AIX和POWER上的绿色计算

定义和演变：IBM 绿色计算

您经常会听到绿色计算，但是绿色计算究竟是什么呢?它为什么如此重要?IBM 在绿色计算方面有哪些成果?从本质上说，绿色计算定义一种对环境负责任的部署计算机资源和技术的方式。但是，我们为什么应该关心绿色计算呢?简单地说，客户越来越关注环境问题，因此作为有责任心的个人或公司，应该努力实现绿色计算，这么做会有直接和间接两方面的好处。直接的好处是降低运营业务的成本，间接的好处是对环境更友好。

实现绿色计算的最大难点在于服务器、机架和数据中心。IBM(尤其是 POWER6)在这三方面都取得了重大进展。IDC 通过各种研究发现，对于每一美元硬件成本，实际上会在电力方面另外花费大约 50 美分，这个数字到 2011 年预计会增加到 71 美分。在传统的数据中心中，55% 的电力用在供电和冷却方面，其余部分用于服务器管理。在当今的社会中，能源成本正在快速增加，而且许多国家即将对碳排放收税;因此，无论从财务、法律还是道德方面来说，这种趋势都要求以负责任的方式实现计算机技术。财务处罚已经在许多国家实施了，而且会越来越普遍。您的公司是希望成为前瞻性的组织，及早严肃考虑环境问题，还是后知后觉，到面临收入损失的风险时才采取措施?

IBM 在负责任的计算方面长期处于领先地位。IBM 在帮助自己和客户实现绿色计算方面投入了大量资金，具备丰富的经验。例如，在 1990 年到 2005 年之间，早在绿色计算成为热门主题之前，IBM 的 Global conservation efforts 实际上已经在 1990 年的基础上把碳排放降低了 40%。芯片生产商总是迫切希望开发出更快更小的晶体管，这常常会产生更多热量，消耗更多电力。温度升高会增加电力消耗，还需要更强的冷却。尽管更紧凑的芯片能够减少数据中心所需的金属材料，但是多年以来数据中心中的系统数量实际上一直在增长。这是因为，随着芯片性能的增长，用户对应用程序和数据库的要求也越来越高了。另外，这些小芯片让生产商能够生产更小的可以安置在机架上的系统，这提高了数据中心的计算能力，但是也增加了电力和冷却需求。尽管虚拟化确实有助于减少支持实例所需的物理机器数量，但是它也要求 IT 大大提高部署新实例的效率。技术越好，要求也就越高。研究表明，尽管采用了虚拟化，数据中心中的服务器数量仍然增加了 18%。

Project Big Green

2007 年 5 月，IBM 宣布投资 10 亿美元提高他们自己的数据中心和使用它们的客户的能源效率。这个计划称为 “Project Big Green”，它以数据中心为目标，世界各地超过 800 位电力工程师参与了这个计划。这个计划最终把数据中心的成本平均降低了 42%。这个计划覆盖五个领域：诊断(评估现有的能力)、构建(计划数据中心的构建)、虚拟化(虚拟化基础结构)、管理(使用软件管理过程)和冷却(使用液体冷却资源)。这个计划的主要部分是主动能源管理，它能够管理数据中心中的设备、冷却和电子系统。

启动 Project Big Green 计划的主要动力之一是纯运营性的，也就是说，由于数据中心的能源需求和热量问题，客户很难部署新的服务器，Project Big Green 试图解决这个问题。随着企业对数据中心的依赖性和数据容量的增加，冷却成本显著增加了，这使成本成为一个重要的因素。社会和环境因素也是考虑的因素之一。毫无疑问，迫于消费者、股东甚至政府的压力，客户希望提高系统的能源效率。随着全社会的环境意识的增强，这种压力会一直增加。IBM 已经与业务伙伴一起启动了一个计划，帮助他们开发效率更高的程序。随着公司承担的环境责任越来越大，硬件厂商需要采取相应的措施。IBM 很早就在这方面开始行动了。

IBM 最近启动了一个 Big-Green 服务，它帮助客户解决前面提到的五个数据中心领域的问题：诊断、构建、虚拟化、管理和冷却。这个项目的重要部分是 IBM 的移动测量技术，这种技术可以测量数据中心中的温度，寻找空气泄漏和其他问题。除此之外，IBM 还将为高密度计算提供热量分析，提供更多节省能源的方法。

POWER6

POWER6 基于 IBM 的 65 纳米技术。这种技术减小了芯片的大小，让工程师能够降低处理器的总消耗。同时，IBM 还在不增加能源成本的情况下把频率提高到了 4.7 GHz。在提高频率的同时，IBM 保持管道阶段数量不变。这是在一个时钟周期内必须完成的操作数量。性能提高一倍，而热量却没有增加，这可能是 POWER6 中令人印象最深的创新。芯片本身的设计支持隔离那些支持低电压有困难的电路。这允许进一步降低芯片中其他电路的电力消耗。

在没有工作时，可以关闭时钟本身，在需要时再重新打开。这种能力源于 POWER6 的 PowerSave 模式，这种模式可以降低电压和系统的频率，能够节省电力使用量大约 30%。POWER6 处理器在空闲时的电力消耗实际上会下降 35%。另外，还可以根据需要打开和关闭内存，这有助于平衡服务器工作负载，进一步降低能源消耗。

其他 POWER6 创新包括：

IBM 的 POWER6 JS22 刀片服务器(第一种使用 POWER6 的服务器，于 2007 年推出)。IBM 的 BladeCenter® 具备一个共享的电源基础结构，它提供更高效的电力供应，即使在最低负载下也可以达到最高效率，与其他电源供应相比节省大约 28% 的电力消耗。IBM 的校准向量冷却技术为每个组件提供两条空气路径，这能够延长系统的寿命，减少浪费的空气流动，从而进一步节省系统的成本。

IBM 的 Power 575。为了提高机架密度，IBM 开发了一种新的模块化水冷和分布系统。这个系统包含一个后侧散热器，它可以把服务器本身生成的热量的 60% 散发出去。下一代系统甚至可能能够散发 100% 的服务器热量。想像一下吧，这样的环境根本不需要冷却了!

PowerVM™ 虚拟化技术。动态分区可移动性(POWER6 的一项虚拟化创新)让客户可以通过重新定位和整合正在运行的分区来节省能源，这还可以增加资源的自由度。还可以对不需要的服务器停止供电。

EnergyScale™

EnergyScale 是 POWER6 中的另一项重要创新，它提供对电源和冷却的控制能力，支持更好的设备规划、能源控制和系统可用性。它还有一个电力封顶模式，这允许用户跨系统配置最高电力水平。数据中心操作员可以用这个特性限制某些服务器使用的电力，确保系统不超过特定的电力消耗量。通过这样做，操作员就可以把数据中心的电力留给真正需要电力的服务器。这个特性在所有 POWER6 系统上都可以使用。

EnergyScale 的其他重要特性包括：

电力趋势。这个特性可以实时地收集电力消耗数据。使用量数据本身由 IBM Systems Director 的新组件 Active Energy Manager 显示。可以每天、每周或每月监视一次消耗量。一定要注意，对于 Power 560 和 570 机型，需要通过 Intelligent Power Distribution Unit 为计算机供电。其他系统具有内置的电力仪表，不需要添加组件。

热量报告。这项创新允许把处理器频率和电压降低固定的量。这可以在保持最高性能的同时减少系统的电力消耗。Active Energy Manager 能够启用和禁用 Powersaver 模式。例如，在工作负载水平很低的周末可以使用这个特性。

能源优化的风扇控制。这适用于 POWER6 系统上的固件，可以根据电力消耗和温度等因素调整风扇速度。

NAP 核。处理器有一种低电力模式，它在没有工作时停止处理器执行。这种模式称为 nap 模式。当操作系统检测到一个线程空闲时，把对硬件的控制权交还给系统管理程序，这会使线程进入 nap 模式。

EnergyScale for I/O。Power 系统现在可以停止对不使用的可插拔 PCI 适配器槽供电，每个插槽可以节省大约 14 瓦电力。当插槽从分区删除时，就会停止供电。所有 POWER6 处理器系统都支持这种模式。它只适用于可热插拔的 PCI 插槽。

处理器伸缩。这种技术会动态地调整分配的处理器数量，尽可能与工作负载匹配。在中低水平的工作负载下，它有助于节省能源。工作负载越大，可用的处理器就越多。这与使用逻辑分区调整相似，但是效率高得多，因为它不影响分区的配置，也不影响分区本身的处理器利用率。

Active Energy Manager

Active Energy Manager (AEM) 是 PowerExecutive 的下一代产品，PowerExecutive 以前只能在 x86 系统上使用。它由 IBM System Director 驱动，可以用来监视和管理服务器需求。如果使用得当，AEM 可以降低服务器的电力使用量，降低系统的冷却消耗，判断机架组件的电力使用量，判断电力/热量变化趋势，分析能源消耗，从而帮助进行容量规划。从 4.1 版开始，它是 POWER6 服务器上的 EnergyScale 功能的首选用户界面，从 IBM Director 6.1 运行它。可以把 Active Energy Manager 的实例连接到其他许多平台，包括 System i®、System p®、System z® 和 System x®。有针对每种环境类型的客户机代理。这种集成还提供一些新特性，包括配置与电力、温度和 CPU 速度相关的事件，为 POWER6 服务器配置节电模式，扩展电力限制范围，以及命令行支持。一定要注意，IBM System Director Console for AIX 是 AIX 6.1 的组成部分，只需有 Web 浏览器就可以使用它。

AIX 6.1 - 工作负载分区 (WPAR)

毫无疑问，虚拟化可以节省电力和冷却成本。在现有系统上可以划分的分区越多，利用率就越好。WPAR 是 AIX 6.1 的一项创新，它在传统的基于系统管理程序的逻辑分区之外支持操作系统虚拟化。它允许在一个主机和操作系统内核中运行多个工作负载环境。因此，现在可以运行一个 AIX 6.1 实例，并通过使用 WPAR 在这个实例中建立四个不同的测试环境，它们看起来就像单独的操作系统实例一样。在 WPAR 出现之前，需要在物理服务器中划分单独的逻辑分区 (LPAR)。

AIX 6.1 的这个新特性有助于减少支持逻辑环境所需的物理设备数量。尽管确实可以只为逻辑分区配置最低数量的物理设备，但是 WPAR 显然是效率最高的创建新环境的方法。这是一项纯粹的 AIX 创新，与 POWER6 无关。另外，另一项 AIX 6.1 创新(动态应用程序可移动性)支持把正在运行的 WPAR 从一个 LPAR 转移到另一个 LPAR，而不需要停止应用程序或分区。IBM 是第一家实现此特性的厂商。数据中心操作员可以使用此特性移动工作负载，让物理服务器可以在非高峰时段休眠，从而促进节约能源。在 Power5™ 服务器甚至 Power4™ 上也可以使用此特性!

整合和虚拟化：服务器和数据中心

毫无疑问，服务器整合和虚拟化是相互关联的。简单地说，服务器整合支持垂直扩展 —— 把大型、低效且分散的传统服务器群整合为数量更少、可伸缩性更强的服务器。这可以通过 PowerVM 来完成，PowerVM 是 IBM 的 Power 虚拟化产品，支持 AIX 和 Linux® 操作系统。服务器整合意味着用更少的硬件资源做相同甚至更多的工作。使用更少的硬件资源意味着花在物理设备的电力和冷却方面的钱更少。IBM 已经发布了关于 POWER 服务器的一些案例研究，它们证明 POWER 确实可以显著地节省能源。

Pacific Gas and Electric 把 300 台服务器整合为 6 台 POWER 服务器，这使能源消耗降低了大约 80%(见 参考资料)。另外，IBM POWER 服务器的 Door Heat eXchanger 水冷技术使热量降低了大约 60%。通过 IBM 的基于系统管理程序的虚拟化方法，PowerVM 支持在每个物理核上创建最多 10 个逻辑分区。它还支持 Symmetric Multi-Threading (SMT)，这个特性允许在同一个物理处理器上运行两组单独的指令，这会进一步提高吞吐量大约 30%，从而减少所需的硬件。

近几年，尤其是随着服务器和数据中心整合的出现，已经出现了从分布式系统向数据中心转移的趋势。在上世纪 80 年代和 90 年代早期，典型的数据中心很少见，而到处有分布式服务器。后来企业认识到了分布式服务器效率低下，有许多方面的问题，比如弹性、维护成本、灾难恢复、系统备份等等，所以又开始转向数据中心了。这一趋势有什么影响呢?

为了应对这一变化，数据中心本身需要在电力、冷却和内存使用量方面加以改进。POWER 服务器究竟会消耗多少电力?IBM p575 的重量大约与一辆小汽车相当，电力消耗为每小时 32 kW，这足以为大多数家庭供暖。IBM 已经开始提供预先配置的模块化数据中心(500 到 1000 平方英尺)，它们实际上可以在不到四个月内配置好。那么，数据中心整合如何促进绿色计算呢?维护的数据中心和服务器越少，数据中心成本就越低。POWER 体系架构支持 AIX 和 Linux，因此可以提供更多整合机会。它允许围绕 POWER 体系架构整合 Linux 操作系统，避免使用难以维护的一般 PC。与 PowerVM 有关的一项创新是 PowerVM Lx86，它支持在 POWER 上运行 x86 Linux 应用程序，而不需要本机编译。这个特性实际上大大增强了围绕 POWER 体系架构进行整合的能力!

IBM：Big Green 创新

IBM Big Green 团队通过应用科学原理、建模工具和业务经验解决与环境相关的各种管理问题。他们当前致力于 Advanced Water Management、Alternative Energy 和 Computational modeling 等领域。最近的主要成果包括：

在 2009 年 3 月中旬，IBM 宣布了一个新的 Public Sector Energy and Enviremental Diagnostic 咨询服务器和战略性水信息管理解决方案平台，这两项创新有助于更好地管理环境。

IBM 刚刚宣布启动战略性碳管理服务，这个咨询服务帮助企业制订更智能化的碳排放计划。它可以帮助企业为减少能源使用量和碳排放量以及降低成本制订战略性目标。IBM 的目标是把碳排放量降低 50%。不断提高的能源价格显然是一个重要因素。降低碳排放量也很重要，二氧化碳是主要的温室气体，是造成全球变暖的根本原因。

结束语

多年以来，绿色计算一直是 IBM 总体数据中心战略的组成部分。在近几年，随着大量创新的出现，IBM 已经把绿色计算引入了 Power 和 AIX 系统。在过去几年，POWER6 和 AIX 6.1 已经取得了显著的进步，提供许多绿色计算创新。IBM 还把 EnergyScale 等技术集成到 POWER 体系架构中，这提供了更多绿色计算机会。数据中心和服务器整合项目也是推动绿色计算的因素，这些项目可以轻松地实现绿色计算的许多好处。这些好处包括节省成本、对环境更友好以及满足法律的要求。IBM 会继续在绿色计算方面不断创新，保持其领先地位。