資料中心伺服器節能技術漫談

每次走進資料中心機房，都能看到一望無際的機架上擺放着滿滿的都是伺服器。在資料中心裡，伺服器的數量多少決定了這個資料中心的業務處理能力，而中大型的資料中心裡伺服器都是以數千台來計算的，按照一個機架放置10台伺服器，大型資料中心就需要數百個機架。這樣巨量的伺服器裝置同時運轉，按照每台運作功率300w來計算，一萬台就要3千kw，是以如果每台伺服器都能節省一點能耗，一萬台伺服器節省的能耗就非常可觀。是以有不少的專家從伺服器入手，在伺服器上下功夫，在不降低伺服器運作性能的前提下，盡量降低運作的能耗，下面就來講一講伺服器的節能技術。

衆所周知，伺服器有幾大組成部件：cpu、記憶體、磁盤、網卡及主機闆元器件等。其中cpu功耗占整個伺服器功耗的三分之一，cpu的計算能力越強，其功耗就越大;記憶體是除cpu外最耗能的部件，主流的ddr3 和fbd記憶體均已達到10w這個量級，記憶體頻率越高，功耗越高;磁盤也是伺服器功耗的主要貢獻部分，現在的伺服器硬碟規格都很大，這樣自然導緻整個伺服器的功耗升高。正是這些主要部件的功耗升高，導緻與它們配合的主機闆元器件、總線和外圍裝置都需要工作在更高的頻率，才能充分發揮其性能，這意味着伺服器整體能耗的增加。這些都是伺服器最重要的組成部件，也是能耗大戶，伺服器既離不開這些任何一個部件，又得在這些部件上下節能的功夫。隻要将這些部件的能耗降低些，就能帶動周圍的器件能耗降低，進而使得伺服器整體的能耗下降。

既然cpu是伺服器裡最能耗的部件，就先來說一說cpu。cpu主要有三類節能技術：c1e節能技術，即增強型深度休眠技術，通過c1e技術cpu在空閑輕負載狀态可以降低工作電壓與倍頻。intel的cpu還支援一種eist節能技術，通過開啟eist，能夠讓cpu根據實際使用情況來自己控制頻率和電壓，進而實作功耗的控制。amd也推出了“涼又靜”。也是一項讓處理器在閑置狀态下自動降低電壓與頻率的節能技術。所有這些cpu節能技術原理都是讓cpu可以按需工作，在空閑的時候将工作頻率降低下來，進而達到降低功耗的目的。

記憶體是除cpu外最耗能的部件，這幾年記憶體技術也不斷得到了提升，ddr sdram、ddr3 sdram甚至ddr4等，這些記憶體具有更低的電壓，當沒有讀寫操作時，可以通過reset指令使它停止所有操作，切換到最少活動狀态，達到節能目的。這個領域新技術層出不窮，比如加州大學洛杉矶分校研究小組設計的磁性記憶體，能耗極低，同時密度大、讀取和寫入速度快、不揮發，不用加電也可以儲存資料。英特爾和美光在今年7月共同推出3d xpoint記憶體技術，這也促使另外的伺服器巨頭惠普與sandisk合作，其欲将推出新記憶體晶片，新技術号稱可比傳統閃存快1000倍。在記憶體布線密度上下功夫，也可以達到節能的目的。記憶體一般都是50納米，50納米指的是半導體元件基闆電路間的連線寬度為50納米，如今已經出現了40納米、甚至30納米，這意味着在同樣的空間中可以容納更多的電路。

磁盤是伺服器最為重要的部件，一旦伺服器發生異常或者掉電，隻要磁盤還在，就能確定資料不會丢失。不過如果磁盤壞了，就容易導緻資料丢失的問題。磁盤節能技術主要有磁盤休眠和磁盤降速技術，這些似乎是按磁盤負荷情況(通路量)控制磁盤工作于4種狀态：全速、空閑、休眠和下電。全速自然是磁盤在高速運轉，正在進行資料的讀寫通路;而空閑隻是讀寫期間的短時空閑階段;磁盤若在一定時間不工作即進入休眠狀态;若磁盤長時間不工作，就進入下電狀态;磁盤在運作過程中，應該處于哪種工作狀态，通過軟體進行自動調節，這樣就可以達到節能的效果。當然這種工作狀态切換過于頻繁還會影響到磁盤的可靠性，還要考慮應用業務能夠容忍磁盤從低功耗模式轉換到高速模式帶來的延時，是以采用這種動态調整的節能技術還要綜合考慮，引入時要慎重。除了調整磁盤的工作狀态，還可以使用多種速度磁盤，用ssd硬碟替代機械磁盤等。

除了以上三大部件，還有網卡、風扇、主機闆、顯示器、訓示燈等等，都是耗電的部件。比如顯示器，資料中心裡的伺服器基本都不用顯示器，隻有調試的時候才用，是以顯示器可以不用考慮。伺服器裡的風扇也是應該考慮的一部分，很多伺服器的風扇都是以最大速度運作的老式的固定速度的風扇，現在的伺服器風扇引入了智能風扇技術，通過内嵌于伺服器主機闆上的溫度感應裝置，根據環境溫度的變化來控制風扇的轉速，合理調節伺服器内部風扇的轉速。網卡雖然占用功耗不大，但也可以通過網卡鍊路的繁忙程度調整功耗，根據網卡流量的大小來降低網卡的鍊路速率，就可以達到節能的目的。

資料中心伺服器内部有很多可以節能的地方，從這些節能技術不難看出，它們都遵循着同一個設計原則，即按需配置設定。根據部件運作的實際狀态，來提供合适的功耗，這樣不浪費一點多餘功耗。如果伺服器裡的每個部件都能節省一點點，累積起來就不得了，再放到整個資料中心伺服器上，節省的能耗數額将是驚人的，是以伺服器節能技術的研究是對資料中心進行節能減排探索中的重要組成部分。通過對伺服器部件進行節能，進而達到對整個伺服器進行節能控制，可以從根源上最大地實作資料中心的節能控制。

作者：何妍 

來源：51cto