全太阳能数据中心整体技术方案与实践

　数据中心集中安装了十万台的服务器，２４小时不间断地运行，其能耗问题越来越突出，用电量占据了数据中心经营成本的５０%以上，数据中心行业成为了高能耗单位。尤其是近年来“云计算”概念兴起，催生各地都在建设大型的云计算数据中心（IDC），而随着数据中心规模的扩大，能源消耗问题更加突出，巨大的用电量成为数据中心进一步发展的最大难题[1]。
数据中心的总耗电包括以下几部分：IT设备耗电、空调耗电以及其他设备的电能损耗。而机房中的IT设备和降温空调用电占数据中心耗电总量的大部分（75%以上），其中IT设备的耗电量又主要集中在服务器机群中[2]，如图1所示。

　针对数据中心的能耗评测标准，由工业和信息化部、国家发改委指导，云计算发展与政策论坛编制，在2012年４月份发布了《数据中心能效测评指南》。其中指出了4个数据中心能效关键指标，分别为：电能利用效率（PUE）、局部PUE（pPUE）、制冷/供电负载系数（CLF/PLF）和可再生能源（RER）利用率等[3]，以此来规范绿色数据中心的建设标准。
1 整体技术方案
　目前在建设数据中心时，为了减少降温空调的用电量，从而降低PUE值，国内业界提出了很多解决方案，并尝试过诸如空调下送风降温数据中心方案、集装箱密封降温的高密度数据中心解决方案等。业界甚至提议，利用南极和北极的天然冰山的优势，将数据中心建在南极和北极上，从而实现无电降温用电。最近又出现了“高温机房”的概念，即不给机房降温，以使空调用电降至为零。
　在研究数据中心能耗时不难发现，需要空调降温的原因归根结底是服务器耗电量大，耗电最终转化为热量。因此在建设数据中心时，只是单纯地想方设法提高空调降温效率，而不把重点放在如何降低服务器能耗的核心问题上来，始终是治标不治本。PUE值也只是反映IT设备用电量的比值，并没有指出直接降低IT设备用电量本身。而降低服务器机群的用电量，才是降低降温用电量、降低机房总体用电量的根本之策。
因此，本文在综合研究了数据中心耗电的核心问题的基础上，提出了全太阳能数据中心整体技术方案：（1）针对数据中心耗电的根源（服务器耗电），制定根治数据中心能耗的技术路线，从减少服务器耗电着手，进而减少服务器电能转化成热能的数量，从而使得空调降温用电同比减少，最终从根本上解决数据中心的耗电问题；（2）在此基础上，有效地采用清洁、可再生能源——太阳能，使传统能源的消耗降至最低水平，成为后备电源，而太阳能成为数据中心的主供电源；（3）由于太阳能光伏发电是直流电，因此，高压直流配电系统是适应太阳能主供电而设计的配电系统；（4）为保证蓄能和不间断供电，本文还采用了分布式、内嵌式UPS电源技术，把小型嵌入到服务器的电源模块，设计出适应交流和直流同时使用的电源模块（即异种电源双回路不间断服务器专用电源模块）。总之，这四大专项技术紧密接合，创新组合，是建设全太阳能数据中心的核心技术。
2 四大专项技术介绍
2.1 微服务器集群
　服务器主板的功耗主要集中在CPU芯片上，因此要有效地解决数据中心的能耗问题，就必须设计出更低功耗的CPU芯片。参考文献[4]中指出：“芯片级每降低1 W的功耗，由此而带来的电源转换、配电系统、UPS、制冷系统和变压器等一系列设备的功耗降低，将会达到2.68~2.84 W”。这些都表明了，从芯片级入手，研究超低功耗的CPU，才是实现绿色节能的首要措施。
　CPU芯片是数据中心计算能力的动力来源，当前有两种提高CPU计算能力的方法：其一是提高CPU主频；其二是增加CPU（核）的数量。根据研究显示，如果采用第一种方法来解决计算能力，其功耗将以指数（主频的三次方）迅速增加。而第二种方法的基本原理是为服务器安装更多的CPU或者增加单个CPU的内核，以提高服务器的计算能力。这条路线在提高处理能力的同时，功耗仅仅是同比线性增加。
　因此，本文采用嵌入式SoC作主芯片，配合最少的外围芯片，仅由Flash作ROM内存，构成一个超低功耗的计算节点（也称“云计算节点”），多个计算节点构成一台“微服务器”，微服务器集群式应用，构成数据中心最基础的硬件平台。由于微服务器的超低功耗特性，最终实现了在提高计算能力的同时，又不会大幅度地增加功耗。采用本文方法，可以像“高温机房”那样，免去强制降温用电，数据中心的用电量可减少到原来的25%。
2.2 太阳能光伏发电作为主电源
　太阳能光伏发电是目前最佳的清洁能源选择。但对于太阳能光伏发电本身而言，存在两个难点问题：一是单位发电场所发出的电量不高；二是发电时间不均匀。而且不论并网输送，还是离网应用，都需要增加太阳能光伏蓄能设备，大大提高了发电成本。
　但由于本方案采用超低功耗的微服务器作为数据中心的服务器设备，因此，完全可以使用太阳能作为数据中心的主供电源，交流电仅是在阳光照射的有效时间低于设计值时，作为补充性辅助电源使用。而且可充分利用机房楼顶、邻近空地，就地取材，因地制宜，无需太大空余场地，取得经济和工程上的可行性。同时，数据中心的UPS设备可充当太阳能发电的蓄能设施，减少了设备投入。而且太阳能光伏发电所产生的是直流电，这样在给蓄电池充电时不需要进行整流，减少了部分整流设备的损耗，提高了电能的利用率。