協會技術文章: 資料中心能源使用效率量測

                                        作者:工業技術研究院 綠能所 許銘修經理、黃嘉弘副研究員  

對於資料中心能源使用投入關注，主要起於近10年前由美國環境保護署(Environmental Protection Agency, EPA)所提出之報告[1]，報告中指出，若能針對資料中心進行不同程度之能源使用效率改善措施，則預估整體節能量與未進行改善之節能量比較，達到230至740億kWh，顯見資料中心之節能潛力相當大。

其後，各機關單位紛紛提出資料中心能源使用效率之計算方式，比較重要的有：

能源使用效率(Power Usage Effectiveness, PUE)，此指標由Green Grid[2]建議，以整體資料中心耗能量與IT設備實際耗能量之比值，作為能源使用效率指標，其主要目的在瞭解IT設備每單位耗能需使用之總耗能量，如(式1)所示：

.............. (式1)

由(式1)可知，PUE值越小越好，而其最小值為1，表示所有供應給資料中心的能源，全部使用於IT設備。

資料中心基礎效率(Data Center Infrastructure Efficiency ,DCiE)，DCiE與PUE之計算雷同，主要在瞭解IT設備佔了資料中心整體能源使用之比例，可以寫為：

.......................... (式2)

因此，DCiE介於0到1之間，且DCiE值越大越好。

相較於PUE及DCiE重點在瞭解IT設備佔總資料中心耗能比例，資訊設備使用率(IT Equipment Utilization, ITEU)之重點在於瞭解IT設備實際之使用狀況，ITEU可以由下式表示[3]：

................... (式3)

資訊設備能源效率(IT Equipment Efficiency, ITEE)指標則藉由運算能力、儲存能力，以及網路頻寬來定義能源使用效率，以(式4)表示：

........................................................................................................... (式4)

ITEE指標之好處是直接評比IT設備使用之狀況，然而，指標中部分參數取得較為不易，如伺服器能力。

由7x24 Exchange, ASHRAE, The Green Grid, Silicon Valley Leadership Group, 美國能源局(Department of Energy, DOE) 能源節約計畫(Save Energy Now Program), 美國環保署(Environmental Protection Agency, EPA)的能源之星計畫(ENERGY STAR Program)，以及美國綠建築協會(United States Green Building Council)及Uptime Institute等單位共同組成的工作小組，於2010年針對資料中心計算PUE所需之量測方法進行建議[4]，並於2011年更新建議提出四個建議量測作法[5]，將PUE量測區分為四類，除Category 0為以需量為基礎(demand based)量測而取用IT設備尖峰需量(kW)外，其餘三個分類均為使用量為基礎(consumption based)量測，取用全年IT設備總耗能(kWh)計算。

至2013年，ASHRAE TC9.9與The Green Grid合作，將PUE量測作法納入ASHRAE資料中心系列書籍中[6]，使得PUE的量測有了正式且完整的定義。ASHRAE與The Green Grid建議之PUE量測分為三個層級如表1所示，相對應之量測位置如圖1所示。對照於(式1)，PUE量測的Level 1 (PUE1)，在IT設備耗能部份，量測位置為UPS輸出端，而資料中心總耗電量量測位置為電網供電之電力輸入端，建議之量測頻率為每個月或每週；PUE量測的Level 2 (PUE2)，在IT設備耗能部份，量測位置為PDC輸出端，而資料中心總耗電量量測位置，仍為電網供電之電力輸入端，建議之量測頻率為每日或每小時；PUE量測的Level 3 (PUE3)，在IT設備耗能部份，量測位置為實際IT設備供電的輸入點，總耗電量量測位置，一樣為電網供電之電力輸入端，建議為連續式監測。由上述可知，若是進行PUE3之量測，雖然可以取得詳盡的量測資料，然而量測成本將大幅度的增加；而我國各資料中心、機房，並非均設置有PDC設備，因此，若國內要有合適、基礎相同之資料中心能源使用量測方法，建議以PUE1方式量測。

然而，依據工研院2012年由科發基金委託之「資料中心耗能量測技術建立與能源效率管理研析」研究計畫調查，受訪查的66座政府機關、學術單位及業界資訊機房中，僅有2座機房為整棟建築均為機房之型態，其餘64座機房(96.9%)之設置位置則位於建築中之一層樓或某一空間，此結果表示由電網供電之電力並非全由資訊機房所使用，絕大部分的資訊機房與大樓共用變壓器，無法分離變壓器因供電給資訊機房導致之損失，因此，PUE1方式在國內實際運用上，仍有困難，需要被調整。

表1. ASHRAE與The Green Grid建議之量測層級[6]

圖1. ASHRAE與The Green Grid建議之量測位置

由此，工研院計畫，以及台灣智慧能源產業協會(TaiSEIA)建議以PUE1方式為基礎，調整總耗電量量測位置變壓器之後，如圖2所示，計算方式如(式5)：

.................................................... (式5)

圖2. 建議之國內能源使用效率PUE量測位置

此後，The Green Grid更進一步讓PUE量測方式納入ISO/IEC標準，2016年4月，正式成為ISO/IEC 30134-2:2016，如此，將使得全球的資訊機房能源使用效率計算，獲得明確的標準規範。

參考文獻：

[1] U.S. Environmental Protection Agency ENERGY STAR Program, 2007, “Report to Congress on Server and Data Center Energy Efficiency.”

[2] “Green grid metrics: describing datacenter power efficiency technical committee white paper,” The Green Grid, 20 February 2007.

[3] Takeshi Ueoro, 2010, “Concept of New Metrics for Data Center Energy Efficiency,” Green IT Promotion Council, Japan.

[4] “Recommendations for Measuring and Reporting Overall Data Center Efficiency, Version 1 – Measuring PUE at Dedicated Data Centers,” 15 July 2010.

[5] “Recommendations for Measuring and Reporting Overall Data Center Efficiency Version 2 – Measuring PUE for Data Centers,” 17 May 2011.

[6] ASHRAE Datacom Series Book 11, PUE: A Comprehensive Examination of the Metric, 2013.