低碳資料中心方案：一文讀懂如何利用超融合節能降碳，為碳中和助力

“Global warming isn’t a prediction. It is happening.” 全球變暖並非預言，是正在發生的現實。聯合國政府間氣候變化專門委員會在今年 8 月釋出的報告宣稱，人類即將突破 1.5 攝氏度這一關鍵的氣溫上升極限。

為應對全球氣候變化，中國明確提出 2030 年前二氧化碳排放達到峰值，努力爭取 2060 年前實現碳中和目標。“碳達峰、碳中和”早已從新聞裡的熱詞，滲透進政府、企業及個人行動的方方面面。

所謂碳中和，是指國家、企業、個人等在一定時間內直接或間接產生的二氧化碳或溫室氣體排放總量，透過使用低碳能源取代化石燃料、植樹造林、節能減排等形式，以抵消自身產生的二氧化碳或溫室氣體排放量，實現正負抵消，達到相對“零排放”。

低碳資料中心，因何而來？

碳中和是一項影響深遠的系統性工程，是一項真正意義上的“長期主義”事業，需要社會各界的參與。 資料中心作為經濟社會執行不可或缺的關鍵基礎設施，是公認的高耗電行業。

據前瞻產業研究院分析，過去十年間，我國資料中心整體用電量以每年超過 10% 的速度遞增，其耗電量在 2020 年突破 2000 億千瓦時，約佔全社會用電量的 2.71%，2014-2020 年，資料中心耗電量佔比逐年升高。資料中心供電結構中，火電佔比超過 70%，會產生相對大量的溫室氣體和其他汙染物。

PUE (Power Usage Effectiveness，電能利用效率) 是衡量資料中心能源使用效率的重要指標。PUE 越接近於 1，代表資料中心對於電能的利用越有效率。截至 2019 年年底，全國超大型資料中心平均 PUE 為 1.46，大型資料中心平均 PUE 為 1.55。這與《關於加快構建全國一體化大資料中心協同創新體系的指導意見》建議的  1.3 以下相比，尚有一段距離。

順應碳中和發展趨勢，逐步降低碳排放，是資料中心亟需做出的改變。

資料中心降碳，可雙管齊下

資料中心如何才能提升能源效率，為降碳做出貢獻？ 主流的資料中心降碳舉措可分為 IT 和 非 IT 基礎設施兩個方面。

非 IT 基礎設施方面，常見的有 資料中心選址靠近綠色清潔能源、儘量使用可再生能源、採用液冷技術取代風扇散熱、資料中心餘熱回收再利用等等。這其中最為有效的不外乎在資料中心乃至公司運營範圍內 100% 使用可再生能源，但這絕非易事——蘋果用了 5 年時間才實現公司運營範圍內 100% 可再生能源利用。

而在 IT 基礎設施方面，企業可立即採用諸多舉措來提升能源效率： 透過分散式和虛擬化技術將“殭屍”伺服器連線起來，最大程度減少 IT 裝置空閒； 實現伺服器和儲存的虛擬化與池化，從而大幅提升硬體利用率； 透過採用更高能效的晶片產品，結合晶片的自適應電源管理功能來有效管理晶片用電，等等。

其中， 虛擬化和超融合基礎設施 (HCI) 有望引領資料中心能效的提升。

虛擬化已十分普遍，超融合基礎設施也在近年來逐漸成為主流。作為一種融合的、統一的 IT 基礎架構，超融合包含了資料中心常見的元素：計算、儲存、網路以及管理工具。超融合以軟體為中心，結合 x86 或 ARM 架構的硬體替代傳統架構中的專用硬體，從而解決傳統架構中管理複雜、難以擴充套件等問題。

相比傳統架構，超融合將架構由三層縮減至兩層，不僅可以大幅度節省機房空間，還能進一步整合計算資源，從而提升機房能效。超融合架構自帶計算虛擬化和分散式儲存，取代了傳統物理環境和傳統虛擬環境，對資料中心降碳的影響顯著。

經過通用場景下的對比計算，從傳統物理環境到傳統虛擬環境，僅是虛擬化這一層即可帶來 20%-80% 的節能；而從傳統虛擬環境進一步過渡到超融合架構，透過將分散式儲存融合到計算側，可再帶來高達 31% 的能耗節省。以下為計算詳情（以下為理論值，不同負載情況下物理伺服器能耗會有有所不同，不同伺服器也會表現不同，同時不考慮交換機等因素）。

計算虛擬化：節能 20%-80%，虛擬化程度越高越節能

計算虛擬化是從 IT 基礎設施層面提升能效的關鍵。它實現了 IT 基礎設施從物理架構到虛擬化的躍升，減少物理伺服器的數量、增加 IT 資源的利用率，讓資料中心得以使用更少的基礎設施即可執行更大的工作負載。IDC 報告指出，資料中心中計算、儲存、網路層虛擬化程度越高，所帶來的碳影響就越小。

以 4 臺物理伺服器搭配 1 臺儲存系統的配置為例， 透過用虛擬化取代原有的物理機，能實現約為 20% 到 80% 的能耗節省（取決於虛擬機器部署的密度）。

傳統物理環境 vs. 傳統虛擬環境

（以 4 臺物理伺服器搭配 1 臺儲存系統為例）

如圖所示，此場景中兩種架構的最大差異在於對計算資源的利用率不同：在相同的硬體條件下，計算資源的利用率越高，能獲得的節能優勢就越大。虛擬化架構透過高度利用 CPU 資源（此場景預設的 CPU 超分比例為 1：4，通常屬於中到重度計算需求使用）， 可將平均每計算核心耗能降低約 74%。

在實際使用場景中，虛擬機器部署密度的不同，也會帶來不同的節能效果：

1. 高密度虛擬機器場景下（1 : 20，1 臺物理伺服器支撐 20 臺虛擬機器)，平均每臺伺服器（虛擬機器）耗能為 321 W/Hr，相比物理伺服器降低約  80%；
2. 低密度虛擬機器場景下（1：5，1 臺物理伺服器支撐 5 臺虛擬機器），平均每臺伺服器（虛擬機器）耗能 1284 W/Hr，相比物理伺服器降低約  20%。

若進一步將 CPU 超分比例提高，物理環境和虛擬環境的耗能差距將會更大。

儲存與計算節點融合部署：再節能約 31%

超融合基礎設施將計算與儲存服務模組融合部署在同一物理伺服器（物理節點），完全捨棄了傳統集中儲存的需求，能夠在虛擬化降低能耗的基礎上，進一步為資料中心節能。

以相同的硬體配置為例（4 臺物理伺服器搭配 1 臺儲存系統），超融合架構透過去除傳統集中儲存硬體，可將平均每計算核心耗能再降低約 31%。

傳統虛擬環境 vs. 超融合

（以 4 臺物理伺服器搭配 1 臺儲存系統為例）

由此可見，沒有了集中儲存裝置的影響，超融合架構的儲存能力有大幅提升，而平均每計算核心耗能顯著下降。

以上場景所設定的硬體配置為 4 臺物理伺服器搭配 1 臺儲存系統，若單純增加物理伺服器的數量而儲存系統保持不變，則兩種架構的能耗會趨於接近。不過，計算資源（物理伺服器）的增加，通常意味著對儲存資源（效能與容量）的需求也會隨之提升，所以從實際部署的場景來看，傳統虛擬化架構的計算資源增加與相應的儲存資源提升，整體的能耗與超融合架構相比仍存在不小的差距。

SmartX 超融合向客戶提供純軟體或是一體機的靈活交付方式，這意味著客戶一方面可以基於 SMTX OS 內建的計算虛擬化 ELF、分散式儲存 ZBS 等元件（靈活搭配 VMware vSphere 和 Citrix XenServer 虛擬化服務），結合標準商用伺服器部署 IT 基礎設施，減少硬體採購，從而減少資源佔用；另一方面可以直接採用內建 SMTX OS 超融合軟體的 Halo 一體機，佔用更少的機櫃空間。

總結

在我國提出的“30 碳達峰 60 碳中和”大目標下，企業作為重要的社會主體，扮演著至關重要的角色。利用自身的影響力和科技力，助力碳中和程式，更是科技企業肩負的重要使命。

雖然資料中心能耗佔全社會用電量的比例並不高，但仍處於不斷增長的態勢；對於每一位企業使用者而言，資料中心的碳影響在整個企業的碳影響中佔比不小。

企業在採取多個非 IT 基礎設施方法進行降碳的同時，也可從 IT 基礎設施層面入手，採用創新的架構，加快資料中心降碳的步伐。

為客戶著迷，讓科技向善，SmartX 專注於為企業構建創新的企業雲基礎設施。在這一過程中，我們為使用者提供領先的虛擬化和超融合產品及解決方案，帶來能耗的大量節省。助力資料中心降碳，SmartX 在行動。

參考資料

1. IPCC report: ‘Code red’ for human driven global heating, warns UN chief
   
2. Infrastructure Virtualization Leads the Way in Reducing the Carbon Cost of Growth
   
3. 2021年中國資料中心行業市場現狀與發展趨勢分析
   
4. 關於加快構建全國一體化大資料中心協同創新體系的指導意見
   
5. 低碳資料中心發展白皮書 (2021)