存储节能技术解析

绿色存储技术层出不穷。各厂商可以为用户提供一种系统化的思考方法,便于用户将不断涌现出的新技术、新方法进行分类、评估以及综合应用,从而达到更好的节能效果。

目前,全球气候变暖已经影响到人们生活的方方面面。环保节能的理念也渗透到各行各业。厂商越来越重视IT设备的环保节能。绿色存储技术成了当前的技术热点。

存储系统的节能方法多种多样,小至一个螺钉的节省,大到整个产品的应用规划,不下千种。如何才能更有效地利用这些节能技术呢?方法论是关键。用户首先需要对节能技术有一个整体性的认知,将节能技术进行归类,找到各类技术的共性,然后再根据这些共性开展节能设计和应用,这样才能不断提升存储系统的节能效果。

存储系统节能可以划分成5个层次,包括电源结构、硬件、软件、解决方案和绿色服务。通过分析不同层面节能技术的共性,可以找到更佳的节能方法。

整机层面:从细节入手

电源节能的重点是从设备的工程特性入手,减少资源的耗费。设备体积减小、重量减轻,可以减少占地空间,节省材料耗费。噪音污染最容易被忽视。其实,噪音的释放也意味着无效能量的排放。减少噪音需要从噪音源和释放路径入手。系统最大的噪音源就是风扇。在进行系统设计时,要尽量减少风扇的数量,增加风扇的直径和叶片面积,降低转速。存储设备尤其是硬盘属于精密机械部件。震动是机械硬盘的致命杀手,很容易导致硬盘的损坏。合理的硬盘框架及散热系统设计是降低硬盘能耗的关键。

存储系统的供电体系非常复杂。供电环境分为交流环境和直流环境。系统内部的器件很多,各器件对电压的要求也不一样。在确保供电可靠性的前提下,优化电源系统的架构设计,可以避免电源转换层级过多,减少架构损耗。

存储系统内部的器件在工作过程中都会发热。所有器件都有一个合适的工作范围,过热的环境必然导致器件的损耗增加。优化系统结构可以提高系统的散热效率。

硬件:节能的基础

硬件的节能可以从减少存储介质本身的能耗以及附加介质的能耗入手。硬件节能有6种途径。

优化硬件架构 硬件架构是存储系统运行的基础,直接决定了系统的功耗、电源等特性,是系统节能的重点。良好的硬件架构设计要做到既满足软件运行的性能要求,又要预留足够的可扩展空间。

利用硬件加速技术 系统中许多模块化的运算单元占用了CPU的大量资源,利用硬件将这些模块化的运算单元固化下来,可以极大地释放CPU资源,从而大大降低CPU的功耗,同时提升系统的性能。典型的如RAID运算,采用RAID硬件加速,可以释放大量CPU资源,从而显著提高系统的处理性能。

采用低功耗工艺器件 系统的功耗源于组成系统的各器件的功耗,包括CPU、内存等。在同等处理能力的前提下,采用低功耗的器件可以降低系统的功耗。

提高单板集成度 提高单板集成度,同样的空间可以容纳更多器件,从而降低单位性能的体积占用。

处理器节能设计 处理器通常是系统内部器件中功耗最大的。在处理器未满负荷运行时,采用降低处理器主频或者降低核心供电电压的方式,可以显著地降低系统能耗。某些多核处理器目前已经可以做到将未用的内核单独降频甚至关闭,降耗效果更为明显。

采用SSD SSD采用闪存(Flash)芯片,抛弃了传统硬盘的机械部件,不需要马达高速旋转来带动盘片读取数据,数据吞吐量是传统硬盘的5倍,而且可以有效降低功耗。目前,300GB FC硬盘的功耗为17W左右,而SSD的功耗仅2W,待机功耗最低可达0.1W。

软件:容量优化

软件节能的核心思想是对数据进行有效管理,从而提高数据的利用率,减少资源占用。典型的软件节能方法有虚拟快照、数据压缩、重复数据删除和自动精简配置。

虚拟快照 普通快照会在物理上生成源LUN在某个时间点的一份完整拷贝,要求实际存储空间与源LUN的容量相等。虚拟快照对外表现为一个完整的LUN,而实际的数据分为源LUN和资源LUN两部分,通过映射表保存快照数据的存放地址。虚拟快照创建时只会创建一份映射表,占用的存储空间非常小。虚拟快照在资源LUN中没有原始的数据,只有当源LUN的数据发生改变的时候,才在资源LUN中写入变化的数据。因此,虚拟快照可以节省大量存储空间。

数据压缩数据压缩可以显著降低数据存储量。优秀的压缩算法可以将实际存储的数据压缩为原有数据量的几分之一甚至几十分之一,从而大大减少系统对存储介质的需求。

重复数据删除应用系统中的数据有60%是冗余的,而且随着时间的推移,冗余数据量会越来越大。在备份和归档系统中更是如此,一份文件可能被重复备份几十次。使用重复数据删除技术,系统只需要保存一份数据,重复的部分利用指针指向数据源即可,从而有效地降低系统的数据存储量。

自动精简配置传统磁盘资源的划分是固定式的划分。划分给不同应用的磁盘空间不能共享,而划分给特定应用的空间即使是闲置的(多数情况如此),也不能被其他应用所用,造成资源的极大浪费。自动精简配置可以根据应用需求以及设备的资源使用情况,动态地改变存储资源的划分,更加充分地利用磁盘阵列的有效存储空间,降低存储阵列的容量需求。

解决方案:资源优化

解决方案层节能的核心思想是,根据不同的产品应用场景优化产品配置,合理调配存储资源。解决方案层节能技术主要包括分级存储、存储虚拟化和大规模非活动磁盘阵列(MAID)。

分级存储系统 数据生命周期管理理论认为,不同的数据,其重要性和价值是不同的。数据在其生命周期的不同时期,也会表现出不同的重要性和价值。把不重要和低价值的数据存放在高成本的存储设备上,就是对资源的浪费。如何有效区分数据的价值和重要性,并以此为依据提高存储资源的利用率是存储节能的重要技术发展方向。简单说,就是将历史数据、长期不被访问的数据从高耗电、长期运转的硬盘上转移到低耗电甚至长期下电的硬盘或磁带上。

存储虚拟化 使用存储虚拟化技术可以整合不同品牌的存储设备,形成统一的存储资源池,并将虚拟的存储资源分配给主机,从而可以有效地提高存储资源利用率,降低管理复杂度。

MAID系统 MAID技术的出发点和器件休眠的原理如出一辙。存储系统的许多部件并非每时每刻都是繁忙的,存储设备也不是每时每刻都要读写每一块硬盘。如果让空闲的硬盘一直处于工作状态就是对资源的浪费。对空闲的硬盘实施休眠不仅可以节省能耗,还可减少硬盘的实际运行时间,从而延长硬盘的寿命。

绿色服务:重在规划

绿色服务是从全局角度出发,评估和衡量存储设备、与存储设备相关联的整个系统甚至是存储设备所在的机房的能耗情况,找出可以降低能耗的环节,提出建设性意见或方案,再综合考虑投入产出比,以达到最佳节能效果的行为。

绿色服务又包括绿色技术咨询和绿色规划咨询两部分。

绿色技术咨询很多客户的存储系统在建设初期没有充分考虑节能降耗的需求,而且没有进行合理规划和投入。很多产品在开发的时候急于投放并占领市场,也没能充分考虑绿色环保的需求。绿色服务可以针对客户的整个系统,也可以针对某一款在用或准备引进的产品进行全面评估,并提出可供实施的节能方案,为客户创造价值。

绿色规划咨询 绿色规划咨询重在从机房的角度或在系统建设初期即对客户的需求进行详细分析,将系统初期投入与业务发展结合起来考虑,对系统初建和运维过程中的业务类型、业务量进行跟踪分析,从基础建设和数据运行的角度进行基础架构的优化,使机房或系统在持续可发展的前提下满足节能降耗的要求。