有人把云計算技術(shù)視為個人電腦、互聯(lián)網(wǎng)之后的第三次革新浪潮，認為它即將甚至已經(jīng)從根本上改變整個信息產(chǎn)業(yè)的格局，改變?nèi)祟愂褂糜嬎銠C的習慣和方式，因此云計算技術(shù)得到了迅猛發(fā)展。但是，它改變世界的同時，自己也需要被改變：由于云計算規(guī)模越來越大，它對能源與環(huán)境的影響已越來越突出，能效問題是云計算發(fā)展道路上必須要跨過的障礙。

在云計算出現(xiàn)之前，想要大量儲存和處理數(shù)據(jù)只能自己搭建服務(wù)器系統(tǒng)。這不僅需要很多IT知識，還需要很高的成本，云計算技術(shù)的出現(xiàn)改變了這一切。所謂“云服務(wù)”，是指通過互聯(lián)網(wǎng)，讓很多用戶共享軟硬件資源，按照用戶需求提供計算機等設(shè)備。于是，用戶不再需要了解“云”中的基礎(chǔ)設(shè)施細節(jié)，也不需要擁有相關(guān)的專業(yè)知識，就能隨時隨地處理和存儲大量數(shù)據(jù)。因為他們不用負責控制“云”中的設(shè)備和軟件，只需要付出相對低廉的費用，把技術(shù)細節(jié)交給云服務(wù)的提供商來處理就好。

通過互聯(lián)網(wǎng)，用戶可以非常方便地使用云服務(wù)，因此互聯(lián)網(wǎng)上的“云”正迅速擴張，變得越來越龐大，甚至能把產(chǎn)業(yè)鏈的不同環(huán)節(jié)整合在一起。此外，云計算還讓一些很有想象力的應(yīng)用成為現(xiàn)實。

云服務(wù)提供商集成的大量存儲和計算資源能形成規(guī)模效應(yīng)，用戶可以隨時根據(jù)需要購買相應(yīng)服務(wù)，而不需要為了短暫的高峰需求購買大量資源。從這個意義上說，云服務(wù)比本地服務(wù)更加節(jié)約資源和能源。根據(jù)模擬軟件CLEER的估算，如果所有的美國公司都把自己的電子郵箱程序、電子表格應(yīng)用和客戶管理軟件都轉(zhuǎn)移到集中的云服務(wù)器里，就可以把計算耗能降低87%，節(jié)省下的能源足夠讓洛杉磯運轉(zhuǎn)一年。

云計算的好處顯而易見，但隨著其規(guī)模越來越大，云計算本身的能耗越來越不可忽視。今天，云計算的耗電量已經(jīng)超過全球總耗電量的1%。而且，把資源聚集在一起形成規(guī)模效應(yīng)本身也有成本。云計算服務(wù)商需要專門建設(shè)數(shù)據(jù)中心，并在數(shù)據(jù)中心里安置成百上千臺服務(wù)器、處理器和硬盤設(shè)備。這些設(shè)備運行時會散發(fā)大量熱，因此數(shù)據(jù)中心需要額外的支持設(shè)備(比如散熱系統(tǒng))來維護正常運作，互聯(lián)網(wǎng)公司谷歌甚至專門成立了能源部門為自己的數(shù)據(jù)中心供能。

一般來說，一個占地500平方米的數(shù)據(jù)中心每天消耗的電力就高達38000度，這一數(shù)字超過了3500戶歐洲家庭日用電量的總和。從2000年到2007年，全世界數(shù)據(jù)中心的耗電量已從700億度增至3300億度，到2020年預計將超過1萬億度。此外，在2014年，只有8.5%的數(shù)據(jù)中心負責人預計在2015年后數(shù)據(jù)中心的容量仍然夠用，到2020年時，75%的數(shù)據(jù)中心必須要擴容。因此，到2020年，預計數(shù)據(jù)中心的建設(shè)規(guī)模幾乎將是2010年的兩倍，達到780億美元，這讓云計算的能效、對環(huán)境的影響等問題更為突出。

所以，從上述數(shù)字可以看出，為云計算設(shè)計高能效的解決方案已經(jīng)是迫在眉睫的問題。

能耗的根源

云計算系統(tǒng)有幾個不可或缺的部分。首先，它需要大量的硬件設(shè)備來存儲并處理數(shù)據(jù)。這些硬件設(shè)備包括放置在機柜內(nèi)的計算和存儲服務(wù)器，以及處理器、內(nèi)存、硬盤等服務(wù)器組件。其次，在服務(wù)器之間，服務(wù)器與用戶之間需要連接，所以網(wǎng)絡(luò)也必不可少，它是連接用戶與計算、存儲等云資源的橋梁。此外，數(shù)據(jù)中心還需要專門的軟件來監(jiān)控和管理云計算的基礎(chǔ)設(shè)施，這些軟件就是云管理系統(tǒng)(簡稱CMS)。最后，云服務(wù)商還需要安裝合適的應(yīng)用軟件，幫助用戶使用云服務(wù)。

這幾個部分都需要消耗大量的能源，也都會損失和浪費很多能源，比如在夜間溫度較低時，散熱系統(tǒng)仍在全速運行，或者系統(tǒng)在運行，卻沒有為用戶提供服務(wù)。2003年，單機柜服務(wù)器的功率密度在0.25千瓦到1.5千瓦之間，而到了2014年，這個數(shù)字上升至10千瓦，預計到2020年會上升至30千瓦。而且，大多數(shù)服務(wù)器空載時的功率超過峰值功率的50%，服務(wù)器的平均利用率一般只有10%到50%。因此，一部只以20%性能運行的服務(wù)器的能耗，可能相當于它滿載時能耗的80%?？紤]到僅在2013年最后一個季度，新服務(wù)器的出貨量就超過250萬臺，提高服務(wù)器的能效就成為第一要務(wù)。

而在網(wǎng)絡(luò)環(huán)節(jié)，主要有3個地方會消耗能源：數(shù)據(jù)中心內(nèi)部的連接、不同數(shù)據(jù)中心間的網(wǎng)絡(luò)連接，以及讓外部用戶訪問的固定網(wǎng)絡(luò)和無線網(wǎng)絡(luò)。在目前的數(shù)據(jù)中心，網(wǎng)絡(luò)成本占所有運營費用的10%，這個數(shù)字還可能隨著互聯(lián)網(wǎng)流量的增加上漲到50%。

如果服務(wù)器空載，就會耗費大量能源。如果網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)不適合云應(yīng)用，信息的傳輸途徑也會發(fā)生改變，網(wǎng)絡(luò)的某些部分就無法得到充分利用，能源浪費就會加劇。

由于信息技術(shù)的能耗越來越高，在數(shù)據(jù)中心的設(shè)備中，監(jiān)控和管理云計算的基礎(chǔ)設(shè)施就變得很重要，云管理系統(tǒng)的作用就是提高數(shù)據(jù)中心的能效。如果使用不當，云管理系統(tǒng)本身也會浪費能源。應(yīng)用設(shè)備(如Java虛擬機)的運行通常都會產(chǎn)生日常能源消耗，如果應(yīng)用設(shè)備性能不佳，就需要更多服務(wù)器，消耗更多的能源。

硬件優(yōu)化之路

提高能效的第一步是升級網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，增加節(jié)能模式，減少網(wǎng)絡(luò)設(shè)施在未被充分使用時的耗電量。如果能把未使用的端口、連接和交換機完全關(guān)閉，它們就不會因為空轉(zhuǎn)而耗能了。

升級后，設(shè)備的熱載荷也會下降，這又會降低散熱系統(tǒng)的能耗，提升系統(tǒng)的穩(wěn)定性。不過，只調(diào)整網(wǎng)絡(luò)設(shè)備是不夠的，因為當網(wǎng)絡(luò)連通性降低時，系統(tǒng)性能也會下降。所以，還需要調(diào)整網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，讓網(wǎng)絡(luò)流量可以沿著多個路徑傳播，或只通過少數(shù)幾個高能耗的關(guān)鍵路徑發(fā)送，而網(wǎng)絡(luò)中的其他部分則進入低能耗模式。這種方案還可用于數(shù)據(jù)中心間的網(wǎng)絡(luò)，充分挖掘網(wǎng)絡(luò)帶寬，因為批量傳輸所需的成本比單獨傳輸要低。

除了降低數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪芎模瑑?yōu)化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)還可以降低基站的發(fā)射功率——基站是云端與終端之間傳輸信息的橋梁。連接手機的大型基站覆蓋面積較大，基站和手機間的距離通常也很遠，所以需要相當大的發(fā)射功率，才能保證大范圍內(nèi)的手機通信，但這樣一來，能耗無疑很高。為了降低能耗，我們可以充分利用與用戶更近的小型基站。現(xiàn)有的研究表明，在城市地區(qū)使用小型基站，可以使空載模式下的能耗降低至原來的1/46。

服務(wù)器和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備相似，如果可以根據(jù)負載自動調(diào)節(jié)功率和性能，就能降低能耗。今天的CPU、內(nèi)存和硬盤都可以選擇負載和空載兩種模式，并相應(yīng)調(diào)節(jié)電壓和頻率以降低能耗。為了延長硬盤空載時間，CPU會優(yōu)先從緩存中讀取信息，只有在緩存中找不到數(shù)據(jù)時，服務(wù)器才會訪問硬盤。緩存本身也能優(yōu)化甚至關(guān)掉部分未用緩存。最終，新的低功耗緩存技術(shù)可以和現(xiàn)有技術(shù)相結(jié)合，在保持性能的同時降低能耗。

服務(wù)器機柜的設(shè)計也會影響散熱和供電的能效。研究人員發(fā)現(xiàn)，與使用機房空調(diào)相比，能對特定組件進行局部散熱的服務(wù)器機柜有更好的節(jié)能效果。比如，通過一些特殊的冷卻技術(shù)，可消除由處理器產(chǎn)生的熱量。此外，還可以通過調(diào)節(jié)組件本身(比如調(diào)節(jié)內(nèi)存數(shù)據(jù)吞吐量)，避免熱損失的發(fā)生。從供電環(huán)節(jié)開始限制能量輸入，或?qū)?shù)據(jù)中心的能耗設(shè)置一個上限，也可以降低單一組件或整個服務(wù)器機架的能耗。最后，使用緊湊的服務(wù)器配置，直接去掉未使用的組件，也是減少能量損失的好辦法。

云管理的秘密

使用云管理系統(tǒng)的主要目的，是對基礎(chǔ)設(shè)施(包括服務(wù)器、虛擬機和應(yīng)用程序)進行調(diào)度以實現(xiàn)負載平衡。虛擬機是體現(xiàn)云服務(wù)優(yōu)越性的最佳范例，它借助軟件模擬出計算機系統(tǒng)，具有硬件功能，可以在完全隔離的環(huán)境中運行。有幾種虛擬機的使用方法能提高云計算的能效。首先，可以讓虛擬機根據(jù)負載情況重新調(diào)配資源;其次，可以為虛擬機的布置選擇能效最高的物理機;最后，可以將未充分利用的虛擬機遷移至數(shù)量更少的主機上，并把一直未使用的虛擬機關(guān)閉。

不過，這些步驟需要CPU軟件功耗模式來實現(xiàn)。該模式下，軟件和硬件彼此協(xié)調(diào)以共同調(diào)整能耗。而且，服務(wù)器本身也可以通過調(diào)整實際負載來降低能耗。研究表明，即便使用簡單的試探法(比如在服務(wù)器持續(xù)空載一段時間后關(guān)閉服務(wù)器)，也能節(jié)約大量能源。

下一步措施是在更宏觀的范圍內(nèi)實施管理措施，比如合并多個數(shù)據(jù)中心。但是，這會增加虛擬機遷移所需的開銷，在輸入輸出兩端都要消耗能量。為了弄清楚合并數(shù)據(jù)中心能否提高能效，我們可以借助一些模擬工具，如CloudSim，它可以評估云計算管理系統(tǒng)消耗和節(jié)約的電量，并進一步比較服務(wù)質(zhì)量的變化。顯然，如果既能降低能耗，又不會影響用戶使用云服務(wù)，這種合并就有利于降低云計算的能耗。云管理系統(tǒng)不僅可以控制服務(wù)器，還可以控制網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，甚至控制散熱和供電，因為云管理系統(tǒng)“知道” 需要哪些資源，不需要哪些資源，因此可以選擇合適的虛擬技術(shù)，并在服務(wù)器空載時關(guān)閉散熱設(shè)備。

云管理系統(tǒng)的建立方式也很重要，采用模塊化方式來建立云管理系統(tǒng)就很有優(yōu)勢，因為這允許技術(shù)人員在實際需要某個模塊時加載相應(yīng)模塊。比如，在需要監(jiān)控某些特定組件時，技術(shù)人員可以在原有系統(tǒng)中添加某些插件;而在不需要監(jiān)控這些組件時，技術(shù)人員也可以終止運行這些插件。

同時，研究人員也在開發(fā)高能效的軟件，降低應(yīng)用程序在空載狀態(tài)下的能耗。比如，限制用戶遠程喚醒服務(wù)器可以延長空載狀態(tài)時間，盡量向用戶發(fā)送消息而非讓用戶或客戶端向云服務(wù)器主動發(fā)起請求，可以讓軟件在真正需要其運行之前保持休眠，對資源(如磁盤)的批量訪問也可以減少不必要的喚醒。

不在現(xiàn)實世界部署高能效方案并沒有看上去那么簡單。服務(wù)器組件的低能耗模式只有在服務(wù)器長期空載的情況下才有益處，而這種情況在實際使用中并不常見。而且，盡管服務(wù)器在執(zhí)行輕量級任務(wù)時的使用率很低，但為了滿足訪問高峰時的需求，仍有必要保持適當?shù)?ldquo;彈性”。因此，可自我擴展的服務(wù)器組件必須與軟件組件相關(guān)聯(lián)，否則調(diào)節(jié)CPU模式的技術(shù)會被錯誤應(yīng)用，導致CPU運行頻率過低，應(yīng)用程序的運行時間變長，最終導致CPU的整體能耗上升。另一個目標是讓空載組件的能耗接近于零，這可以通過合并未充分利用的服務(wù)器來實現(xiàn)。

治標又治本——整體解決方案

為云計算提供支持的數(shù)據(jù)中心是一套高度耦合的系統(tǒng)，幾乎可以視作一臺大型計算機。因此，除了從數(shù)據(jù)中心的每個部分著手，降低能耗之外，還得把整個數(shù)據(jù)中心視作一個整體，分析各個基礎(chǔ)設(shè)施之間的相關(guān)性，進而尋找節(jié)能方案。

應(yīng)用設(shè)備是云計算中可管理的最小單位，但它們的性能可以影響所需服務(wù)器的數(shù)量，從而產(chǎn)生多米諾效應(yīng)，進一步影響網(wǎng)絡(luò)規(guī)模和支持性的設(shè)備——比如散熱和供電設(shè)備的數(shù)量。因此，為目標應(yīng)用程序選擇適當?shù)挠布Y源，可能會對數(shù)據(jù)中心的總體能耗產(chǎn)生重大影響。這里的實例包括，用GPU而不是CPU運行可以高度并行的應(yīng)用程序(有些程序可以在成千上萬個處理器上同時運行，節(jié)省運算時間)。和CPU相比，GPU上的計算單元非常密集，可以同時執(zhí)行很多任務(wù)，更適合并行計算，同時能耗更低。

但是，使用新的硬件需要對應(yīng)用程序進行更深的研究和更細致的分級，在特定的應(yīng)用程序和潛在的硬件資源之間建立聯(lián)系。云計算的實現(xiàn)需要多種基礎(chǔ)設(shè)施的協(xié)同，這又需要建立一個靈活、全面、監(jiān)控能力出色的云管理系統(tǒng)。作為最基本的要求，云管理系統(tǒng)必須要監(jiān)測數(shù)據(jù)中心中正在運行的進程、硬件性能、運行狀態(tài)、數(shù)據(jù)規(guī)模等多種信息。管理系統(tǒng)還要對分布在不同地理位置的數(shù)據(jù)系統(tǒng)進行優(yōu)化，讓不同的云設(shè)施合并。這些方法既需要單個數(shù)據(jù)中心中的軟件和硬件實現(xiàn)良好的交互，也需要讓全球各地的數(shù)據(jù)中心互換信息、負載和數(shù)據(jù)。

要實現(xiàn)這些目標還是要依靠網(wǎng)絡(luò)，利用網(wǎng)絡(luò)可以把計算資源和數(shù)據(jù)存儲資源放在可以利用可再生能源或涼爽的地方，降低散熱產(chǎn)生的能耗。當然，優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的同時也需要改進其他設(shè)備和組件。比如，數(shù)據(jù)和處理器距離用戶很遠且分布不均，會導致云服務(wù)的性能大打折扣，而采用好的設(shè)備和云管理系統(tǒng)能降低網(wǎng)絡(luò)流量，也就可以解決這個問題。除了改進數(shù)據(jù)中心，將數(shù)據(jù)中心整合到云計算概念里能在更大規(guī)模上提升能效。

美國勞倫斯·伯克利國家實驗室開發(fā)出的開源能效評估模型CLEER能對應(yīng)用轉(zhuǎn)移至云端的過程進行節(jié)能分析。CLEER估計，和現(xiàn)有的分布式使用商業(yè)軟件相比，云計算有可能把現(xiàn)在的能耗降低95%左右。此外，內(nèi)容數(shù)字化也能極大降低能耗。例如，在視頻行業(yè)中，通過云計算系統(tǒng)向用戶提供視頻的能耗比郵遞CD和DVD要低15%。

靈活的云架構(gòu)還能間接優(yōu)化能源利用。比如，數(shù)據(jù)中心中用來調(diào)整硬件負載狀態(tài)的技術(shù)還可以用來調(diào)節(jié)電網(wǎng)頻率，這樣電網(wǎng)就能保持在最優(yōu)頻率上，從而有助于能效在更宏觀層面上的提升。未來，研究人員既需要讓能效解決方案照顧到云計算系統(tǒng)里的每個單元，也要讓整個系統(tǒng)高效運行，這樣才能解決云計算的能耗問題，云計算也才能讓我們的世界變得更好。