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觀點

能源危機管理

2009 / 01 / 14
iseditor
能源危機管理
能源供應面臨不足,而企業的資料中心未曾如此需要它。本文將介紹中型企業如何利用新技術控制成本,準備迎接綠色IT時代。

一個戶外舞台逬發出絢爛奪目的聲光,鄉村歌手Randy Travis和喜劇演員Bill Cosby隨之登上舞台。能源,從這個位於聖地牙哥東方30哩的印地安保護區中心,源源不絕地提供,除了裡面的資料中心(data center)。
2年前CIO Moti Vyas的IT人員,在一個狹窄的電腦機房,正在把新伺服器的插頭插到最近的插座時,結果設備部門馬上電話進來。「你佔掉太多迴路電力了」,他們說。「更多的電力需要用來新伺服器的散熱,可是電腦機房正逼近它的功率閥值(power threshold)」。這一切都是因為Viejas企業想趕上,加州人逐日漸增地賭博和娛樂慾望。
所以Vyas增加了另外的機房,以取得多一點能源和空間—在他偉大的計畫中,那只是暫且委曲求全的方式。Viejas企業最後花費了上千萬美元的投資,建立了一個節能的資料中心。「有業務導向和技術導向的驅動」Vyas表示。「業務面是要支援目前的生意,以及為明天的需求作打算。而技術導向是供電用途,用來散熱刀鋒伺服器、虛擬化與安全,以及適應未來」。
就像許多CIO一樣,當Vyas面臨必須擴大機房時,同樣遇到了障礙,大多是電力問題。根據美國環保署(EPA)的報告,去年,美國資料中心就消耗掉每小時超過600億千瓦的電力,花費掉約45億美元,其中大部分是用來冷卻伺服器—在有些案例中,甚至高達60%的比例。資料中心幾乎佔了這個國家整體能源使用的2%,更不用說大量有害的碳排放問題。
這些數字快速竄升,根據一個提供教育與諮詢的研究機構Uptime Institute之調查,在1999到2005年期間,電力耗費大約攀爬了40%。而根據美國環保署的報告,此數字可能在下一個5年後成長2倍,每小時將超過1,000億千瓦。
「電力,它是資料中心的命脈,人們對它的需求與日遽增,」Andrew Fanara表示,他是美國環保署能源之星 (Energy Star,註1)計畫的產品開發領導人。此計畫於1992年發起,它不具強迫性,凡自發配合的廠商,就可以在其合格產品上貼上能源之星的標籤,計畫目的是推動產品(像是電腦硬體)的能源效益。「當你要求讓某件事提升時,代價也會相對提高。很多年前,我們就看到會有這樣的結果,或許,你可以預期未來會更嚴重」。
假如那龐大的數字讓你的眼神呆滯掉,AFCOM資料中心協會的其中一位專家,他會振奮一下你的精神:經過下一個5年之後,電力不足和可用電的限制,將會導致90%以上企業的資料中心運作停擺。市場研究機構Gartner預估,50%的IT經理在2008年之前,將沒有足夠的電力去運轉他們的資料中心。隨著必須增加更多空間和能源的急迫性,以應付攀升的電腦使用需求,預計將會有更多的能源中斷情形。
面對如此龐大的需求,Vyas花了6個月的時間精心研究,設計了節能資料中心。從商業訴求分析到能源供應、乃至地方氣候等因素,全都被列入此計畫中考量。當然,新興的技術扮演了主要角色。「刀鋒伺服器與虛擬化的新範例,皆迫使我們徹底地重新檢視及修改我們的設計,從散熱到氣流到電力等要求。」Vyas表示。
現在,Viejas公司在中階市場(midmarket)中,擁有一個最具能源效益的資料中心。這個僅一樓層的資料中心,達成了刀鋒伺服器和虛擬化的使用目的,而且被充分地運用。規劃設計和空調系統,讓伺服器彼此間維持良好散熱。儲備發電機也在準備就緒的狀態。資料中心的電力來源是從上方的電力公司,所分出的另一條輸電線路。「假如輸電線路電力下降,我們立刻切換到UPS(不間斷供電)系統,然後,在幾秒內即切換至發電機。」Vyas表示。

供應商的挑戰
高科技產業的供應商正迎頭趕上,以伺服器虛擬化工具和最先進的伺服器散熱裝置,來緩衝看漲的能源使用浪潮。例如HP,已開始提供一個稱為散熱區域映射(thermal zone mapping)的設備,協助客戶鑑識資料中心內部空氣的流動情形和混合特徵(mixing patterns)。那設備開發了一個資料中心3度的立體影像,顯示電腦機房內空調設備有「影響到的區域」。此設備的目標客戶是擁有50台刀鋒伺服器者,或是有10台10千瓦的機架者。「這些客戶將會遇到高溫和高費用問題,那是他們以前沒想過的,」HP副總裁Brian Brouillette表示,最高等級的散熱區域映射設備,包含熱感應器,平均價格是10萬美元。有了這些訊息,CIO們可以使電腦機房和伺服器達到更理想的散熱狀態。
同時,2007年在舊金山的LinuxWorld展覽會上,IBM宣佈,「許多客戶已經購買IBM工具,那是結合了Unix和86倍的工作量到IBM系統的伺服器。」此工具的目的是協助像Volkswagen(福斯汽車)和Telefonica Moviles(西班牙行動電訊公司)這樣的客戶,促使其能源使用更具效益。「它讓每個服務和每個伺服器,都維持更佳平衡」Telefonica Moviles的服務加值技術經理,Miguel Angel Garcia Hafner表示。
HP和IBM也各自發表了大規模的資料中心強固計畫,來降低能源成本,並且將碳排放項目涵蓋進去—-那為他們節能的貢獻提供了最佳證明。HP把87個資料中心整合成6個,而IBM計畫將3,900個伺服器,整合到33個IBM System z大型主機上來運作Linux。IBM花費10億美元、被稱為「Big Green」的計畫,包括了在科羅拉多州建立一個先進的資料中心。「在沒有增加我們的電力耗損或是提高碳足跡(carbon footprint,註2)的情況下,我們將加倍我們的運算和資料容積,」IBM之IT優化副總裁 Richard Lechner表示。

綠光
今年,多家高科技業者已經聚集起來,組成一個非營利組織—The Green Grid(綠色網格聯盟),搭上這一波綠色浪潮,HP和IBM都是其中一員。此團體正在開發許多方式,去測量和評定一個資料中心的能源效益。那是一個會令人怯歩的任務,它涵蓋了許多能源消耗的部分:CPUs、電力供應、伺服器、應用系統、建築物興建,尤其是溼度部分。「除了標準的資料中心能源測量準則,Green Grid還要設計了一個綠色認證標章,給個別的科技產品」Colette LaForce表示,他是Rackable Systems市場行銷副總裁,也是Green Grid的委員。其他Green Grid成員尚包括Microsoft, Sun Microsystems, Dell, Intel, Advanced Micro Devices(AMD)以及VMware等公司。
綠色產品索價會比傳統的資料中心設備高一點,但是產品所涵蓋的範圍現在已可取得,Wendy Cebula表示—VistaPrint公司的營運長,一個位於百慕達、資本額2億5仟5佰萬美元的印刷公司。他們的設備包括了節能供電系統、電壓調節器和積體電路片,像是Intel與AMD更節能的晶片裝置。(據電子系統及元件供應商Eaton公司表示—Intel與AMD的晶片裝置,可使CPU運轉伺服器時所需電力,省下超過50%。)根據Green Grid報告,在平常的能源負荷中,新的UPS系統流失掉的電力,和舊的UPS系統比起來,少於70%。
2年前,因為逐漸升高的電費, VistaPrint公司在百慕達提供主機管理的資料中心,迫使公司重新思考能源使用問題。因此,VistaPrint欣然接受以虛擬主機,降低75%的電力使用;以節能的虛擬伺服器(virtual servers),以及購買了一個空調設備,將熱空氣排出,取代了之前的實際伺服器(physical servers)。「很明確地我們投入了更多,以獲得一些環保上的回饋,有些改變已展示在世人眼前」Cebula表示。VistaPrint預計3年後可以節省幾近50萬美元,以及今年能減少幾頓的碳排放量。
的確,為了節省資料中心的耗電,伺服器虛擬化勝過一切最佳實踐的清單,隨著許多CIO已能夠將多個虛擬伺服器,整合到少數的實際伺服器上。同時伴隨IBM、HP及Dell的刀鋒伺服器,以及VMware的伺服器虛擬化工具(其首次公開發行股票,2007夏季已募集幾近10億美元)等,已將運算密度提升至新高。
市場研究機構IDC預測,今年在美國所有被販售掉的伺服器之10%,將會是刀鋒伺服器。「我們會看到伺服器容積密度的爆炸,就在2007為一個交匯年」IDC全球企業服務解決方案之副總裁Jean Bozman表示。

能源保護的最佳實踐
許多CIO已經能夠透過整併虛擬伺服器,到幾個實際伺服器上達到節約能源,或只是省下幾個冷冰冰的硬幣。
價值40億美元的St. Peter''s Health Care Services醫療保健服務機構,有110個實際伺服器已經虛擬化,而且已整併到5個實際伺服器上。在Agile軟體公司(最近已被Oracle併購)中,硬體儲存促使虛擬化前進。去年,Agile的IT資深副總裁Sunny Azadeh,幾乎要花每台7,000美元的代價,購買3,000台伺服器。結果,她利用FastScale Technology的產品,以虛擬伺服器,節省下210萬美元的開銷,3年之後的結果是每股0.02美元的股價。儘管Azadeh是個人想避免,3,000台伺服器對環境及水電帳單帶來的衝擊,但是她坦承,最重要的是在正確的時間點、花錢花在刀口上,才是這個計畫真正可執行的時機。
因為資料中心的財產目錄約5年會變動一次,CIO就有機會慢慢地改善他們的資料中心,使它成為能源高效益的資料中心。現在,他們也可以採取最佳實踐(best practices)來降低能源使用。「感覺上,就是有很多簡單的機會在那邊,」柏克萊國家研究室(Berkeley National Lab)應用團隊研究首長,Bill Tschudi補充說明,要提升30%~40%的改善幅度不是太困難的事。

休眠模式
許多方式中的一個,就是讓伺服器進入休眠狀態,很像螢幕省電裝置。根據電力系統與元件公司Eaton的報告,典型的x86伺服器,甚至在沒有任何運作或產出時,也要消耗最大電力的30%至40%。當然,即便是要在晚間將電源關掉,也必須事先考慮周詳應用系統是否會受挫和可用性的問題。Peter Boergermann,任職於美國賓州Wellsboro城市的Citizens & Northern銀行,他提出警告,如果讓伺服器處於休眠模式,它在電源開啟或關閉時,都可能會中斷資料中心維持服務水準的能力。「當然如果你只是遠離PC去開個會,然後它進入休眠狀態,這無傷大雅,」他表示,「但是如果你一開始,就讓在伺服器上啟動休眠模式,那會給你惹來一些麻煩」。
另一個不錯的作法是,確定供應的電力負載對工作量是適當的。IT設備是以工作期間,從100到240伏特的交流電範圍,所輸入的電壓來定費率,可是大部分設備都以較低的電壓在運作。Eaton公司即表示,例如HP ProLiant DL380 G5伺服器的運作,當發揮82%的效能時所使用的電壓是120伏特,84%時是208伏特,而85%時是230伏特。
「當電力盡可能地接近它的生產力使用時,電力供應是最有效能的」Paul Hammann表示,他是自然語言搜索引擎開發者Powerset的設計師。他說,這些能源節約技術看起來都不甚相像,但是集腋成裘。

很遺憾地,能源公共基礎建設的進展,還沒趕上資料中心的技術。像電池、發電機或滅火器,看起來和10年前沒什麼差別。「資料中心能源是1940年代的技術了」Amazon. com(亞馬遜公司)的副總裁暨技術長Dr. Werner Vogels表示。這表示不久將來,資料中心對可利用的能源是有限的,而且之後在任何時候都不會再有所改變。因此,CIO必須找到方法,改善伺服器密度問題與散熱技術,以充分利用有限空間,和減少被浪費的能源。
在伺服器方面,刀鋒伺服器為資料中心帶來了高密度和有效的能源運用。平均來講,一個刀鋒基座可以插置8至16個刀鋒。此高密度是指,基座在一個很小的區域,所能排出大量的熱氣。氣流必須夠快而且有足夠的散熱濃度,以避免刀鋒面板過熱。據Eaton公司提供的資訊,每個機架需耗30千瓦電力,一個資料中心就需要2個5頓的電腦機房空調設備來散熱。Emerson Network Power公司的報告則是,在一個設計良好的資料中心內,散熱佔了所有電力使用的37%。
資料中心不能只靠刀鋒伺服器來達到完全散熱。即便是HP也承認,現今的資料中心也只裝置大約35%的刀鋒伺服器,雖然製造商正努力透過更佳的管理和冷卻實驗,來讓這個數字加倍。「假如你沒有把重點放在散熱問題,你的資料中心可能會不敷使用;不用幾分鐘,不誇張!所有伺服器將融掉,特別是刀鋒伺服器。」Vyas表示。他的新資料中心,在5個基座裡裝置了20%的刀鋒面板。
Viejas公司的新資料中心已經架高地板和使用蜂巢地磚,而且有冷熱通道的設計。高架地板使冷空氣能夠流到難以到達的區域。假如需要更多的冷卻溫度給特定的通道或是機架群組,現有的地磚可以換成更高密度的蜂巢磚。然而,蜂巢密度有侷限性,因為蜂巢地磚必須能夠負荷所承載重量的要求。
虛擬化對散熱也扮演著關鍵性角色。「它是一個使資源集中,並且將工作量從一個系統移到另一個的重要驅動力,更勝於整併的觀念。」IBM的Lechner表示。「這樣可以消除熱點,或是鑑別長時間沒有利用到的系統;因此,你可以將剩餘的工作量移開那系統,然後將它完全地關機,節省下所有與它有關聯到的能源」。
所以,會有一些內部的流程保持在供電狀態。Vyas公司的資料中心有一個隔離室,職員在那裡準備與測試伺服器應用,因此,限制了任何人必須進入真正伺服器機房的次數。Emerson Network Power公司建議CIO,要讓資料中心的門隨時保持關閉狀態,使用蒸氣封緘(vapor seal)來控制濕氣程度。

節約能源措施
最近一個由SearchDataCenter.com所主導,針對374個資料中心經理職階的調查,發現一個企業的資料中心的成長限制,最重要因素是來自於空間不足,其次是功率容量,網路頻寬,以及散熱能力。在節能方面,調查結果如下:
50%+ 藉著伺服器虛擬化,已節省能源。
32% 已盡力改善地板下層的空氣調節效能。
17.5% 當伺服器沒在使用時,已設定省電模式。
11% 已經在資料中心嘗試以直流電供應電源。
7.7% 為了增進資料中心的散熱效能,已經嘗試液體冷卻方式。
27% 尚未採取任何措施,將他們的資料中心電力使用降到最低。

創意方法:從牛糞到屋頂設備

對能源保護具備開創性的想法,很快地將變成CIO一部分的職責。從拿牛糞肥的甲烷氣體來作為廉價的能源,到透過可開閉屋蓋的自然散熱方式,其實辦法不曾匱乏。事實上,現在CIO可以用空氣節省燃料裝置系統,用冬天的冷空氣來做免費散熱。液體散熱也是另一個選擇;再來,還有太陽電池板可以免費利用太陽能。
加州一個網站代管服務商AISO.Net,其資料中心就有120個太陽電池板,提供水冷伺服器電力。AISO.Net更計畫在屋頂增添抗旱設備,以減少冷卻和加熱50%的需求。「我們一直以來都很熱衷於環保,也覺得這樣做是對的事。」AISO技術長Phil Nail表示。
除了運用虛擬伺服器之外,VistaPrint公司也決定在加拿大安大略省溫莎(Windsor)建立一個新資料中心,那邊的水力發電和平均每平方英尺的成本,比起原本考慮在美國麻州的萊興頓市(Lexington)的地點,便宜了60%。「環保是選擇那地點的一個因素,」Cebula表示。科技巨人同樣是選擇在較節省電費的地點,建立他們的資料中心。據報導,Microsoft和Cisco正打算在冰島設立許多資料中心,開發該國的地熱和水力發電。Google已在美國奧勒岡州哥倫比亞河岸建立資料中心了。另一個技術就是,將工作量移至不同時區的資料中心,利用時差減低公共水電費。
由於中型市場的CIO考慮在偏遠位置建立新資料中心,VistaPrint的技術與營運副總裁Aaron Branham有一些建議:「假如你有足夠龐大的經濟規模和強固的成長計畫,自己做比較便宜…。剛起步的公司擁有的資金,通常比成熟的公司來的少,所以不太可能於此時去支付資料中心的開銷。同時,如果你的公司成長得很快的話,那麼選擇一個很小的ISP業者來代管你的主機,可能會給你帶來麻煩。一般來說,假如你知道你需要的機架會超過20個,則自己建立比較適當」。HP可擴充的資料中心架構副總裁Paul Perez說,一個新的資料中心,每平方英尺的索價約2,500美元,得視地點位置而異。
一家公司因資料中心位於較廉價的電力來源地區,從中獲得實質的能源成本降低的同時,CIO必須考慮其它因素,像是電信成本,還有對該地方經濟的衝擊,以及IT人才是否容易獲得等,這是在偏遠地區比較有可能缺乏的。那裡也可能有潛在問題;像是電腦運用的金融貿易團體的潛在因素,使他們傾向於排斥遠端的資料中心。「Microseconds公司就是其一」James Houghton表示,他是Wachovia金融公司之副總裁,暨公用事業產品管理部門首長。VistaPrint將資料中心設置到加拿大前,也審慎地衡量了這張國際間眾所關心的冗長清單,從技術支援,到對大自然和地理環境可能造成的潛在破壞。
儘管遠端資料中心可能一點都不環保。評論家宣稱,在一個提供廉價水力發電的地區,建構一個資料中心,對環境來說完全是不友善的。例如,重要河川上的水壩對鮭魚養殖場造成的損害。美國環保署已經測量好,要遷徙斯內克河(哥倫比亞河的最大支流)水壩。最重要的是:利用較廉價的能源並不等於節能或是環保。無論如何,大多數的CIO不必為綠色應用做裁決,他們只需要賺綠花花的美鈔。根據IT產業分析機構Forrester Research最近的調查,針對北美與歐洲124個IT採購人員和營運人員,其中78%回覆者表示,他們購買IT系統和設備時,不會把綠色IT寫進去他們的評估表和選擇標準中。當然按照慣例,一個CIO的目標就是協助公司賺錢,以及在過程中減少成本支出。許多綠色科技都還沒有具體的ROI(投資報酬率)。「我們無法建立一個完全節能的資料中心,因為我們還有生意得做」Vyas表示。
有個很好的例子,一位在舊金山灣區的設備經理說,他最近接到他的CIO的指令,在調查太陽電池板安裝,但是屋頂翻新所需求的控電板的高額花費,就澆息了他們這個想法。「那得花上好幾年節能所省下的錢,才能抵銷屋頂翻新的費用。」他說。現在他們公司除非要蓋新設備,才會考慮太陽電池板。

水冷技術重返機房
財金服務公司Credit Suisse,運用了一個獨特的方法達到水冷卻:在晚間水電費率較低時把冰凍結,以供應白天時冷卻使用。這個計畫在2007年夏季的Next Generation Data Center活動中,以綠色計畫專題被提出來討論。當時觀眾嘲笑—所謂的能源節省,並不是真正的節能。「關於節能,雖然眾說紛紜,他們還是得面對現實」Kfir Godrich,EYP Mission Critical Facilities公司的技術長,該公司接洽處理Credit Suisse的計劃。「相信我,這些財金公司在業界都是頂尖人物。假如他們正在做這類的事,那表示那是一件很值得注意的事,行業應該駐足端詳,並且用一個正面積極的角度學習」。
不管哪一種方式,大部分的CIO都不會再回到冷水式系統,以免於水患的風險。根據Search DataCenter.com的一個調查,65%的回覆者表示,他們永遠不會在他們的資料中心,使用液體冷卻方式。Fred Stack,Emerson Network Power子公司Liebert Precision Cooling的市場行銷副總裁,他表示,大部分的CIO誤以為水冷卻和液體冷卻相同。例如,液體冷卻是二氯二氟代甲烷(Freon),它的比熱是氣體的380倍,水的40倍。而且,假如二氯二氟代甲烷外漏,它會變成氣體。「談到液體冷卻,想法必須有所改變。」Stack表示。
資料中心節源還有另一個創新的方法:行動資料中心。Sun Microsystem(昇陽)的Blackbox(黑盒子計畫),以及Rackable System的Concentro都已經上市。儘管貨櫃可以被搬運到偏遠地區,貢獻出便宜的能源價格,但最主要的能源效益,還是來自最有效運用的堆疊密度和散熱設計。業界所知悉的「閉環」(closed loop),資料中心的氣流是循環的,不是被釋放到外面的。Rackable公司宣稱其完備的散熱技術和傳統方式相比,可以省下80%的散熱費用。
許多影響力匯集到資料中心,驅使能源產生更高效益,從節省花費到虛擬化,以及從刀鋒技術到綠色運動,以勢不可擋之姿橫掃全國。「就像現今的資料中心經理,為了應用軟體或系統的可用性和安全,以及點對點交易的效能,以管理他們的資料中心。我們認為,與時推移,接下來他們將必須管理能源的最佳化」。IBM的Lechner表示。
CIO們看法一致。IDC的調查中,每5個當中就有2個IT經理表示,今年,電力和散熱是他們資料中心最關注的議題,第2個則是可用性和備援問題。過去完全算是設備經理職責的水電費帳單,現在有時候已算是CIO的管轄範圍了,或者至少CIO得為它的開支負責任。「我們的IT被視為營運單位,而能源開銷屬IT預算,不是設備部分。」Vyas表示。好歹現在CIO是在能源管理職責。

註1:能源之星(Energy Star) 計劃於1992年由美國環保署(EPA)所啟動,目的是為了降低能源消耗與減少發電廠所排放的溫室效應氣體。現況:全球計有7個國家參與美國環保署推動的能源之星計劃,分別為美國、加拿大、日本、台灣、澳洲、紐西蘭、歐盟,並自2001年起,每年一度召開國際能源之星計劃會議。
註2:碳足跡(carbon footprint) 是指每個人、每個家庭或每家公司日常釋放的二氧化碳數量,用以衡量人類活動對環境的影響。
Tom Kaneshige是CIO Decisions雜誌的資深專欄編輯。SearchCIO.com的記者:Linda Tucci與Shamus McGillicuddy亦參與此篇報導。