数据中心的异构服务器系统及其能源调度方法

数据中心的异构服务器系统及其能源调度方法
【专利摘要】本发明公开了一种高效使用新能源的能源调度方法，以及辅助该方法实现的异构结点装置。它根据服务器上在一天二十四小时之内负载不均衡的特点，在低负载的情况下进行负载的调度，把低负载时间段内对能耗的需求降低，从而降低了整个系统一天内能耗的需求量。其中负载调度涉及在异构结点之间进行负载的分配策略；另外，将通过风能、太阳能等途径收集的有限新能源进行最高效化的利用。新能源的利用点包括两个，其一为在高负载的时间段，降低最高负载达到峰值对传统电能的需求，达到“削峰”的作用，其二为在一天中电费高的时间段尽可能多使用太阳能，即根据峰谷分时电价提高太阳能的使用价值，从而为服务商降低服务器的能耗以及电费。
【专利说明】数据中心的异构服务器系统及其能源调度方法

【技术领域】
[0001] 本发明属于大数据【技术领域】，更具体地，涉及一种数据中心的异构服务器系统及 其能源调度方法。

【背景技术】
[0002] 大数据时代数据增长速度不读提升，数据中心的数据量呈爆发式增长。如Google 在全球至少运营四十多个数据中心。数据的计算处理量也随之急剧增大。基于此背景，数 据中心服务商不得不面临飞涨的能耗和电费问题，例如Google (每年能耗>1120GWh，电费 >$67M)，Google (每年能耗>600GWh，电费>$36M)。高能耗带来的直接问题就是严重的环境 污染，IT业的碳排放量占到了全球碳排放量的2%。现如今国际上对服务商征收二氧化碳 的排放税，高的二氧化碳排放在污染环境的同时也给服务商带来了经济利益上的损失。
[0003] 为了减少能耗开销以及全球二氧化碳的排放量，各大服务商已经陆续地开始了新 能源的研究，新能源一般是指新技术基础上加以开发利用的再生能源，如太阳能、地热能、 风能、海洋能、生物质能等。现广泛使用的主要为风能、太阳能。新能源一般具有可再生特 性，可供人类永续利用，不含碳或含碳量很少，对环境影响小等优点，故越来越受到广泛的 重视。但与此同时新能源又具有能量密度低，开发利用需要较大空间；间断式供应，波动性 大的弊端，所以如何最高效的利用新能源已经成为一个大众关注的问题。


【发明内容】

[0004] 针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种数据中心的异构服务器 系统及其能源调度方法，其目的在于，解决现有数据中心存在的高能耗的技术问题，减小电 费开销，降低全球碳污染。
[0005] 为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种数据中心的异构服务器系 统，其包括一台高性能服务器、以及一台低性能服务器，高性能服务器在当前数据中心的负 载大于低性能服务器所能处理的负载的最大值时工作，低性能服务器在当前数据中心的负 载小于或等于该低性能服务器所能处理的负载的最大值时工作。
[0006] 按照本发明的另一方面，提供了一种数据中心的能源调度方法，是应用在包括上 述异构服务器系统的数据中心中，所述方法包括以下步骤：
[0007] (1)判断数据中心当前的负载是否大于低性能服务器所能处理的负载的最大值， 如果是，则使用高性能服务器处理该负载，然后转入步骤（2)，否则使用低性能服务器处理 该负载，然后转入步骤（2);
[0008] (2)判断数据中心在时间t内所需能耗是否可以完全由外部太阳能实时提供，如 果是，则进入步骤（3)，否则进入步骤（4):
[0009] (3)将外部太阳能中的电量提供给正在工作的服务器，若有未使用完的能源，则将 其冲入服务器内部的电池，然后过程结束；
[0010] (4)判断服务器的当前负载是否大于第一阈值，且当前时间是否处于高电价时间 段，如果是，则进入步骤（5)，否则进入步骤（6) :(5)将外部太阳能或电池中的电量提供给 服务器；
[0011] (6)判断服务器的当前负载是否大于第一阈值，或当前时间是否处于高电价时间 段，如果是，则转入步骤（7)，否则进入步骤（9);
[0012] (7)判断当前电池或外部太阳能中是否有多余的电量，如果是则进入步骤（8)，否 则用电网中的电量为服务器供电；
[0013] (8)将外部太阳能或电池中的多余电量提供给服务器，过程结束；
[0014] (9)判断服务器的负载是否小于或等于第二阈值，若是，则进入步骤（10)，否则转 入步骤（7);
[0015] (10)计算太阳能充电时能量转换过程中能量的损耗，以及电池放电不完全时产生 的能量损耗，将二者求和以获得总能量损耗；
[0016] (11)获取服务器处于低利用率时使用新能量的损耗；
[0017] (12)判断步骤（10)的总能量损耗是否大于步骤（11)的损耗，若是则使用太阳能 对服务器进行供电，否则将太阳能的电量提供给电池，然后过程结束。
[0018] 总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有 益效果：
[0019] 1、服务器异构结点的设计。在低负载情况下对负载进行调度，将当前负载迁移到 能耗小的服务器上，保证在满足其负载所要求的性能的前提下减少了低负载阶段对能耗的 要求，也就降低了整体所需的能耗。
[0020] 2、当一天所产生太阳能不足以提供该天服务器所需电能时，在低负载根据当前系 统实时情况适用智能能量源选择系统进行能耗选择，实时太阳能使用效率高于存储到电池 时，使用实时太阳能；存储到电池效率高于直接使用实时太阳能时，将当前产生太阳能储存 起来用于后述两种情况。
[0021] 3、将存储的太阳能用于高负载情况下的能耗"削峰"，将太阳能运用于降低负载峰 值时对电网供电上所需求的电量，从而可以直接降低电费中峰值电费这一部分，使有限的 太阳能达到高效的使用，降低了电费开支。
[0022] 4、将太阳能以及太阳能存储在电池中的能量利用到电费高的时间段。降低一天中 高电费时间段服务器对电网所需的电量，使有限的太阳能达到高效的使用，降低了电费开 支。
[0023] 5、在太阳能供电不足且为低负载情况下，若实时太阳能使用率不高，则只是用电 网供电，不使用电池的放电，从而减少了电池放电的次数，延长了电池的使用寿命，降低了 系统的维护成本。
[0024] 6、服务商需要缴纳一部分的碳排放税，新能源的使用直接减少了碳排放量，从而 减少了该部分的成本；且在第一点中提到的技术减少了能耗的开销，故也减少了碳排放量， 从而降低了在碳排放税方面的开销。

【专利附图】

【附图说明】
[0025] 图1是数据中心的系统模块图。
[0026] 图2是机架模块示意图。
[0027] 图3是异构服务器系统的示意图。
[0028] 图4是异构服务器系统的调度流程图。
[0029] 图5是一天内新能源功能充足示意图。
[0030] 图6是谷峰电价示意图。
[0031] 图7是一天内新能源供能不充足的示意图。
[0032] 图8是一天内新能源供能不充足的另一个示意图。
[0033] 图9是一天内新能源供能不充足的另一个示意图。
[0034] 图10是本发明数据中心的异构服务器系统的能源调度方法示意图。

【具体实施方式】
[0035] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对 本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并 不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要 彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
[0036] 本发明的整体设计思路如下：
[0037] 由于受到数据中心场地、资金等各方面的限制，数据中心收集新能源的装置如太 阳能板、风车的数量有限；再加上受天气条件的限制，在一天的时间内数据中心的服务器能 获取新能源的数量是有限的，如何尽可能地使用新能源给数据中心供电，减少数据中心的 电费开销，是本专利关注的问题，所以本发明专注于以下两点：
[0038] 1、在满足负载所要达到的性能的前提下减少服务器能耗的开销。
[0039] 2、最大化的提高收集到的有限新能源的利用率。即在一天的时间内将有限新能源 利用到利用率最高的点，从而最大化的减少服务商电费的开销。
[0040] 针对上述第一点，本发明通过服务器的异构结点设计，在低负载情况下，系统能在 保证负载所要求的性能的前提下对负载进行调度，使能耗小的机器处理其负载，从而到达 减少负载所消耗服务器能耗的目的。
[0041] 针对上述第二点，本发明通过动态分析负载特性，将新能源用于降低负载的峰值， 从而降低电费中峰值电费这一部分；另外根据谷峰电价特点，将新能源用于电价高的时间 段，从而直接降低了电费高的时间段所需的电网的电力，从而降低了总体所需电费。
[0042] 数据中心包括如下几个模块：空气制冷模块11、新能源收集模块12、直流交流电 转换模块13、电池模块14、电网模块15以及机架模块16,如图1所示。
[0043] 上述空气制冷模块11进行数据中心空气制冷工作；上述新能源收集模块12包括 一切收集一切形式的新能源的系统，如风能、太阳能等，本专利以下部分主要讨论太阳能； 上述直流交流电转化模块13进行直接电、交流电之间的转化；上述电池模块14存储暂未使 用的外部实时新能源；上述电网模块15提供电力部门供应的电力，在数据中心新能源供能 不足时进行数据中心能量的供应；上述机架模块16里放置了数据中心大量的服务器。
[0044] 图2为机架模块16示意图，机架上平行放置了许多封装好的机箱2,机箱内部为服 务器，服务器都采用异构结点设计模式，具体如图3所示。
[0045] 图3为机箱内部示意图，机架上每一台封装好的机箱2内部是本发明数据中心的 异构服务器系统，其实质上由两个处理能力不同的服务器组成。一台是处理能力强、能耗 较大的服务器21 ;另一台是在处理能力较弱、能耗较小的服务器22。高性能服务器在当前 数据中心的负载大于某阈值时工作，低性能服务器在当前数据中心的负载小于或等于该阈 值时工作，该方式满足了负载所要求的性能前提下，减少能耗开销；具体而言，阈值是低性 能服务器所能处理的负载的最大值。上述高性能服务器通常是戴尔系列服务器，如戴尔的 PowerEdge R820系列；低性能服务器通常是Atom服务器，如Atom C2000系列。
[0046] 如图4所示，为异构结点依据当前负载具体情况，自动选择合适的处理当前负载 的服务器流程图。从该流程图反应了服务器异构结点的一个特性，在一个具体的时间点只 会有一台服务器运行当前的负载，另一台则处于空闲状态。
[0047] 本发明数据中心的能源调度方法是应用在包括上述异构服务器系统的数据中心 中，该方法包括以下步骤：
[0048] (1)判断数据中心当前的负载是否大于低性能服务器所能处理的负载的最大值， 如果是，则使用高性能服务器处理该负载，然后转入步骤（2)，否则使用低性能服务器处理 该负载，然后转入步骤（2);
[0049] (2)判断数据中心在时间t内所需能耗是否可以完全由外部太阳能实时提供，如 果是，则进入步骤（3)，否则进入步骤（4):具体而言，时间t 一般取值为24小时；
[0050] (3)将外部太阳能中的电量提供给正在工作的服务器（以下出现的服务器均表示 正在工作的服务器），若有未使用完的能源，则将其冲入服务器内部的电池，然后过程结束； 具体而言，如图5所示，横轴表示时间，纵轴表示服务器所需的能耗以及外部太阳能所能产 生的实时能量，图中虚线部分表示不同时间段外部太阳能所产生的能耗，实线部分表示服 务器不同时间段所需要的能耗，从图中可以看到，每个时间段内虚线部分与时间轴围成的 面积大于实线部分与时间围成的面积，故在这种情况下服务器能量全部使用外部太阳能所 产生的能量。且多余的电量冲入电池中；
[0051] (4)判断服务器的当前负载是否大于第一阈值，且当前时间是否处于高电价时间 段，如果是，则进入步骤（5)，否则进入步骤（6):具体而言，第一阈值的取值范围是当天负 载峰值的百分之八十。
[0052] (5)将外部太阳能或电池中的电量提供给服务器；具体来说，如图6为谷峰电价示 意图，一天24小时内，不同的时间段电价不同，一般的电费标准为早上八点到晚上十点电 费较高，晚上十点到早上八点电费较低。按照该策略，如图7所示，新能源应该优先使用在 电价高且负载也高的时间段，即B1至B2, B3至Μ时间段。
[0053] (6)判断服务器的当前负载是否大于第一阈值，或当前时间是否处于高电价时间 段，如果是，则转入步骤（7)，否则进入步骤（9);
[0054] (7)判断当前电池或外部太阳能中是否有多余的电量，如果是则进入步骤（8)，否 则用电网中的电量为服务器供电；
[0055] (8)将外部太阳能或电池中的多余电量提供给服务器，过程结束；如图8所示，新 能源应该使用在电价高或者负载高的时间段，即C1至C2, C3至C4时间段。具体使用先将 新能源使用到负载高的时段还是谷峰电价高的时段依据系统算法自动调整，系统算法的最 终目的为最大化地降低服务商向电力提供部分索取的电费。
[0056] (9)判断服务器的负载是否小于或等于第二阈值，若是，则进入步骤（10)，否则转 入步骤（7);具体而言，第二阈值的取值范围是当天负载峰值的百分三十到百分之五十，一 般可取百分之五十。
[0057] (10)计算太阳能充电时能量转换过程中能量的损耗，以及电池放电不完全时产生 的能量损耗，将二者求和以获得总能量损耗；
[0058] (11)获取服务器处于低利用率时使用新能量的损耗；具体而言，低利用率是指在 低负载情况下，新能源得不到充分的利用，从而由新能源的利用率低，损耗大。
[0059] (12)判断步骤（10)的总能量损耗是否大于步骤（11)的损耗，若是则使用太阳能 对服务器进行供电，否则将太阳能的电量提供给电池，然后过程结束。
[0060] 具体而言，如图9所示，一天中产生的新能源量不足以提供服务器所需要的能耗。 若时间段A1至A2方案一的能耗损失大于方案二，则使用方案二进行供电；若时间段A3至 A4, A5至A6方案二的能耗损失大于方案一，贝U负载全部由电网供电。
[0061] 另外，在新能源调度过程中，还有如下几点使用方法：
[0062] 优选地在实时新能源不足以提供所有能量时，在某个具体的时间点使用电池储存 能量或是电网能量的选择根据总体开销最小的策略决定。电池开销考虑主要有：电池存储 能量有限，某阶段使用了电池储存能量则其电池存储能量则变少，且电池有寿命即充放电 次数有限；而使用电网能量的开销即为电费开销。系统需要权衡两者的利弊后，做出最优 能量源的选择。给服务器功能的能量源组合方法有多种：如实时新能源和电池储存能量两 者一起供能；实时新能源和电网能量两者一起供能；电池储存能量和电网能量两者一起供 能；实时新能源、电池储存能量和电网能量三者一起供能。总之具体的组合方式遵循总开销 最小原则。
[0063] 优选地，在使用电池的能量时，一定在使用正在产生的新能源；若使用电池能量而 未使用实时新能源，那么当前状态一定不能产生新能源。例如，太阳能为当前系统唯一的新 能源供应能，则在晚上使用电池能量时不能产生实时新能源。这一点保证了电池不会充电、 放电一起进行。
[0064] 上述电池供能的放电过程中，电池电量不能完全放走，需要考虑电池的寿命问题， 由于电池完全放电会影响其寿命，故每次电池供能时不能使电池的能量释放完毕。需要保 留电池一部分能量。
[0065] 本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以 限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含 在本发明的保护范围之内。
【权利要求】
1. 一种数据中心的异构服务器系统，其特征在于，其包括一台高性能服务器、以及一台 低性能服务器，高性能服务器在当前数据中心的负载大于低性能服务器所能处理的负载的 最大值时工作，低性能服务器在当前数据中心的负载小于或等于该低性能服务器所能处理 的负载的最大值时工作。
2. -种数据中心的能源调度方法，是应用在包括权利要求1所述异构服务器系统的数 据中心中，所述方法包括以下步骤： (1) 判断数据中心当前的负载是否大于低性能服务器所能处理的负载的最大值，如果 是，则使用高性能服务器处理该负载，然后转入步骤（2)，否则使用低性能服务器处理该负 载，然后转入步骤（2); (2) 判断数据中心在时间t内所需能耗是否可以完全由外部太阳能实时提供，如果是， 则进入步骤（3)，否则进入步骤（4): (3) 将外部太阳能中的电量提供给正在工作的服务器，若有未使用完的能源，则将其冲 入服务器内部的电池，然后过程结束； (4) 判断服务器的当前负载是否大于第一阈值，且当前时间是否处于高电价时间段，如 果是，则进入步骤（5)，否则进入步骤（6) :(5)将外部太阳能或电池中的电量提供给服务 器； (6) 判断服务器的当前负载是否大于第一阈值，或当前时间是否处于高电价时间段，如 果是，则转入步骤（7)，否则进入步骤（9); (7) 判断当前电池或外部太阳能中是否有多余的电量，如果是则进入步骤（8)，否则用 电网中的电量为服务器供电； (8) 将外部太阳能或电池中的多余电量提供给服务器，过程结束； (9) 判断服务器的负载是否小于或等于第二阈值，若是，则进入步骤（10)，否则转入步 骤⑵； (10) 计算太阳能充电时能量转换过程中能量的损耗，以及电池放电不完全时产生的能 量损耗，将二者求和以获得总能量损耗； (11) 获取服务器处于低利用率时使用新能量的损耗； (12) 判断步骤（10)的总能量损耗是否大于步骤（11)的损耗，若是则使用太阳能对服 务器进行供电，否则将太阳能的电量提供给电池，然后过程结束。
【文档编号】G06F19/00GK104217111SQ201410442483
【公开日】2014年12月17日 申请日期:2014年9月2日 优先权日:2014年9月2日
【发明者】曹强, 周旭, 万胜刚, 谭诗诗, 谢长生 申请人:华中科技大学