出租收取租金的方式。根据IDC统计与预测，国内“云计算”产业未来几年将以每年20%以上的复合增长率快速发展[5]。由于“云计算流量”输出运营模式，机房电源、空调、油机等机电配套基础设施和IT设备达到设计容量和最经济的运行状态，进而提高数据中心能源使用效率。多个数据中心项目经济不确定性分析和敏感性风险分析结果表明，收入增加对整个项目内部收益率的正面影响最明显，也是投资运营单位最乐意看到的结果。

综上所述，PUE指标不是从数据中心整体能耗角度考虑，表征的结果是IT设备的节能与机电配套基础设施节能互相促进的博弈过程，无法全面衡量数据中心的耗能效益情况。

2.3 测量基准点影响

在工信部电信研究院2012年4月份公布的《数据中心能效测评指南》中，就地理位置、选定时间、单机架功耗、功率密度以及IT设备上架率的不确定性对PUE的影响，具体到城市、时间段、单机柜功率密度、数据中心规模、上架率及负荷使用比例、建筑形式、数据中心用途、供电和制冷方式、间接测量方式和估算方法[6]。实际上，这么多约定因素降低了数据中心的横向可比性。同时，IT设备在AC/DC转换过程中有能量损耗，甚至有的设备直接采用机架式EPS电源，要求选取合适的输入IT设备能耗测量点，增加了据此测算的PUE值不确定性，影响PUE作为数据中心评估指标的客观性。

因此，在数据中心建设运营中，PUE指标是无法充分考虑数据中心整体性、服务能力的有效性及评估的客观性。随着物联网、5G等信息技术的发展，PUE指标用于衡量数据中心的全面性的不足会进一步凸显。

3 评价指标研究

3.1 数据中心建设运营效率评估理念分析

数据中心项目建设是一个系统、长期的工程，投资大，安全保障要求高。受需求、网络节点、能源供给、气候以及技术等条件制约，工程建设需要统筹考虑规划建设阶段和运营阶段投入产出情况，近、远期目标实现的可能性以及经济、技术的综合可行性。PUE作为衡量数据中心能耗的最主要、最直观指标，在数据中心现有机柜出租、带宽出租与运营支撑为主服务模式下，是投资运营方“降本增效”的依据和政府管理部门节能减排的把手。

但是，随着5G、物联网、AI等技术的快速发展和运营商业模式的变化，通过整体投资成本的把控、单位投资成本的业务服务能力的提高，统筹考虑建设阶段投资、运营阶段成本和“云计算流量”收入带来项目整体效益成为建设运营方关注的重点。例如，若数据中心节能性很好，但由于选址较偏、服务价格偏低、上架率不高，项目的总体收益也是不经济的。目前，国内建成数据中心投入运营的经验表明：北京、长三角、珠三角等热点以外区域的数据中心盈利性偏低就是证明。

3.2 基于数据中心服务能力的评估指标推荐

在5G、物联网、AI等技术的快速发展下，数据中心服务由机柜、带宽出租向云计算流量服务模式转变，综合考虑数据中心建设投资（CAPEX）、运营阶段成本（OPEX）和服务能力输出情况，建立单位服务能力的投资成本（Capital of per Tbyte，CPT）指标，将投资、运营阶段成本量化到数据中心的单位服务能力，从而作为评估数据中心是否高效、经济的评估依据。