數(shù)據(jù)中心高效與公平的能源性能管理.pdf

1、數(shù)據(jù)中心作為云計(jì)算服務(wù)的骨干支撐，每年都需要支付高昂的能源花費(fèi)。據(jù)預(yù)測(cè)，美國(guó)數(shù)據(jù)中心能源花費(fèi)在2020年將增至130億美元。因此，數(shù)據(jù)中心愈發(fā)重視能源管理。其中，能源管理分為能源供給管理和需求響應(yīng)：前者指如何利用更經(jīng)濟(jì)的供電源為數(shù)據(jù)中心供電，如可再生能源；后者指如何根據(jù)實(shí)時(shí)電價(jià)調(diào)整數(shù)據(jù)中心能耗在時(shí)間和空間上的分布。本文首先研究如何利用能源供給管理和需求響應(yīng)削減數(shù)據(jù)中心能源花費(fèi)。但是，只專注于削減能源花費(fèi)可能造成性能下降或其它費(fèi)用如流量花

2、費(fèi)的增加。針對(duì)這個(gè)問題，本文提出了平衡數(shù)據(jù)中心各項(xiàng)花費(fèi)及性能的方案。為了進(jìn)一步提高數(shù)據(jù)中心能源管理效率，本文設(shè)計(jì)了非侵入式的定價(jià)機(jī)制，用來激勵(lì)用戶配合數(shù)據(jù)中心削減能源花費(fèi)。具體而言，這些工作被分為以下四點(diǎn)。
　　一些相關(guān)工作假設(shè)數(shù)據(jù)中心具備對(duì)其未來能源需求準(zhǔn)確預(yù)測(cè)的能力，但該假設(shè)與實(shí)際情況不符。事實(shí)上，數(shù)據(jù)中心預(yù)測(cè)能力十分有限，而不準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)會(huì)造成種種不良后果。例如，過高的能源需求預(yù)測(cè)會(huì)導(dǎo)致不必要的電力相關(guān)花費(fèi)，而過低的能源需求預(yù)

3、測(cè)則可能導(dǎo)致數(shù)據(jù)中心供能不足。為此，本文研究在有限預(yù)測(cè)能力下，如何利用能源供給管理策略構(gòu)建經(jīng)濟(jì)的自供電數(shù)據(jù)中心。本文采用可再生能源、新型燃料電池以及儲(chǔ)電電池協(xié)同工作為數(shù)據(jù)中心供電。針對(duì)數(shù)據(jù)中心能源需求預(yù)測(cè)能力有限的問題，本文提出了在線能源供給管理機(jī)制。利用這一機(jī)制，自供電數(shù)據(jù)中心可以在只具備較短未來時(shí)期能源需求以及可再生能源供給信息的情況下，依然顯著削減其能源花費(fèi)。
　　還有一些相關(guān)工作能夠有效削減數(shù)據(jù)中心總能耗，但由于數(shù)據(jù)中心所

4、面臨的電價(jià)機(jī)制較復(fù)雜，它們并不能有效削減能源花費(fèi)。例如，數(shù)據(jù)中心能源花費(fèi)可能主要由其尖峰用電功率決定。這種情況下，對(duì)于削減能源花費(fèi)，最有效的做法是“抹平”數(shù)據(jù)中心用電功率而非削減其總能耗。為此，本文研究在復(fù)雜電價(jià)機(jī)制下，如何利用需求響應(yīng)策略削減數(shù)據(jù)中心的能源花費(fèi)。同時(shí)，針對(duì)數(shù)據(jù)中心大量業(yè)務(wù)對(duì)服務(wù)性能敏感的問題，確保能源管理過程中數(shù)據(jù)中心服務(wù)性能對(duì)任意業(yè)務(wù)都是可以接受的。利用本文的研究成果，數(shù)據(jù)中心可以針對(duì)實(shí)時(shí)電價(jià)信息制定恰當(dāng)?shù)男枨箜憫?yīng)策

5、略，通過削減或者時(shí)移其能耗，顯著減少它的能源花費(fèi)。
　　另一些相關(guān)工作能夠有效削減數(shù)據(jù)中心能源花費(fèi)，但卻是以犧牲服務(wù)性能或者增加其它花費(fèi)為代價(jià)實(shí)現(xiàn)的。例如，將負(fù)載推遲到電價(jià)相對(duì)較低時(shí)處理會(huì)顯著增加服務(wù)時(shí)延，而將負(fù)載轉(zhuǎn)移到用電單價(jià)相對(duì)較低的數(shù)據(jù)中心處理則會(huì)增加數(shù)據(jù)中心間的數(shù)據(jù)傳輸，從而使得流量花費(fèi)增加。為了應(yīng)對(duì)這個(gè)問題，本文首先提出了可嚴(yán)格推導(dǎo)的流量花費(fèi)數(shù)學(xué)模型及流量管理策略，接下來設(shè)計(jì)了平衡數(shù)據(jù)中心各項(xiàng)花費(fèi)以及服務(wù)性能的解決方案。

6、利用這些工作，數(shù)據(jù)中心一方面能夠有效削減其流量花費(fèi)；另一方面也可以在能源花費(fèi)、服務(wù)性能以及流量花費(fèi)三者間取得恰當(dāng)折衷。
　　絕大部分相關(guān)工作只能在給定負(fù)載調(diào)整權(quán)限內(nèi)進(jìn)行能源管理，這意味著有限的能源管理靈活度。例如，一個(gè)數(shù)據(jù)中心運(yùn)行著大量科學(xué)計(jì)算任務(wù)，每個(gè)任務(wù)都要求在極短時(shí)限內(nèi)處理完成。這種情況下，為了保證服務(wù)性能，數(shù)據(jù)中心不能為了能源管理推遲處理任何一個(gè)任務(wù)。針對(duì)數(shù)據(jù)中心能源管理靈活度低的問題，本文設(shè)計(jì)了非侵入的計(jì)費(fèi)機(jī)制為用戶提供