數據中心的異構服務器系統及其能源調度方法

數據中心的異構服務器系統及其能源調度方法
【專利摘要】本發明公開了一種高效使用新能源的能源調度方法，以及輔助該方法實現的異構結點裝置。它根據服務器上在一天二十四小時之內負載不均衡的特點，在低負載的情況下進行負載的調度，把低負載時間段內對能耗的需求降低，從而降低了整個系統一天內能耗的需求量。其中負載調度涉及在異構結點之間進行負載的分配策略；另外，將通過風能、太陽能等途徑收集的有限新能源進行最高效化的利用。新能源的利用點包括兩個，其一為在高負載的時間段，降低最高負載達到峰值對傳統電能的需求，達到“削峰”的作用，其二為在一天中電費高的時間段盡可能多使用太陽能，即根據峰谷分時電價提高太陽能的使用價值，從而為服務商降低服務器的能耗以及電費。
【專利說明】數據中心的異構服務器系統及其能源調度方法

【技術領域】
[0001] 本發明屬于大數據【技術領域】，更具體地，涉及一種數據中心的異構服務器系統及 其能源調度方法。

【背景技術】
[0002] 大數據時代數據增長速度不讀提升，數據中心的數據量呈爆發式增長。如Google 在全球至少運營四十多個數據中心。數據的計算處理量也隨之急劇增大。基于此背景，數 據中心服務商不得不面臨飛漲的能耗和電費問題，例如Google (每年能耗>1120GWh，電費 >$67M)，Google (每年能耗>600GWh，電費>$36M)。高能耗帶來的直接問題就是嚴重的環境 污染，IT業的碳排放量占到了全球碳排放量的2%。現如今國際上對服務商征收二氧化碳 的排放稅，高的二氧化碳排放在污染環境的同時也給服務商帶來了經濟利益上的損失。
[0003] 為了減少能耗開銷以及全球二氧化碳的排放量，各大服務商已經陸續地開始了新 能源的研究，新能源一般是指新技術基礎上加以開發利用的再生能源，如太陽能、地熱能、 風能、海洋能、生物質能等。現廣泛使用的主要為風能、太陽能。新能源一般具有可再生特 性，可供人類永續利用，不含碳或含碳量很少，對環境影響小等優點，故越來越受到廣泛的 重視。但與此同時新能源又具有能量密度低，開發利用需要較大空間；間斷式供應，波動性 大的弊端，所以如何最高效的利用新能源已經成為一個大眾關注的問題。


【發明內容】

[0004] 針對現有技術的以上缺陷或改進需求，本發明提供了一種數據中心的異構服務器 系統及其能源調度方法，其目的在于，解決現有數據中心存在的高能耗的技術問題，減小電 費開銷，降低全球碳污染。
[0005] 為實現上述目的，按照本發明的一個方面，提供了一種數據中心的異構服務器系 統，其包括一臺高性能服務器、以及一臺低性能服務器，高性能服務器在當前數據中心的負 載大于低性能服務器所能處理的負載的最大值時工作，低性能服務器在當前數據中心的負 載小于或等于該低性能服務器所能處理的負載的最大值時工作。
[0006] 按照本發明的另一方面，提供了一種數據中心的能源調度方法，是應用在包括上 述異構服務器系統的數據中心中，所述方法包括以下步驟：
[0007] (1)判斷數據中心當前的負載是否大于低性能服務器所能處理的負載的最大值， 如果是，則使用高性能服務器處理該負載，然后轉入步驟（2)，否則使用低性能服務器處理 該負載，然后轉入步驟（2);
[0008] (2)判斷數據中心在時間t內所需能耗是否可以完全由外部太陽能實時提供，如 果是，則進入步驟（3)，否則進入步驟（4):
[0009] (3)將外部太陽能中的電量提供給正在工作的服務器，若有未使用完的能源，則將 其沖入服務器內部的電池，然后過程結束；
[0010] (4)判斷服務器的當前負載是否大于第一閾值，且當前時間是否處于高電價時間 段，如果是，則進入步驟（5)，否則進入步驟（6) :(5)將外部太陽能或電池中的電量提供給 服務器；
[0011] (6)判斷服務器的當前負載是否大于第一閾值，或當前時間是否處于高電價時間 段，如果是，則轉入步驟（7)，否則進入步驟（9);
[0012] (7)判斷當前電池或外部太陽能中是否有多余的電量，如果是則進入步驟（8)，否 則用電網中的電量為服務器供電；
[0013] (8)將外部太陽能或電池中的多余電量提供給服務器，過程結束；
[0014] (9)判斷服務器的負載是否小于或等于第二閾值，若是，則進入步驟（10)，否則轉 入步驟（7);
[0015] (10)計算太陽能充電時能量轉換過程中能量的損耗，以及電池放電不完全時產生 的能量損耗，將二者求和以獲得總能量損耗；
[0016] (11)獲取服務器處于低利用率時使用新能量的損耗；
[0017] (12)判斷步驟（10)的總能量損耗是否大于步驟（11)的損耗，若是則使用太陽能 對服務器進行供電，否則將太陽能的電量提供給電池，然后過程結束。
[0018] 總體而言，通過本發明所構思的以上技術方案與現有技術相比，能夠取得下列有 益效果：
[0019] 1、服務器異構結點的設計。在低負載情況下對負載進行調度，將當前負載遷移到 能耗小的服務器上，保證在滿足其負載所要求的性能的前提下減少了低負載階段對能耗的 要求，也就降低了整體所需的能耗。
[0020] 2、當一天所產生太陽能不足以提供該天服務器所需電能時，在低負載根據當前系 統實時情況適用智能能量源選擇系統進行能耗選擇，實時太陽能使用效率高于存儲到電池 時，使用實時太陽能；存儲到電池效率高于直接使用實時太陽能時，將當前產生太陽能儲存 起來用于后述兩種情況。
[0021] 3、將存儲的太陽能用于高負載情況下的能耗"削峰"，將太陽能運用于降低負載峰 值時對電網供電上所需求的電量，從而可以直接降低電費中峰值電費這一部分，使有限的 太陽能達到高效的使用，降低了電費開支。
[0022] 4、將太陽能以及太陽能存儲在電池中的能量利用到電費高的時間段。降低一天中 高電費時間段服務器對電網所需的電量，使有限的太陽能達到高效的使用，降低了電費開 支。
[0023] 5、在太陽能供電不足且為低負載情況下，若實時太陽能使用率不高，則只是用電 網供電，不使用電池的放電，從而減少了電池放電的次數，延長了電池的使用壽命，降低了 系統的維護成本。
[0024] 6、服務商需要繳納一部分的碳排放稅，新能源的使用直接減少了碳排放量，從而 減少了該部分的成本；且在第一點中提到的技術減少了能耗的開銷，故也減少了碳排放量， 從而降低了在碳排放稅方面的開銷。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0025] 圖1是數據中心的系統模塊圖。
[0026] 圖2是機架模塊示意圖。
[0027] 圖3是異構服務器系統的示意圖。
[0028] 圖4是異構服務器系統的調度流程圖。
[0029] 圖5是一天內新能源功能充足示意圖。
[0030] 圖6是谷峰電價示意圖。
[0031] 圖7是一天內新能源供能不充足的示意圖。
[0032] 圖8是一天內新能源供能不充足的另一個示意圖。
[0033] 圖9是一天內新能源供能不充足的另一個示意圖。
[0034] 圖10是本發明數據中心的異構服務器系統的能源調度方法示意圖。

【具體實施方式】
[0035] 為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對 本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明，并 不用于限定本發明。此外，下面所描述的本發明各個實施方式中所涉及到的技術特征只要 彼此之間未構成沖突就可以相互組合。
[0036] 本發明的整體設計思路如下：
[0037] 由于受到數據中心場地、資金等各方面的限制，數據中心收集新能源的裝置如太 陽能板、風車的數量有限；再加上受天氣條件的限制，在一天的時間內數據中心的服務器能 獲取新能源的數量是有限的，如何盡可能地使用新能源給數據中心供電，減少數據中心的 電費開銷，是本專利關注的問題，所以本發明專注于以下兩點：
[0038] 1、在滿足負載所要達到的性能的前提下減少服務器能耗的開銷。
[0039] 2、最大化的提高收集到的有限新能源的利用率。即在一天的時間內將有限新能源 利用到利用率最高的點，從而最大化的減少服務商電費的開銷。
[0040] 針對上述第一點，本發明通過服務器的異構結點設計，在低負載情況下，系統能在 保證負載所要求的性能的前提下對負載進行調度，使能耗小的機器處理其負載，從而到達 減少負載所消耗服務器能耗的目的。
[0041] 針對上述第二點，本發明通過動態分析負載特性，將新能源用于降低負載的峰值， 從而降低電費中峰值電費這一部分；另外根據谷峰電價特點，將新能源用于電價高的時間 段，從而直接降低了電費高的時間段所需的電網的電力，從而降低了總體所需電費。
[0042] 數據中心包括如下幾個模塊：空氣制冷模塊11、新能源收集模塊12、直流交流電 轉換模塊13、電池模塊14、電網模塊15以及機架模塊16,如圖1所示。
[0043] 上述空氣制冷模塊11進行數據中心空氣制冷工作；上述新能源收集模塊12包括 一切收集一切形式的新能源的系統，如風能、太陽能等，本專利以下部分主要討論太陽能； 上述直流交流電轉化模塊13進行直接電、交流電之間的轉化；上述電池模塊14存儲暫未使 用的外部實時新能源；上述電網模塊15提供電力部門供應的電力，在數據中心新能源供能 不足時進行數據中心能量的供應；上述機架模塊16里放置了數據中心大量的服務器。
[0044] 圖2為機架模塊16示意圖，機架上平行放置了許多封裝好的機箱2,機箱內部為服 務器，服務器都采用異構結點設計模式，具體如圖3所示。
[0045] 圖3為機箱內部示意圖，機架上每一臺封裝好的機箱2內部是本發明數據中心的 異構服務器系統，其實質上由兩個處理能力不同的服務器組成。一臺是處理能力強、能耗 較大的服務器21 ;另一臺是在處理能力較弱、能耗較小的服務器22。高性能服務器在當前 數據中心的負載大于某閾值時工作，低性能服務器在當前數據中心的負載小于或等于該閾 值時工作，該方式滿足了負載所要求的性能前提下，減少能耗開銷；具體而言，閾值是低性 能服務器所能處理的負載的最大值。上述高性能服務器通常是戴爾系列服務器，如戴爾的 PowerEdge R820系列；低性能服務器通常是Atom服務器，如Atom C2000系列。
[0046] 如圖4所示，為異構結點依據當前負載具體情況，自動選擇合適的處理當前負載 的服務器流程圖。從該流程圖反應了服務器異構結點的一個特性，在一個具體的時間點只 會有一臺服務器運行當前的負載，另一臺則處于空閑狀態。
[0047] 本發明數據中心的能源調度方法是應用在包括上述異構服務器系統的數據中心 中，該方法包括以下步驟：
[0048] (1)判斷數據中心當前的負載是否大于低性能服務器所能處理的負載的最大值， 如果是，則使用高性能服務器處理該負載，然后轉入步驟（2)，否則使用低性能服務器處理 該負載，然后轉入步驟（2);
[0049] (2)判斷數據中心在時間t內所需能耗是否可以完全由外部太陽能實時提供，如 果是，則進入步驟（3)，否則進入步驟（4):具體而言，時間t 一般取值為24小時；
[0050] (3)將外部太陽能中的電量提供給正在工作的服務器（以下出現的服務器均表示 正在工作的服務器），若有未使用完的能源，則將其沖入服務器內部的電池，然后過程結束； 具體而言，如圖5所示，橫軸表示時間，縱軸表示服務器所需的能耗以及外部太陽能所能產 生的實時能量，圖中虛線部分表示不同時間段外部太陽能所產生的能耗，實線部分表示服 務器不同時間段所需要的能耗，從圖中可以看到，每個時間段內虛線部分與時間軸圍成的 面積大于實線部分與時間圍成的面積，故在這種情況下服務器能量全部使用外部太陽能所 產生的能量。且多余的電量沖入電池中；
[0051] (4)判斷服務器的當前負載是否大于第一閾值，且當前時間是否處于高電價時間 段，如果是，則進入步驟（5)，否則進入步驟（6):具體而言，第一閾值的取值范圍是當天負 載峰值的百分之八十。
[0052] (5)將外部太陽能或電池中的電量提供給服務器；具體來說，如圖6為谷峰電價示 意圖，一天24小時內，不同的時間段電價不同，一般的電費標準為早上八點到晚上十點電 費較高，晚上十點到早上八點電費較低。按照該策略，如圖7所示，新能源應該優先使用在 電價高且負載也高的時間段，即B1至B2, B3至Μ時間段。
[0053] (6)判斷服務器的當前負載是否大于第一閾值，或當前時間是否處于高電價時間 段，如果是，則轉入步驟（7)，否則進入步驟（9);
[0054] (7)判斷當前電池或外部太陽能中是否有多余的電量，如果是則進入步驟（8)，否 則用電網中的電量為服務器供電；
[0055] (8)將外部太陽能或電池中的多余電量提供給服務器，過程結束；如圖8所示，新 能源應該使用在電價高或者負載高的時間段，即C1至C2, C3至C4時間段。具體使用先將 新能源使用到負載高的時段還是谷峰電價高的時段依據系統算法自動調整，系統算法的最 終目的為最大化地降低服務商向電力提供部分索取的電費。
[0056] (9)判斷服務器的負載是否小于或等于第二閾值，若是，則進入步驟（10)，否則轉 入步驟（7);具體而言，第二閾值的取值范圍是當天負載峰值的百分三十到百分之五十，一 般可取百分之五十。
[0057] (10)計算太陽能充電時能量轉換過程中能量的損耗，以及電池放電不完全時產生 的能量損耗，將二者求和以獲得總能量損耗；
[0058] (11)獲取服務器處于低利用率時使用新能量的損耗；具體而言，低利用率是指在 低負載情況下，新能源得不到充分的利用，從而由新能源的利用率低，損耗大。
[0059] (12)判斷步驟（10)的總能量損耗是否大于步驟（11)的損耗，若是則使用太陽能 對服務器進行供電，否則將太陽能的電量提供給電池，然后過程結束。
[0060] 具體而言，如圖9所示，一天中產生的新能源量不足以提供服務器所需要的能耗。 若時間段A1至A2方案一的能耗損失大于方案二，則使用方案二進行供電；若時間段A3至 A4, A5至A6方案二的能耗損失大于方案一，貝U負載全部由電網供電。
[0061] 另外，在新能源調度過程中，還有如下幾點使用方法：
[0062] 優選地在實時新能源不足以提供所有能量時，在某個具體的時間點使用電池儲存 能量或是電網能量的選擇根據總體開銷最小的策略決定。電池開銷考慮主要有：電池存儲 能量有限，某階段使用了電池儲存能量則其電池存儲能量則變少，且電池有壽命即充放電 次數有限；而使用電網能量的開銷即為電費開銷。系統需要權衡兩者的利弊后，做出最優 能量源的選擇。給服務器功能的能量源組合方法有多種：如實時新能源和電池儲存能量兩 者一起供能；實時新能源和電網能量兩者一起供能；電池儲存能量和電網能量兩者一起供 能；實時新能源、電池儲存能量和電網能量三者一起供能。總之具體的組合方式遵循總開銷 最小原則。
[0063] 優選地，在使用電池的能量時，一定在使用正在產生的新能源；若使用電池能量而 未使用實時新能源，那么當前狀態一定不能產生新能源。例如，太陽能為當前系統唯一的新 能源供應能，則在晚上使用電池能量時不能產生實時新能源。這一點保證了電池不會充電、 放電一起進行。
[0064] 上述電池供能的放電過程中，電池電量不能完全放走，需要考慮電池的壽命問題， 由于電池完全放電會影響其壽命，故每次電池供能時不能使電池的能量釋放完畢。需要保 留電池一部分能量。
[0065] 本領域的技術人員容易理解，以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，并不用以 限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含 在本發明的保護范圍之內。
【權利要求】
1. 一種數據中心的異構服務器系統，其特征在于，其包括一臺高性能服務器、以及一臺 低性能服務器，高性能服務器在當前數據中心的負載大于低性能服務器所能處理的負載的 最大值時工作，低性能服務器在當前數據中心的負載小于或等于該低性能服務器所能處理 的負載的最大值時工作。
2. -種數據中心的能源調度方法，是應用在包括權利要求1所述異構服務器系統的數 據中心中，所述方法包括以下步驟： (1) 判斷數據中心當前的負載是否大于低性能服務器所能處理的負載的最大值，如果 是，則使用高性能服務器處理該負載，然后轉入步驟（2)，否則使用低性能服務器處理該負 載，然后轉入步驟（2); (2) 判斷數據中心在時間t內所需能耗是否可以完全由外部太陽能實時提供，如果是， 則進入步驟（3)，否則進入步驟（4): (3) 將外部太陽能中的電量提供給正在工作的服務器，若有未使用完的能源，則將其沖 入服務器內部的電池，然后過程結束； (4) 判斷服務器的當前負載是否大于第一閾值，且當前時間是否處于高電價時間段，如 果是，則進入步驟（5)，否則進入步驟（6) :(5)將外部太陽能或電池中的電量提供給服務 器； (6) 判斷服務器的當前負載是否大于第一閾值，或當前時間是否處于高電價時間段，如 果是，則轉入步驟（7)，否則進入步驟（9); (7) 判斷當前電池或外部太陽能中是否有多余的電量，如果是則進入步驟（8)，否則用 電網中的電量為服務器供電； (8) 將外部太陽能或電池中的多余電量提供給服務器，過程結束； (9) 判斷服務器的負載是否小于或等于第二閾值，若是，則進入步驟（10)，否則轉入步 驟⑵； (10) 計算太陽能充電時能量轉換過程中能量的損耗，以及電池放電不完全時產生的能 量損耗，將二者求和以獲得總能量損耗； (11) 獲取服務器處于低利用率時使用新能量的損耗； (12) 判斷步驟（10)的總能量損耗是否大于步驟（11)的損耗，若是則使用太陽能對服 務器進行供電，否則將太陽能的電量提供給電池，然后過程結束。
【文檔編號】G06F19/00GK104217111SQ201410442483
【公開日】2014年12月17日 申請日期:2014年9月2日 優先權日:2014年9月2日
【發明者】曹強, 周旭, 萬勝剛, 譚詩詩, 謝長生 申請人:華中科技大學