浅谈机架式智能电源分配器的能源管理

2012年9月22日，美国纽约时报发表了一篇震撼业界的文章”Power，Pollution and the Internet”，文中提到根据纽约时报一年多的调查，大型数据中心使用的电力大约有90%以上被浪费。就此事纽约时报特委托著名的顾问公司麦肯锡（McKinsey & Company） 作了分析，结果也显示了数据中心仅仅有6%~12%的电力是真正用于运算中的服务器。 
全球的数据中心总共花费约300亿瓦的电，竟是约30座核电厂的发电量，而其中又约有1/4到1/3的用电是被消耗于美国地区的数据中心，在文中访问了一位不愿公开身份的资深数据中心工作者，据他表示：这种浪费的用电状况是业界不敢公开秘密，但没有人敢第一个认错，如果我们是处于日新月异的制造业， 我们早就被淘汰了。 
数据中心先进的美国都有如此严重的电力浪费问题，对于数据中心正处于起飞阶段的亚洲，我们不得不开始注意数据中心能源使用效率的问题。 
要提升数据中心的能源使用效率，当然就必须做好数据中心能源管理的工作，而能源管理工作的第一步就必须先做好量测的工作，毕竟任何无法被量测到及量化的东西是无从管理起的。所以如何做到正确的量测是提升数据中心能源使用效率首先要考虑的问题。 
关于IT设备用电的量测，最精确的量测方法就是使用机架式智能型电源分配器（intelligent rack PDU），因为机架式电源分配器位于每个机架内，是送电给IT设备的最后一个配电装置，因此从机架式电源分配器量测IT设备的用电是最精确的。又因为位于各个机架内，一些较高端的机架式智能型电源分配器还具备远程开关及环境参数测量等功能，但因早期机架式智能型电源分配器成本较高，所以很多数据中心会采用成本较低的电流互感器（CT），即在配电盘内加装电流互感器，透过数据搜集器将数据集中记录于中央监管服务器中，以做为日后分析使用。 
但和机架式智能型电源分配器比较起来，电流互感器还是有很多不足的地方，例如过载跳闸的预先告警，早期数据中心因为每机架中设备使用的电力密度都不会太高。所以每一个机架式电源分配器大多只有一个回路（不含备援回路，算一下电源分配器有几个过电流断路器就有几个回路），如果只有一个回路，电流互感器所量到的电流还足以使管理者了解IT设备的用电距离跳闸还有多少空间，但如果机架式电源分配器多于12个或甚至于多于16个端口，则往往一个机架式电源分配器会有2个回路，如果是3相的分配器，则至少会有3个回路或甚至有6个回路, 有如此多个回路, 但电流互感器还是只能量到这些回路的总电流, 无法让数据中心的管理人员防范各单独回路跳闸于事前。 
因为机架中IT设备的耗电密度越来越高（如刀片服务器等），但机架式智能型电源分配器因技术的提升，售价已不再像以往遥不可及，因此越来越多数据中心选择使用机架式智能型电源分配器来建构其电力的量测系统。 
各个数据中心的需求会因为数据中心现在及未来可能使用的服务器不同，还有配置规划等不同的原因，会选择不同型式的机架式智能型电源分配器，到底要如何选择合适自己数据中心的机架式智能型电源分配器，以下是几个业界选择机架式智能型电源分配器的特点供各位机房管理人员参考。 
1. 机架式智能型电源分配器的安装型式 
一般较常见的有水平安装型，垂直安装型，及ATEN宏正推出的分离安装型。 
（1） 水平安装型 
安装弹性最高，最不受机架型式限制，因为是安装于机架的前方，所以只要是标准机架，均可以做安装，但因为宽度受19吋机架宽度的限制，一般最多就只能有8个端口（以1U高机种为例），所以如果端口需求数量较多的情形下，以平均每端口的成本计算，每端口的成本会较垂直安装型来得高，但如果以整台机架式智能型电源分配器的成本来计算，它又会比垂直安装型来得便宜，因此如果数据中心每机架预期安装的服务器数量并不多，或是将视成长分批安装，则水平安装型会是一个最合适的选择，如图1所示。

图1 水平安装型

（2） 垂直安装型 
因为是垂直安装，所以不受机架19吋宽度的限制，但长度还是需要考虑机架42U高度的限制，一般长见的规格为16个端口或24个端口；ATEN宏正推出40个端口的智能型电源分配器，如果数据中心每个机架的服务器数量较多，以每个端口的成本来计算，会是成本上很不错的考虑，如图2所示。

图2垂直安装

3） 分离安装型 
垂直安装型机架式智能型电源分配器虽有端口多的优势，但很多数据中心的管理者会觉得它的体积太大，有时服务器体积比较大时会因为过大的智能型电源分配器而无法安装，垂直安装的智能型电源分配器在某些较小的机架安装时也会影响走线的空间及机架的散热，如图3所示。

图3 分离安装型

较多的端口虽然是优势，但许多数据中心管理者也担心一旦智能型电源分配器的量测或数据传输的模块故障，则需要把所有端口上的服务器停机才可以做智能型电源分配器的更换。 
针对对垂直安装型智能型电源分配器的疑虑，ATEN宏正推出了分离安装型的智能型电源分配器，分离安装型的设计是将量测及通讯功能独立成为一个分离式的显示盒，数据中心可将此显示盒装在机架的前方或后方，而搭配用的垂直安装型电源分配器因为不含量测及通讯模块，所以体积几乎和传统非智能型的电源分配器一样，所以如果对电源分配器的体积特别注重的数据中心，分离安装的智能型电源分配器会是一个不错的选择。 
另外因为量测及通讯功能位于一个独立的显示盒中，一但故障也可于电源分配器送电的情况底下做更换，电源分配器不需要断电，伺服也不需要停机。所以如果需要垂直安装型多个端口的特点，又不希望空间及稳定性受影响则分离安装型会是一个最佳的选择。 
2. 机架式智能电源分配器保护机制 
前文所述的过载跳闸一直是数据中心最大的梦魇，许多智能型电源分配器厂商也提供了各种不同的解决方案，最常见的是在每个端口上各加装一个小容量的保险丝，但这种解决方案将使各端口无法使用电力密度较高的服务器，如刀片服务器，因为每端口的电流已被限制于较小的范围，而且往往保险丝溶断后临时很难找到合适备用的保险丝，如果误用了规格不符的保险丝，将造成数据中心更大的危险。

ATEN宏正使用了智能型电源分配器的量测及开关控制的功能，提出了一种主动式过载保护的功能，智能型电源分配器会自动侦测哪一个端口是最后开机的服务器。经过智能型电源分配器本身精密量测及快速运算后，如果判断这最后开机的服务器有可能会造成电源分配器跳闸，则会在跳闸发生前,主动将这台最后开机的服务器断电，以保护其它已经在运算中的服务器不会因跳闸而不预警断电造成数据中心的重大损失。而被断电的最后一台服务器，因为才刚开机或甚至于开机尚未完成，对数据中心并不会造成任何损失，如图4所示。

 图4 机架式智能电源分配器保护机制

3. 机架式智能电源分配器防脱锁功能 

数据中心服务器电源线的松脱一直是一个很严重的问题，主要原因有两个。第一是机架布线等施工时不慎碰落电源线，几乎每个数据中心施工人员都有这类的经验，再来就是电源线悬挂太久造成松脱，这种问题一般常见于刀片服务器大电流的C19插头上，因此各智能型电源分配器厂商针对电源线防脱锁均有不同的解决方案，最常见的解决方案就是在电源分配器上预留卡口孔，但这种解决方案就必须要向电源分配器厂商购买配置有特殊卡口的电源线，而原本服务器所附的电源线就无法使用了。 

图5 智能型电源分配器的Lok U Plug设计

4. 机架式智能电源分配器软件功能 
用来监控智能型电源分配器的软件一直都是数据中心管理者最头痛的问题，因为智能型电源分配器如果没有搭配功能完整的软件，则“智能”就无法被发挥出来，而往往功能齐全的软件收费都不便宜，进口品牌甚至常以“节点”（node）来计费，如此计费方式会造成使用越多的智能型电源分配器就必须附更多的费用。 
ATEN宏正推出完整版功能的随机版软件，只要购买智能型电源分配器即可享有完整的“智能”功能，不用再为了发挥智能型电源分配器完整功能而需要另外一笔惊人的预算。 
而一般要能使智能型电源分配器发挥“智能”的软件，至少需要具备几项基本功能。 
（1） 信息中心各机架以图型化显示，以方便信息中心管理者做控管。 
（2）及时数据显示，信息中心管理者可于办公室或控制室中直接控管数据中心。 
（3） 历史数据分析功能，可选择特定区间做进一步的用电分析，如线状图或树状图等。 
（4） 环境状况及指标分析，一般较常见的功能就是温度湿度的量测。但根据美国能源部及美国冷冻空调协会建议，仅仅只量温度是不足以判断机房空调的好坏，应该是要将所量测到的温度做加权运算以得出数据中心的机架冷却指数 （RCI, Rack Cooling Index），机房是否有热点的发生，可藉由此量化的机架冷却指数于热点发生前先做判断。很多绿色数据中心会采用将冷热风道完全隔离的做法，此种方法空调效率虽高，但往往空调的备援能力会较差，万一有空调主机故障则往往会有温度快速上升的问题，最糟的状况也许会造成火灾，机架冷却指数也可协助数据中心管理者，于第一时间发现数据中心是否有某个区域有温度快速上升的现象。 
随着服务器的电力密越来越高，许多数据中心使用的服务器产生的热也早已远超过当初数据中心设计时所能承受的散热量。服务器长时间工作于高温的环境温度中，服务器的使用年限将会大幅降低，机架冷却指数也是协助数据中心管理者了解数据中心是否有长时间过热问题的有效工具，如图6所示。

图6 机架式智能电源分配器软件功能

5. 机架式智能电源分配器质量稳定性 

介绍完以上种种机架式智能型电源分配器的各项特点，还有一个很重要的特点，一般比较难从机架式智能型电源分配器的产品手册及规格上看出来，就是机架式智能型电源分配器的稳定性。 
最常见的问题就是，当大量架设机架式智能型电源分配器后，经过一小段时间的使用机架式智能型电源分配器的通讯，因为处理大量数据产生互相干扰的问题，而造成部份的机架式智能型电源分配器出现当机的现象，此问题一但出现机架式智能型电源分配器就必须要断电后重启，这在数据中心中是很严重的事情。更大的问题是一但出现了干扰，此问题将每隔固定一段时间出现在不同的机架式智能型电源分配器上，一般会有这类问题的厂商，大多是对通过TCP/IP对大量装置做控制的技术不纯熟。 
所以如果要避开误买有问题的产品，最好的方法就是选择已经供应需要大量于机房控制用TCP/IP装置的厂商，例如TCP/IP KVM的厂商，一方面对处理大量控制的TCP/IP讯号比较能掌握，一般厂内也才有足够的测试设备测试产品的稳定性。 
6. 结语 

 简单地介绍了业界选择机架式智能型电源分配器的各种考虑及选择方法，如本文开始时所提到的，要做好数据中心能源管理的工作，第一步就要正确的做好量测的工作，希望以上提供的信息可以给各位数据中心管理者选择合适的量测工具上有一些帮助。