绿色数据中心加权平均PUE概念的提出与计算

文｜艾默生网络能源有限公司 傅烈虎 和小伟 丁麒钢 曹 播

绿色节能是数据中心的一个发展趋势，自从Green Grid（绿色网格组织）提出用PUE指标来衡量数据中心的节能情况以来，在业界的应用十分广泛。用以Power定义的PUE来衡量数据中心的节能情况合理？PUE达到1.6的数据中心就一定节能？笔者认为，只有将时间纳入PUE的定义中计算出来的结果才具有实际意义，并提出了基于动态部分负荷工况下的WAPUE的概念，给出了其计算公式。

1 Power和Energy

1.1 物理概念

Power和Energy是两个与能量有关的物理概念。Power表征了满负荷工况下单位时间内的数据中心整体能耗大小；Energy表征的是一定时间周期内数据中心整体能耗的多少。从这层物理意义上讲换句话说，Power是一个状态量，描述的是一个“点”特征；而Energy是一个过程量，表达的是一个“线”特征。“点”动成“线”，从数学意义上说，Energy就是一系列Power点组成的曲线，如图1所示。

图1 功率与电量的关系

1.2 成本投资

对数据中心的设计而言，Power一般取系统的峰值，数据中心的电力系统将会按照这个峰值功率来设计，如果考虑未来的扩容需求，这个峰值功率取值会更大。由此看出，Power决定了一个数据中心的初期投资成本的大小，同时这个峰值功率允许客户根据实际需求对数据中心分期投资建设，延缓高额投资的周期。Power的“点”特征决定了它在数据中心的生命周期内不会受到实际设备动态负荷的影响，它在数据中心的设计初期就已经是一个确定的量。

而Energy的大小在数据中心的建设初期是无法确定的，这也是它作为一个过程量的具体表现。正是由于Energy的这种“线”特征决定了它会影响数据中心的运行成本。一般IT运维人员对Energy比较关注，并且Energy会随实际设备的动态负荷的变化而变化。比如：通信公司的数据中心，白天的话务量会比黑夜的话务量多，周末的话务量没有工作日的多，在话务量比较低的时候服务器可以采用休眠功能来降低Energy；对于机房环境而言，特别是北方昼夜温差比较大的地区，建筑物结构传热负荷白天和晚上会不一样，夏季和冬天也会不同，在室外气温比较低的时候可以采用室外冷源实现自然冷却来减小Energy的消耗。这些差异和变化都会影响Energy的大小，从而也就影响了数据中心一定周期内的运行成本。

2 传统PUE的概念

传统PUE的概念由Green Grid首次提出，并定义如下：

式中：数据中心总功率为供配电功率、制冷系统功率和IT设备总功率之和；IT设备总功率包括计算单元功率和风扇功率。

根据数据中心的电能流向图（见图2所示），用两块功率表放在A和B处，即可计算瞬时PUE的大小：

式中，Power-A即为数据中心总功率，数据中心总功率可用一块功率表在图2中的A点测量获得；Power-B即为IT设备总功率，IT设备总功率可用一块功率表在图2中的B点测量获得。

图2 数据中心电能流向图

笔者之所以把上述PUE称为瞬时PUE是因为它并没有引入时间概念，或可以认为当时Green Grid是在假定数据中心的负荷处于稳态情况下提出PUE的概念。以Power来定义PUE只能反映在满负荷的稳态情况下数据中心节能指标的大小，不具有普遍意义，因为实际的数据中心内负荷变化是相当复杂的，以某一个特定工况的PUE来表征数据中心一定周期内的能耗指标是不合适的，具有片面性。动态变化的负荷会导致出现动态的PUE。因此，笔者认为有必要全面审视数据中心的能耗指标，在引入时间因子的前提下提出基于动态部分负荷的以Energy来定义PUE的观点。

3 WAPUE的定义与计算

Weighted Average Power Usage Effectiveness（加权平均能量使用效率）简称WAPUE，即为加权平均PUE。WAPUE的概念与PUE的概念极为相似，定义如下：

式中，∫PowerDCdt为数据中心总电量，可用一块电度表在图2中的A点在一定周期内测量获得；∫PowerITdt即为IT设备总功率，可用一块电度表在图2中的B点在一定周期内测量获得。

从上述定义可以看出，WAPUE与PUE的显著区别就在于引入了时间因子，反映在数据中心电能流向图上A和B处放置两个电度表，即可测量并计算WAPUE。但是，在数据中心的设计与咨询的早期要确定WAPUE是没有办法用电度表去测量的。测量的方法对我们以一个典型的数据中心进行PUE或者WAPUE研究，并指导我们确定TA、TB、TC、TD……等大小最为有效。

式中，PUEA为TA时间段内的平均PUE；PUEB为TB时间段内的平均PUE；PUEC为TC时间段内的平均PUE；PUED为TD时间段内的平均PUE；依次类推。

通过公式（3）计算WAPUE是非常复杂的，利用数学积分的思想，“化曲为直，以直代曲”，将由Power曲线包围的面积转化为由一系列稳态Power矩形面积的总和（如图3所示），亦即将一段周期内的计算简化为以某几个典型特征工况下的稳态PUE的计算。由公式（4）可以看出，WAPUE实质上是一系列稳态工况下PUE的算术加权平均值。

图3 动态PUE

确定了TA、TB、TC、TD等的具体大小，就等于是确定了每个工况下PUE的加权因子，即可计算出加权平均PUE的大小。目前，加权平均PUE的概念国内外鲜有报道，其重要意义还不为人们所理解。笔者认为，今后同行们所做的工作一个重要方向应该是确定符合我国的国情的每个工况下的PUE权重，从而获得最终的WAPUE的表达式并使之在数据中心具有普适性，并上升为一条衡量数据节能大小的国家标准。

4 WAPUE的进一步深化

绿色网格组织（Green Grid）提出PUE大于1，且大于1的部分由供电因子（PLF）和制冷因子（CLF）两组分组成，即：

同理，动态数据中心的加权平均PUE（WAPUE）中大于1的部分亦可由加权平均供电因子（WAPLF）和加权平均制冷因子（WACLF）两部分组成，且其定义如下：

式中，PLFA为TA时间段内的平均供电因子PLF；PLFB为TB时间段内的平均供电因子PLF；PLFC为TC时间段内的平均供电因子PLF；PLFD为TD时间段内的平均供电因子PLF；依次类推。

式中，CLFA为TA时间段内的平均制冷因子CLF；CLFB为TB时间段内的平均制冷因子CLF；CLFC为TC时间段内的平均制冷因子CLF；CLFD为TD时间段内的平均制冷因子CLF；依次类推。

公式（6）的意义在于将WAPUE进行了分解细化，把对整个系统的能耗研究转化为各个子系统的能耗研究，有利于更加清晰的认识各个子系统的动态耗能情况。

5 计算实例

以一年8760小时为一个周期，数据中心的动态部分负荷简化为4个稳态工况：A、B、C、D。4个稳态工况下PUE值分别为PUEA=1.8，其中PLFA=0.2，CLFA=0.6；PUEB=2.2，其 中PLFB=0.3，CLFB=0.9；PUEC=1.9，其 中PLFC=0.25，CLFC=0.65；PUED=1.7，其中PLFD=0.15，CLFD=0.55。这4个稳态工况的持续时间分别为TA=2000小时，TB=1600小时，TC=2800小时，TD=2360小时，则根据公式（4），WAPUE计算如下：

WAPUE＝（1.8×2000+2.2×1600+1.9×2800+1.7×2360）/8760＝1.88

或者根据公式（6）、（7）、（8），WAPLF、WACLF和WAPUE分别计算如下：

WAPLF＝（0.2×2000+0.3×1600+0.25×2800+0.15×2360）/8760＝0.22

WACLF＝（0.6×2000+0,9×1600+0.65×2800+0.55×2360）/8760＝0.66

WAPUE＝1+0.22+0.66＝1.88

由图4～6可以看到，对于一个数据中心而言，用A、B、C、D四个工况下的任何一个PUE值来代表数据中心一个完整周期内的PUE值都是不恰当的。这些PUE值是动态变化的，它们随着时间的推移、负荷的变化而忽大忽小的变化着。这就使得用传统的PUE值来衡量并判定数据中心节能与否具有宏观的局限性。只有对一个个动态PUE进行算术加权平均后获得的WAPUE值才能作为衡量数据中心的节能尺度，成为判定数据中心节能大小的普适指标，具有客观的实际意义。

图4 不同工况下的PLF与WAPLF对比

图5 不同工况下的CLF与WCPLF对比

图6 不同工况下的PUE与WAPUE对比

6 结束语

（1）Power和Energy是两个不同的物理概念，前者决定了数据中心的初期投资成本，后者决定了数据中心的运行成本。

（2）PUE作为衡量数据中心的节能指标具有一定的片面性，用引入时间因子后基于动态部分负荷工况下的WAPUE来衡量实际数据中心的节能指标更具有指导意义。

（3）WAPUE的计算关键在于加权因子的确定，提出一个明确的WAPUE的计算公式，使加权因子具有普适性，就等于占领数据中心节能方面的全新理念的一个制高点。