[论文解读] Green Data Centers: A Survey, Perspectives, and Future Directions

Xibo Jin, Fa Zhang+2 more|arXiv (Cornell University)|Aug 2, 2016

Cloud Computing and Resource Management参考文献 112被引用 29

一句话总结

本文综述了绿色数据中心技术，重点关注能效、资源管理、热控以及绿色度量指标。提出对现有技术（如动态电压频率调节、虚拟机整合及气流优化）的全面分析，并识别出实现可持续、高能效数据中心的关键研究挑战。

ABSTRACT

At present, a major concern regarding data centers is their extremely high energy consumption and carbon dioxide emissions. However, because of the over-provisioning of resources, the utilization of existing data centers is, in fact, remarkably low, leading to considerable energy waste. Therefore, over the past few years, many research efforts have been devoted to increasing efficiency for the construction of green data centers. The goal of these efforts is to efficiently utilize available resources and to reduce energy consumption and thermal cooling costs. In this paper, we provide a survey of the state-of-the-art research on green data center techniques, including energy efficiency, resource management, thermal control and green metrics. Additionally, we present a detailed comparison of the reviewed proposals. We further discuss the key challenges for future research and highlight some future research issues for addressing the problem of building green data centers.

研究动机与目标

• 应对因利用率低和过度配置导致的数据中心能耗增长与碳排放增加问题。
• 识别当前数据中心运营中的低效问题，包括服务器利用率不足和冷却能耗浪费。
• 系统性回顾绿色数据中心技术在能效、资源管理、热控及度量指标方面的现有方法。
• 揭示研究空白，并提出可持续数据中心设计与运行的未来研究方向。

提出的方法

• 对四个领域（能效、资源管理、热控及绿色度量指标）的绿色数据中心技术最新研究进行了综述。
• 评估了GreenCloud、GDCSim和SimWare等仿真工具在建模功耗、热行为及资源分配方面的应用。
• 分析了包括动态频率调节、关机机制及CPU与网络组件的DVFS在内的功耗管理技术。
• 审查了虚拟机分配与网络流量工程策略，以提升资源利用率并减少能耗浪费。
• 研究了冷却与工作负载分布等热控方法，以及温度与可靠性之间的权衡。
• 提出了绿色度量指标、监控系统及实验平台的设计准则，以支持可扩展、高精度的能效评估。

实验结果

研究问题

• RQ1 当前数据中心中能源浪费的主要原因是什么？通过运管优化可如何缓解？
• RQ2 动态功耗管理技术（如DVFS和关机机制）在降低数据中心能耗方面的有效性如何？
• RQ3 虚拟机整合在提升资源利用率和降低能耗方面发挥何种作用？
• RQ4 气流优化与CRAC控制等热控策略如何降低冷却成本并提升效率？
• RQ5 绿色度量指标、监控系统及仿真平台的关键设计原则是什么？

主要发现

• 数据中心通常仅以6%至12%的利用率运行，尽管功耗需求高，却造成巨大能源浪费。
• 2013年美国数据中心能耗估计达910亿千瓦时，预计到2020年将上升至1400亿千瓦时。
• 全球数据中心电力需求从2011年到2012年增长63%，达到38吉瓦，预计到2020年将占全球用电量的8%。
• GreenCloud与GDCSim等仿真工具可实现对功耗与热行为的详细建模，支持绿色数据中心的迭代设计。
• 气流管理与CRAC控制等热控策略显著减少了与冷却相关的能源浪费。
• 当前监控与仿真平台通常粒度粗略且局限于特定组件，限制了系统级优化，亟需更集成化、可扩展的解决方案。