基于软件定义的绿色数据中心能耗管理与优化方法研究

Efficient and flexible energy management has become a crucial issue for green data centers to reduce the electricity cost and alleviate the increasing serious pollution of carbon emissions. However, the existing energy management methods for data centers are inefficient and lack a logical control and strategy customization mechanism, which can be configured dynamically to support the separation between concrete operations and strategies. To deal with this problem, this project will focus on software-defined energy management models and optimization methods for green data centers. We aim to reduce the energy cost and carbon emissions by integrating the technologies of software-controlled power supply, context-aware workload scheduling, collaborative control of power supply and workload scheduling, software-defined energy management architecture, dynamical and joint optimizations. We first establish the modeling of software-controlled power supply and context-aware workload scheduling, and then propose the software-defined energy management architecture for green data centers, by using the latest idea and technology of software-defined everything and the cooperative control of power supply and load scheduling. Furthermore, we develop two software-defined energy management and optimization methods that can minimize the energy cost and carbon emissions for green data centers based on the dynamical and joint optimizations. We also evaluate the proposed methods through theoretical analysis and simulations.

如何对绿色数据中心进行高效、灵活的能耗管理，降低不断激增的电力成本、缓解日益严重的碳排放污染成为至关重要的课题。然而，现有的数据中心能耗管理方法效率不高，并缺乏一套支持具体操作与策略分离、可动态配置的逻辑控制及策略定制机制。本课题将围绕这一问题展开研究，以基于软件定义的绿色数据中心能耗管理与优化方法为研究对象，以软件控制的供配电和负载调度建模、供配电和负载调度的协同控制、软件定义的能耗管理架构、动态及联合优化等多种技术的有效集成并实现全局优化为研究内容，以降低绿色数据中心能耗成本及碳排放量为研究方向。首先建立软件控制的绿色数据中心供配电和负载调度模型；然后引入最新的“软件定义”思想及技术，建立基于供配电和负载调度协同控制的软件定义能耗管理架构；接着采用动态及联合优化等理论，实现面向能耗成本和清洁能源优化的软件定义能耗管理方法，并通过理论分析和仿真实验对所提方法的实用性和效率进行验证。

随着云计算和大数据的迅猛发展，数据中心作为其支撑平台在全球范围内得到广泛部署，其高能耗、高费用、高污染等问题也日益突出。由于新能源具有不稳定性、间隙性等特点，再加上云应用负载的动态性和复杂性，使得新能源在数据中心中的高效可靠应用面临诸多挑战。如何对绿色数据中心进行高效、灵活的能耗管理，降低不断激增的电力成本、缓解日益严重的碳排放污染成为至关重要的课题。项目针对传统能耗管理模型、策略及方法在绿色数据中心环境下凸显出来的诸多不足，特别是可配置及灵活性不够、优化效率不高，从绿色数据中心能耗供应和需求分配两个角度出发，引入最新的“软件定义”思想及技术，围绕基于软件定义的绿色数据中心能耗管理与优化方法展开研究。主要研究内容包括软件控制的供配电建模、应用感知的负载调度建模、基于供配电和负载调度协同控制的软件定义能耗管理架构、以及面向能耗成本和清洁能源优化的软件定义能耗管理方法。主要创新工作包括：1）提出了基于软件定义思想的绿色数据中心能耗管理架构，将能耗管理控制与具体操作解耦合，实现了绿色数据中心能耗管理集中控制与策略灵活定制的需求；2）提出了绿色数据中心供配电和负载调度的协同控制模型，该模型针对绿色数据中心更为复杂的系统环境及更为灵活的能耗管理应用需求，在面向能耗管理与优化的过程中综合考虑了供配电和负载调度等多方面的因素；3）提出了面向能耗成本和清洁能源优化的软件定义能耗管理方法，该方法针对实时型的交互、Job型的任务、数据中心之间批数据传输三类典型服务，以及能耗成本、碳排放两类主要优化目标进行针对性的设计和优化，实现能耗成本最优和碳排放最小的服务调度优化。项目成果在IEEE TCC、IEEE T-SUSC等领域权威期刊，以及RTSS 2019（CCF A类）、DASFAA 2020（CCF B类）等领域权威会议上发表论文10余篇，申请国家发明专利2项。项目的成功实施对解决绿色数据中心能耗管理面临的灵活性及效率升等难题，具有重要的理论意义和应用价值。