IBM Power服务器节能技术知多少？

IT168 技术 一、为什么企业需要高效节能的数据中心 企业在不断扩展IT 容量来支持业务增长的同时，数据中心的能耗越来越高，投入的能源成本也在不断攀升。与此同时，随着法律法规不断完善，人们的环保意识不断提升，对企业的环保要求也越来越严格。提高IT 能源效率正在成为企业降低运营成本规划时所关注的重点，也是企业树立良好的环保社会形象的重要因素。所以，向高效节能的IT 环境发展是众多企业提高能源效率采取的有效途径之一。然而企业在创建高效节能的IT 环境进程中通常需要解决下列问题： 1）能源开销持续攀升 随着数据中心能耗的不断增加，能源成本也随之增加，运行和冷却成本也在急剧上升。据IDC 下属公司Energy Insights 近期开展的Johnson Controls 调查显示，“79%的企业预计其能源成本在来年将会继续增长。50%以上的企业预计成本增长率将是6-20%。” 2）资源利用率低下 企业内的IT 资源使用效率低，大量计算资源仅有3%被真正有效地使用。面向应用负载的平均资源利用率是5-20%，导致大量的资源浪费。如果能有效透过虚拟化等手段提升系统使用率，即可降低服务器数量，进一步节省机房的用电需求。 3）CO2 排放量增加 IT 设备的CO2 排放量将达到人为排放量的2%，大致相当于航空业的排放量，带来更多的环境污染。由此可以看出，如何提高服务器的利用率，降低服务器设备能耗，提高冷却效率，是企业降低IT 总能源消耗的关键。 二、IBM Power 服务器绿色节能方案简述 针对上述企业的节能减排需求，我们为您提供一整套基于IBM Power 服务器的绿色节能解决方案，为您搭建高效节能的数据中心： 1) Power 绿色特性：极高的每瓦性能、可变风扇速度、水冷门、刀片中心技术帮助您的数据中心提高冷却效率; 2) Power 绿色技术：EnergyScale、Power6 休眠模式、EnergyScale I/O、内存控制器动态模式等创新技术可降低服务器设备能耗; 3) PowerVM 虚拟化软件推动服务器进行整合，提高系统利用率; 4) 能源管理软件Active Energy Manager 可对服务器实际能耗进行计算、监控、管理和控制。 我们利用Power 服务器的"芯能量” — 先进的绿色环保技术和产品，帮助您降低IT能源成本，并通过提高系统利用率间接降低采购成本。以"芯能量”为“新动力” 助力您的企业在危机中寻求新的生机，从而谋求短期生存与长期发展，最终实现“兴经济” 的目标。 我们通过Power 服务器内置的绿色技术、一系列绿色特性以及软件，帮您实现服务器整合并搭建高效节能的绿色数据中心。 1 Power 绿色技术EnergyScale Power Systems EnergyScale 技术是POWER6 处理器内置的节能技术，可对服务器的部件能耗进行监控、管理和控制。功能包括： 1）内存控制器的动态模式- 降低内存功耗 服务器通常需要配备大批量的内存，所以内存子系统的功耗会占服务器总功耗的一大部分。工作负载通常是不会让所有的DRAM 芯片始终处于繁忙状态的，所以大部分的DRAM电力都被闲置的芯片所耗用，存在功耗浪费现象。 IBM Power 服务器利用内存断电(Memory Power down)技术降低空闲内存芯片的功耗。POWER6 控制器实施队列驱动的策略，只要某插槽的使用请求在控制器中排队，或者必须恢复该插槽的运行，系统便会将DRAM 从断电模式中迁出，基本上不会因为电力原因影响性能，这个机制可帮助系统大幅度降低DRAM 的功耗。 2）EnergyScale I/O 技术– 降低PCI 插槽功耗 该技术可停止对空闲的热插拔PCI 插槽供电，每个插槽最多可节省14 瓦电力。适用于基于POWER6 处理器的所有Power 服务器以及支持的扩展单元。可以自动关闭未用的热插拔PCI 适配器插槽，包括：空白插槽(未安装适配器)、未用插槽(插槽已被分配给分区)属于某个分区的插槽未通电。 当PCI 插槽被动态移出分区/关闭时，系统固件将立刻给这个PCI 插槽断电。系统固件会定期自动扫描所有的热插拔PCI 插槽，以便发现满足未用标准的插槽，然后对它们停止断电。 3）Power 6 处理器休眠模式- 降低处理器功耗 为IBM POWER6 处理器使用的一种低功耗模式，可以暂停对不工作的处理器内核的供电，然后再根据需要恢复供电，以降低处理器的功耗。当处理器处于休眠模式时，会比空闲状态时的处理器节省11%的耗电。 当处理器上没有运行有效的软件线程时，POWER6 处理器就可以进入休眠模式。指定处理器内核上的每个硬件线程都可发布指令，进入休眠模式。如果面向这个内核的两个硬件线程都进入休眠模式，则整个处理器内核都将进入休眠状态。POWER6 内核可以独立进入和退出休眠模式，彼此不影响。处理器的休眠状态可以是断断续续的;操作系统或系统管理程序都可以重新唤醒正在休眠的内核。 休眠模式可降低容量点播内核的功耗： -POWER4/5：CoD 内核耗尽全部电力并且运行闲置环路 -POWER6 系统：所有未经许可的内核都处于休眠状态 4）限电(Power Capping)功能 Power Capping 功能通过给服务器功耗值设定限额，将电力消耗控制在一定水平内。使用时在Active Energy Manager 功耗管理软件中设置和激活该功能即可。 在大多数数据中心里，当一个机器安装好后，就会给它配送一定的电力。通常来说，这是一个比较“安全”的电量，会有一定的富余，也许永远也不会用到额外多出来的电力。这些多出来的电力我们把它叫作边际功耗(margined power)。Power Capping 功能允许管理员对当前系统的电能进行重新分配，把现有机器的边际功耗降下来，分配给新的系统。也就是说，在总电力一定的情况下，Power Capping 允许用户向数据中心里继续添加新的机器进去。 -节能模式(Power Saver Mode)：节能模式允许降低固定比例的电压和频率，将电压和CPU 频率下调一个固定的百分比，以此来达到节能的目的。这个百分比是预先定好的，能够保证系统运行在安全操作范围内。 -用电趋势分析(Power Trending)：可持续收集用电数据，提供电源连续使用情况的数据采集。 -热量报告： Active Energy Manager 可以显示出当前环境的温度以及散热情况。 2 Power 系统绿色特性 变速风扇(转速10,500 – 5500 RPM)：可基于环境温度将风扇功耗降低45%(风扇功耗占服务器总功耗的1/3) -水冷门(Rear Door Heat eXchanger)：基于水冷技术的后门热交换器，可驱散超过50%的机柜产热;连接在机柜后端(增加5”);无需安装新风扇，也无需增加供电量，更无需重新部署数据中心。 -Rear Door Heat eXchanger 只以传统方法1/4 的成本添加冷却容量 -在海拔高度相同的情况下，水冷效果是空气冷却的3500 倍 -采用BladeCenter 进行整合：采用BladeCenter 将不同服务器平台及系统平台进行整合，从而节约占地空间、降低TCO、集中化系统管理。 3 Power 系统绿色软件 1) 行业领先水平的Power VM 虚拟化功能 服务器虚拟化允许将一个物理服务器分成多个安全的虚拟服务器，从而为合并物理服务器创造了机会，可帮助降低硬件购买成本和管理成本。 PowerVM 是在基于IBM Power 处理器的硬件平台上所具有的虚拟化技术。它是IBM Power System 全新虚拟化技术的统称(包括：逻辑分区，微分区，Hypervisor，虚拟I/O 服务器，APV，PowerVM Lx86，Live Partition Mobility 动态分区实时迁移)。 使用虚拟化技术进行服务器合并是一个非常有效的节约能源的工具。针对拥有大量低端RS6000、p 系列或非IBM UNIX 服务器，电费居高不下，但服务器使用率普遍偏低、机房空间不足、难以扩充的用户，可以选择高端IBM Power Systems 服务器，实施逻辑分区，从而可以采用少量物理服务器，建立多个逻辑分区(Logical Partition)运行多个操作系统和应用，同时通过物理服务器合并，大大提高了物理服务器的使用率，并有效节约了能耗。 动态分区实时迁移(Live Partition Mobility) 允许您将正在运行的AIX 和Linux 分区，以及它们所承载的应用程序从一个物理服务器迁移到另一个物理服务器，而不会对基础服务产生任何影响。这项迁移操作只需要花费几秒钟的时间即可完成，可以维护整个系统事务的完整性。该功能使得您可以在业务的非高峰时段，将工作负载整合从而关闭额外的服务器资源，节省电力消耗。 2)能源管理软件Active Energy Manager Active Energy Manager 能对服务器的实际能耗进行计算、监控、管理和控制，对服务器功耗实施“巡航控制”，最终为用户提供高效节能的数据中心。Active EnergyManager 与智能PDU(iPDU)或EnergyScale 配合使用，能为您提供最广泛的能源管理功能。

首要的问题之一，是当你要让服务器使用较少的电源的时候，你必须考虑的问题是服务器消耗的电源是正确地使用还是浪费了。一方面，服务器消耗许多电源。一旦你使用电源运行服务器，那么，你就使用更多的电源来冷却这些服务器。另一方面，服务器经常耗费电源，因为服务器需要电源执行有用的工作，因为他们没有一个机制告诉他们在不需要电源的时候使用较少的电源。因此，如果你发现你的服务器如何使用较少的电源而不对性能产生负面的影响，最大限度减少数据中心能源消耗的问题差不多是可以解决的。下面是帮助你实现这个目标的一些技巧。

　　尽可能实施虚拟化。减少物理服务器的数量是你能够采取的最强有力的步骤之一。这个想法不是扔掉你的服务器。而是安装虚拟化软件。你将能够在一个物理服务器上拥有多个逻辑服务器。虚拟化是一个主要的节能因素，不需要白费力气做重复工作。物理服务器在不工作的时候也耗费电源。一台物理服务器能够运行两个以上的虚拟服务器。那么，为什么5台服务器满负荷工作能够完成的工作量非要配置10台服务器呢配置过多的服务器显然会导致利用率不足，浪费电源。

　　购买绿色的服务器。硬件厂商也在采用绿色技术。目前有许多绿色组件或者完整的服务器。这些服务器有强大的功能，但是，耗电量比较低。一般来说，服务器在待机状态下耗电量较少，从而达到节能的目的。投资绿色服务器或者至少投资绿色组件从长远来看是值得的。因此，要淘汰老式的耗电量大的设备，更换节能的新机器。

　　使用电源管理软件。电源管理软件在帮助减少电源消耗方面是最有帮助的，因为它自动监视服务器负荷和采取必要的措施减少不必要的电源消耗。电源管理解决方案也是一项长期的投资，确实能够节省大量资金。

　　制定一些政策。为了达到减少能源账单的最佳结果，要制定一些特别的政策，规定谁、什么时候以及如何调整和修改政策以便减少电源消耗。你需要坚持不懈地努力，也就是说减少能源消耗不能采取一次性的行动，然后又恢复老的习惯，这是不起作用的。

　　机架的热通道/冷通道布局。正如早些时候指出的那样，冷却你的设备是节省能源成本的重要因素。因此，如果你要减少能源(这对于冷却是必要的)，这还能对电源服务器利用率产生积极的影响。热通道/冷通道的概念是排列你的服务器的最节能的方法，以便用较少的电源冷却这些服务器。除了热通道/冷通道之外，还有更多的需要冷却的东西。

　　关闭显示器。在节能方面，液晶显示器比CRT显示器好一些。但是，当服务器正在工作，甚至显示器关闭的时候，为什么要打开显示器呢根据你在数据中心的显示器的数量，忽略这个问题会给使节能效果有很大的区别。为了减少显示器的数量，你可以使用多台服务器共享一个显示器。我们希望你已经这样做了。

　　除了采取正确的措施减少服务器电源消耗之外，如果你要实现减少数据中心能源消耗的最大效果，你还应该考虑如何减少存储的能源消耗。机械存储设备需要电源，而且这种设备的需求在增长。存储设备消耗的电源正在接近服务器的耗电量。如果你把减少服务器和存储设备能源消耗的努力结合在一起，你就能够显著节省能源成本。

浪潮M6四路服务器具备先进的智能调控技术，在满足业务平稳运行的基础上，对服务器进行部件级别精确监测，有效降低功耗。以浪潮NF8260M6为例，运用智能调控技术可以将服务器的电源、处理器、风扇等部件调整到最低功耗运行状态，大幅降低服务器整机功耗。另外，浪潮M6四路服务器兼容了最新版的浪潮物理基础设施管理平台（简称ISPIM），具备智能功耗封顶功能，可实现快速、精准的功耗封顶操作，确保在机房供电安全前提下，有效提高机房供电效率，提高机柜设备密度，降低机房维护费用。

A能耗的根源

云计算系统有几个不可或缺的部分。首先，它需要大量的硬件设备来存储并处理数据。这些硬件设备包括放置在机柜内的计算和存储服务器，以及处理器、内存、硬盘等服务器组件。其次，在服务器之间，服务器与用户之间需要连接，所以网络也必不可少，它是连接用户与计算、存储等云资源的桥梁。此外，数据中心还需要专门的软件来监控和管理云计算的基础设施，这些软件就是云管理系统（简称CMS）。最后，云服务商还需要安装合适的应用软件，帮助用户使用云服务。

这几个部分都需要消耗大量的能源，也都会损失和浪费很多能源，比如在夜间温度较低时，散热系统仍在全速运行，或者系统在运行，却没有为用户提供服务。2003年，单机柜服务器的功率密度在025千瓦到15千瓦之间，而到了2014年，这个数字上升至10千瓦，预计到2020年会上升至30千瓦。而且，大多数服务器空载时的功率超过峰值功率的50%，服务器的平均利用率一般只有10%到50%。因此，一部只以20%性能运行的服务器的能耗，可能相当于它满载时能耗的80%。考虑到仅在2013年最后一个季度，新服务器的出货量就超过250万台，提高服务器的能效就成为第一要务。

而在网络环节，主要有3个地方会消耗能源：数据中心内部的连接、不同数据中心间的网络连接，以及让外部用户访问的固定网络和无线网络。在目前的数据中心，网络成本占所有运营费用的10%，这个数字还可能随着互联网流量的增加上涨到50%。

如果服务器空载，就会耗费大量能源。如果网络架构不适合云应用，信息的传输途径也会发生改变，网络的某些部分就无法得到充分利用，能源浪费就会加剧。

由于信息技术的能耗越来越高，在数据中心的设备中，监控和管理云计算的基础设施就变得很重要，云管理系统的作用就是提高数据中心的能效。如果使用不当，云管理系统本身也会浪费能源。应用设备（如Java虚拟机）的运行通常都会产生日常能源消耗，如果应用设备性能不佳，就需要更多服务器，消耗更多的能源。

B硬件优化之路

提高能效的第一步是升级网络设备，增加节能模式，减少网络设施在未被充分使用时的耗电量。如果能把未使用的端口、连接和交换机完全关闭，它们就不会因为空转而耗能了。

升级后，设备的热载荷也会下降，这又会降低散热系统的能耗，提升系统的稳定性。不过，只调整网络设备是不够的，因为当网络连通性降低时，系统性能也会下降。所以，还需要调整网络结构，让网络流量可以沿着多个路径传播，或只通过少数几个高能耗的关键路径发送，而网络中的其他部分则进入低能耗模式。这种方案还可用于数据中心间的网络，充分挖掘网络带宽，因为批量传输所需的成本比单独传输要低。

除了降低数据传输的能耗，优化网络结构还可以降低基站的发射功率——基站是云端与终端之间传输信息的桥梁。连接手机的大型基站覆盖面积较大，基站和手机间的距离通常也很远，所以需要相当大的发射功率，才能保证大范围内的手机通信，但这样一来，能耗无疑很高。为了降低能耗，我们可以充分利用与用户更近的小型基站。现有的研究表明，在城市地区使用小型基站，可以使空载模式下的能耗降低至原来的1/46。

服务器和网络设备相似，如果可以根据负载自动调节功率和性能，就能降低能耗。今天的CPU、内存和硬盘都可以选择负载和空载两种模式，并相应调节电压和频率以降低能耗。为了延长硬盘空载时间，CPU会优先从缓存中读取信息，只有在缓存中找不到数据时，服务器才会访问硬盘。缓存本身也能优化甚至关掉部分未用缓存。最终，新的低功耗缓存技术可以和现有技术相结合，在保持性能的同时降低能耗。

服务器机柜的设计也会影响散热和供电的能效。研究人员发现，与使用机房空调相比，能对特定组件进行局部散热的服务器机柜有更好的节能效果。比如，通过一些特殊的冷却技术，可消除由处理器产生的热量。此外，还可以通过调节组件本身（比如调节内存数据吞吐量），避免热损失的发生。从供电环节开始限制能量输入，或对数据中心的能耗设置一个上限，也可以降低单一组件或整个服务器机架的能耗。最后，使用紧凑的服务器配置，直接去掉未使用的组件，也是减少能量损失的好办法。

C云管的秘密

使用云管理系统的主要目的，是对基础设施（包括服务器、虚拟机和应用程序）进行调度以实现负载平衡。虚拟机是体现云服务优越性的最佳范例，它借助软件模拟出计算机系统，具有硬件功能，可以在完全隔离的环境中运行。有几种虚拟机的使用方法能提高云计算的能效。首先，可以让虚拟机根据负载情况重新调配资源；其次，可以为虚拟机的布置选择能效最高的物理机；最后，可以将未充分利用的虚拟机迁移至数量更少的主机上，并把一直未使用的虚拟机关闭。

不过，这些步骤需要CPU软件功耗模式来实现。该模式下，软件和硬件彼此协调以共同调整能耗。而且，服务器本身也可以通过调整实际负载来降低能耗。研究表明，即便使用简单的试探法（比如在服务器持续空载一段时间后关闭服务器），也能节约大量能源。

下一步措施是在更宏观的范围内实施管理措施，比如合并多个数据中心。但是，这会增加虚拟机迁移所需的开销，在输入输出两端都要消耗能量。为了弄清楚合并数据中心能否提高能效，我们可以借助一些模拟工具，如CloudSim，它可以评估云计算管理系统消耗和节约的电量，并进一步比较服务质量的变化。显然，如果既能降低能耗，又不会影响用户使用云服务，这种合并就有利于降低云计算的能耗。云管理系统不仅可以控制服务器，还可以控制网络系统，甚至控制散热和供电，因为云管理系统“知道” 需要哪些资源，不需要哪些资源，因此可以选择合适的虚拟技术，并在服务器空载时关闭散热设备。

云管理系统的建立方式也很重要，采用模块化方式来建立云管理系统就很有优势，因为这允许技术人员在实际需要某个模块时加载相应模块。比如，在需要监控某些特定组件时，技术人员可以在原有系统中添加某些插件；而在不需要监控这些组件时，技术人员也可以终止运行这些插件。

同时，研究人员也在开发高能效的软件，降低应用程序在空载状态下的能耗。比如，限制用户远程唤醒服务器可以延长空载状态时间，尽量向用户发送消息而非让用户或客户端向云服务器主动发起请求，可以让软件在真正需要其运行之前保持休眠，对资源（如磁盘）的批量访问也可以减少不必要的唤醒。

不在现实世界部署高能效方案并没有看上去那么简单。服务器组件的低能耗模式只有在服务器长期空载的情况下才有益处，而这种情况在实际使用中并不常见。而且，尽管服务器在执行轻量级任务时的使用率很低，但为了满足访问高峰时的需求，仍有必要保持适当的“弹性”。因此，可自我扩展的服务器组件必须与软件组件相关联，否则调节CPU模式的技术会被错误应用，导致CPU运行频率过低，应用程序的运行时间变长，最终导致CPU的整体能耗上升。另一个目标是让空载组件的能耗接近于零，这可以通过合并未充分利用的服务器来实现。

D治标又治本——整体解决方案

为云计算提供支持的数据中心是一套高度耦合的系统，几乎可以视作一台大型计算机。因此，除了从数据中心的每个部分着手，降低能耗之外，还得把整个数据中心视作一个整体，分析各个基础设施之间的相关性，进而寻找节能方案。

应用设备是云计算中可管理的最小单位，但它们的性能可以影响所需服务器的数量，从而产生多米诺效应，进一步影响网络规模和支持性的设备——比如散热和供电设备的数量。因此，为目标应用程序选择适当的硬件资源，可能会对数据中心的总体能耗产生重大影响。这里的实例包括，用GPU而不是CPU运行可以高度并行的应用程序（有些程序可以在成千上万个处理器上同时运行，节省运算时间）。和CPU相比，GPU上的计算单元非常密集，可以同时执行很多任务，更适合并行计算，同时能耗更低。

但是，使用新的硬件需要对应用程序进行更深的研究和更细致的分级，在特定的应用程序和潜在的硬件资源之间建立联系。云计算的实现需要多种基础设施的协同，这又需要建立一个灵活、全面、监控能力出色的云管理系统。作为最基本的要求，云管理系统必须要监测数据中心中正在运行的进程、硬件性能、运行状态、数据规模等多种信息。管理系统还要对分布在不同地理位置的数据系统进行优化，让不同的云设施合并。这些方法既需要单个数据中心中的软件和硬件实现良好的交互，也需要让全球各地的数据中心互换信息、负载和数据。

要实现这些目标还是要依靠网络，利用网络可以把计算资源和数据存储资源放在可以利用可再生能源或凉爽的地方，降低散热产生的能耗。当然，优化网络设备的同时也需要改进其他设备和组件。比如，数据和处理器距离用户很远且分布不均，会导致云服务的性能大打折扣，而采用好的设备和云管理系统能降低网络流量，也就可以解决这个问题。除了改进数据中心，将数据中心整合到云计算概念里能在更大规模上提升能效。