数据中心节能：必须破解计算与存储的矛盾

　　随着网络应用、电子商务以及企业数据库的增长，数据中心对计算和存储能力的需求也在不断增加，相应地，也驱使了能源使用的增长数据中心的能源成本在未来5年将会呈现3到5倍的增加，电力和能源正成为影响IT成本的一大因素。

　　革命性的变革

　　在当今的数据中心中，一些独特、先进的技术已被应用于改善系统的应用性能和扩展性能，最近在降低总能耗方面也出现了一些新的应用。这一变化正是“绿色革命”的体现。归根究底，CPU和存储系统的性能差异是诱发这场革命性变革的主要原因。目前数据中心面临的一大难题，就是存储设备对能源损耗太大，而且未能保持对处理器的有效占用，导致需要添加更多的服务器来弥补低下的效率。CPU与存储系统的这种不断扩大的性能差异已经引发了许多所谓的“解决办法”，但这些方法都不能从根本上解决问题，这也成为了世界数据中心对能源的需求呈指数级增长的“背后推手”。

　　供电和散热

　　随着网络应用、电子商务以及企业数据库的增长，数据中心对计算和存储能力需求也在不断增加，相应地，也驱使了能源使用的增长。越来越紧张的机房空间、电源设计供给日显不足、电力和散热费用的不断增加，让整个IT系统成本大幅度提高。大多数企业将看到他们的数据中心的能源成本在未来5年将会出现3到5倍的增加，电力和能源正成为影响IT成本的一大因素。除了成本的上升，在两年内，50%的数据中心将面临能源短缺，不能满足核心计算的需求。由于这些原因，70%的美国CIO们都相信，数据中心的供电和散热问题是他们的头号挑战。

　　据环境保护署(EPA)对美国数据中心的能源问题的研究预计，到2010年，企业数据中心的能耗将比目前增加75%;到2011年，数据中心会消耗能源高达1000亿千瓦时，年度总成本为740亿美元，并且将需要建造10个额外的电厂以提供如此巨大的能源。

　　绿色网格联盟(Green Grid)曾推出一份名为“数据中心节能准则”的白皮书，暴露了IT设备能耗成本的惨痛现状。一个典型的数据中心需要消耗多达70%的电力资源在服务器、网络和存储设备的保养上面。它还指出，除了采用先进的技术改善数据中心的效率以外，还可以通过提高硬件的利用率，减少IT设备的数量，以降低整体功耗，保持或增加应用程序的性能。

　　背后推手

　　这一切都源于CPU的巨大的性能改进。英特尔——x86处理器的领先供应商，2004年计划要推出4GHz的奔腾4处理器，目的是打破速度的障碍，后来该项目却无疾而终。为什么会这样?为什么他们要改为发展速度较慢的多核心处理器?答案很简单。基本上，相比其存储系统，过快的处理器会被迫陷入一种“加快和等待并存”的不相匹配的局面。当处理器执行程序时，它需要用到存储设备提供数据信息。而由于性能不相匹配，处理器必须花费很长一段时间来等待数据的传输。这时处理器只能处于空等待的状态，没有执行任何操作。换言之，伴随处理器的闲置，处理周期也在浪费，而系统却依然在消耗能量。

　　自1980年以来，CPU的性能在每年有大约60%的提升，而内存的性能仅增加了10%，传统的存储硬盘改善的幅度甚至更少。

　　正因为这种性能差距，所以堪称世界上最快的4GHz X86 CPU并没有显得比之前的处理器更加强大。计算机和存储行业多年来一直致力于如何减少这种性能差距。因此，数据中心架构也已经局限于这种差距，对应用性能的追求导致了业界一味提出专注于存储性能的解决方案，忽视了能源的因素，从而对数据中心的供电和散热添加了巨大的压力。要性能还是节能?

　　随着时间的推移，许多系统架构师已逐步改变传统的存储结构，企图提高系统性能，降低能耗，或两者兼而有之。

　　企业要应对与日俱增和日趋繁复的数据管理需求，最简单的方法似乎是为存储系统添加更多的磁盘。如果这样的话，数据中心就会受到空间、负重和散热基础架构等的限制，而且，城市电力的供应也日趋紧张。这些限制因素往往阻碍了企业满足业务的需求。

　　最近发展起来的服务器虚拟化技术，能够在单台物理服务器整合并行的执行程序，提供访问闲置处理器的能力。在这种情况下，当处理器正在等待数据传输使当前程序搁置时，另一应用程序可以在这一期间占用处理器，从而增加了处理器的利用率。虽然这样可以节省额外服务器的部署，但数据中心的基础设施仍然同样耗电。

　　马克布莱克本在绿色网格联盟发表的一篇论文中曾指出，处理器在闲置期间可以被置于低功耗状态(即所谓的“p-state状态”)，这样可节省大量的能源。他表示，服务器平均消耗约300W能源，但是，在闲置期间，能耗只有200W。使处理器处于P-state状态可以使整个系统节省约20%的能源。这是一种能使闲置设备降低能耗的有效办法，但它没有改善服务器和存储系统的性能或吞吐量。

　　也有部分硬件供应商试图通过提升缓存的技术性能，代替底层的速度缓慢的存储设备的部分功能，例如，将需要占用大量DRAM内存的应用程序设置在服务器与存储区域网络之间。但这对于每个应用程序来说都需要消耗多达450W的额外能源。

　　上述这些方法都具有一个共同点就是虽然它们都会对处理器的效率在不同程度上有所改善，但它们都基于传统的数据中心架构，以消耗能源为代价来扩展系统的性能。

　　到底对于系统性能和节能两者我们如何兼顾?事实证明只针对单方面的解决办法是片面的而且是达不到效果的。现有的节能技术大都没有顾及电力需求增长的主要因素，只考虑如何降低整体能耗成本。企业为数据中心节省能源同时提高效率，其实还有。更有效的办法。只要提高处理器的利用率和处理效率，实现高效存储数据，减少机器及磁盘数量，就能解决能源消耗急速增长的问题。这个策略不仅可以减少系统的复杂性，降低成本，还可以改善网络效率和性能表现，从而对新的业务需求能做出更好的反应。

　　这正是“绿色存储”的内涵。因此，作为企业数据中心的关键组成，集性能高、能耗低、空间小、散热快等众多优点于一身的“绿色存储”系统得到越来越多用户的青睐。

　　Fusion-io引领绿色存储潮流

　　放眼时下存储市场，绿色存储无疑是关注度最高的关键词之一，并被认为是未来的一大必然趋势。虽然对于绿色存储，不同的厂商都有自己不同的理解，但他们却共同推动了绿色存储的进程，让用户、社会和环境都从中受益。作为一家连接固态磁盘的初创厂商，Fusion-io对于绿色存储有自己独特的理解，通过创新的技术、产品和解决方案，Fusion-io引领了绿色存储的新潮流。其固态存储技术推出后可以说是引发了存储界的一场革命，打破了现有存储技术的壁垒，推动了数据中心的时代变革。该技术以PCI Express形式利用NAND闪存，将存储与应用紧密地联系在一起，从而为企业性能密集型应用提供了基于磁盘存储的最佳解决方案;使IT部门实现存储性能提升约1000倍，同时电耗和成本分别只有传统SAN(存储区域网络)的1%和1/10。Fusion-io固态结构背后的理念是使运行在数据中心的低性能I/O密集犁应用成为可能。它摒弃了传统的基于磁盘的存储架构，在系统加速上实现创新方式，即在应用程序中利用同态技术，将性能提高几个数量级，同时大大地降低了电力消耗。

　　Fusion-io已将基于NAND的革命性的固态磁盘推向市场。它提供了一个独特的兼有高性能容量和大宗容量的低成本SAN，而且只需消耗少量的电力。事实上，Fusion-io的SSD芯片相当于600个并行硬盘的性能，但只消耗其中的一个硬盘驱动器的能量。这意味着单独使用可以减少约10,000瓦的功率。凭借这一优越的存储技术，不仅增加了数据中心的性能和吞吐量，而且IT管理人员可以减少安装在服务器中的内存数量，从而显着降低总体能源消耗。

　　在系统性能方面，Fusion-io为用户带来了巨大的提升，例如，Fusion-io推出的ioDrive系列，号称是全球速度最快、最创新的固态存储方案。ioDrives的传输速率达到了700MB/s。主控制器具有散热片覆盖，结合非常紧密。其性能超过了任何其它SSD固态盘和磁盘。其新颖的控制器设计可实现每秒10万次的I/O操作，读取速度高达500-700M，读写几乎没有延迟时间，足以搭配 PCI Express总线的数据吞吐量，是一般SSD的5倍之多，满足对计算速度要求高的领域，突破了当前服务器架构的一些限制，足以应付一个主处理器针对大量存取的I/O处理操作。因此，可以大大减少其它IT设备的部署，降低数据中心的设备成本。除了明显的成本节约，执行同等的应用性能，ioDrive龄任电量减少了超过90%，处理器利用率显著提高。

　　将绿色革命进行到底

　　如前所述，在过去20年中，处理器速度的进化一直遵循着摩尔定律，每18个月翻一番。此外，网络速度大约每5年增加了一个数量级。另一方面，机械磁盘经历了低迷性能方面的改进。这导致磁盘速度跟不上CPU和网络急剧增加(近三个数量级)的速度，形成了显著的性能差距。

　　使用固态存储作为磁盘驱动器或作为低速硬盘的缓存装置，可以消除漫长的CPU等待周期，使功耗显著降低，又不会像其它解决办法那样以影响性能为代价。事实上，性能还会有所增加。固态存储抛弃了传统硬盘的机械部件，不需要马达高速旋转来带动盘片读取数据，数据吞吐量是传统硬盘的5倍，而且当CPU处于等待状态时，磁盘会停止旋转，可以有效降低功耗。目前，300GB FC硬盘的功耗为17W左右，而SSD的功耗仅2W，待机功耗最低可达0.1W。

　　事实上，绿色存储的热潮正迅速席卷全球。固态SSD硬盘的出现恰好迎合了绿色存储的趋势，更高的I/O性能、零数据读取延迟、超低功耗和更高的稳定性使其成为当前更具前途的存储介质之一。

　　目前，包括Google、百度和雅虎等搜索引擎网站或准备采用SSD固态硬盘或己经采用固态硬盘作为数据中心的存储介质，可以说在高端应用上，固态硬盘己经得到行业、企业的认可。尽管SSD固态硬盘在同等容量下的价格是传统机械硬盘的30倍之多，但固态硬盘的绿色特性的确可以为数据中心节省一大笔开支。数据中心的能源消耗已是企业面临的一个严峻问题，提高数据管理能力和存储效率，除了为企业节省成本外，更重要是节能降耗，意在千秋。