绿色数据中心的能耗管理关键问题研究

Due to the continued shortage of energy as well as the deterioration of natural environment, many countries have converted their energy strategies to developing the renewable energy, improving energy efficiency and cutting carbon dioxide emission. Meanwhile, with the dramatical increase in data center energy consumption and its associated costs, green datacenter, which is partially or completely powered by renewable energy, is now attracting more and more attention. However, the inherent intermittent nature of renewable energy leads to low usage effectiveness and brings new challenges to data center power management. The goal of this project is to study how to exploit green energy for lowering brown energy consumption and energy costs in datacenters. Our research will begin with characterizing and modeling the workload by exploring the impact of intermittent on workload. Based on these models, we will design workload scheduling and power control strategies. Furthermore, we will explore the feasibility of providing green service, and design the policies to guarantee the Green Service Level.

由于能源的持续紧缺以及自然环境的恶化，许多国家的能源战略都转变为大力发展可再生能源，提高现有能源利用效率以及减少二氧化碳排放。而随着数据中心能耗及其相关成本的急剧增加，绿色数据中心也受到越来越多的关注。绿色数据中心是指部分或全部由绿色能源供电的数据中心。而绿色能源天然的间歇性（intermittent）却造成其使用率偏低。本课题以提高绿色能源的使用率和数据中心的稳定性为目标，通过分析绿色能源波动性对于负载行为的影响，提取相关特征并建立模型；以此为基础，设计数据中心负载调度和能耗控制策略。同时，课题将探索数据中心提供“绿色”服务的可行性，提出绿色服务等级(Green Service Level)，并设计确保绿色服务等级的机制。本研究以绿色数据中心的能耗管理为切入点，旨在降低数据中心传统能源（brown energy）的使用量和运营成本，同时提高绿色服务质量，为加速绿色数据中心的发展打下基础。

随着信息产业的不断发展，对于数据中心的作用也越来越重要，其规模和数量都呈指数级增长，随之带来的是数据中心能耗以及电费成本的剧增。同时，由于目前发电主要采用的是化石燃料，所以高能耗也带来了诸多环境问题，例如温室气体的排放。为了缓解数据中心高用电量带来的经济负担和环境问题，学术界和工业界开始倡导利用可再生能源（即绿色能源）为数据中心供电，这样的数据中心被称作绿色数据中心。然而，绿色能源（风能、太阳能）其固有的间歇性却给数据中心能耗管理带来了巨大的挑战。为了应对该挑战，本课题对相关问题进行了深入而细致的研究。其核心思想为通过负载调度和能耗控制，使数据中心的用电量与绿色能源供给相匹配。课题取得的主要研究成果如下：1. 在能耗模型方面，提出了计算负载的性能和能耗模型以及异构处理器的能耗模型，相关模型都在原型系统中得到验证，准确率较高，为后续研究工作打下基础。2. 在负载调度与能耗控制方面，提出了一种针对混合负载的调度策略，该策略不依赖于对于绿色能源的预测，而是根据在线算法决定负载调度，最高可节约电费达35%。3. 在绿色服务方面，提出了一种基于负载使用率的绿色服务模型，在此基础之上，设计了购买绿色服务的竞价模型，并设计了一种最优定价策略，提高服务提供商的收益。4. 在用电成本管理方面，首次提出了分布式数据中心可以利用序贯竞价（sequential bidding）的方式参与电力市场，将该竞价问题建模为一个马尔科夫决策过程，接着刻画出最优成本函数的性质，并以此为基础设计最优竞价策略，可为服务提供商节约电费10%以上。课题还开发了原型系统和仿真平台，并在其上验证了模型的准确性和算法的效果。课题产出的相关研究成果在华为探索未来ICT能源管理关键技术的项目中得到应用，部署在华为2012实验室的实验平台上，取得了良好的效果。