节能的重要性

有些数据中心的运作耗尽全数电力；若要扩充服务，只能透过汰换旧设备、采用效能更高硬件、或扩大部署于其他能源充裕且成本较低廉的地区。美国国家环保署（Environmental Protection Agency）因了解此问题的严重性，并致力推广节能服务器，进而展开「80 Plus」计划，推广功效高于80％的系统电源供应器；能源之星（Energy Star）亦随之提出一套基于能源标准的服务器认证计划。除此之外，其他具备节能计划的厂商成立「The Green Grid」联盟，致力减少基础设施功耗。

能源耗费于何处？

在数据中心中，哪些设备最耗电？有哪些节能方式？本文将针对下列两种电力负载来探讨：

数据中心的耗能几乎都会转为热能，而须等量功率来进行冷却。由于冷却设备并非全然有效，IT每消耗一瓦电力，就须耗费大于一瓦的电力进行冷却。若做好数据中心的功率管理，就不须额外冷却作业。每省下一瓦IT能源，即可带来双倍效益。部分负载下的低效率电源供应器常造成能源损耗，也让高效能系统微处理器仅为部分工作负载而耗尽全数功率。那么，若采用提供系统非挥发性储存功能的磁盘驱动器呢？

储存如何配合数据中心进行节能？

数据中心透过磁盘驱动器连接专用伺服主机（DAS）进行储存作业，或整合储存资源以支持一般用途（SAN及NAS）。磁盘驱动器功耗较系统功耗少，常见于采用DAS的高效能伺服主机。网络储存则运用大量磁盘驱动器提供大量储存，以支持因特网基础架构等应用。

透过下列伺服主机和储存系统，说明磁盘驱动器耗能对一般小型系统的影响：

1U机架式伺服主机，搭载多核心处理器及8台73-GB小尺寸规格（small form factor；SFF）企业磁盘驱动器

此效能服务器直接连接高效能交易储存装置，用于讲求快速响应及数据存取效率之应用。小型磁盘驱动器提供实际的高储存容量（GB／立方英吋）及效能（每秒I／O数／立方英吋），相当适合1U服务器。此外，小型磁盘驱动器内部组件质量较小，减少移动零件的机电负荷，从本质上节省功耗，如图一所示。

《图一 1U机架式伺服主机搭载8台磁盘驱动器》

3U机架式储存服务器，搭载嵌入式磁盘阵列（RAID）及15台500GB 3.5吋硬盘机

此系统着重储存容量，而非访问速度；它采用效能较低的近线储存磁盘驱动器（第二层储存），以达到最佳购置成本、可用容量及作业功耗（以每GB成本及耗能来评量）。此系统牺牲效能，以换取较佳容量、功耗及成本。如图二所示，其储存机箱装有大量磁盘驱动器，提供大容量。若在此储存子系统扩充机箱，将加重磁盘驱动器功耗在系统功耗所占比例（以电子控制器而言），增加磁盘驱动器的耗能负担。

《图二 3U机架式储存服务器搭载15台磁盘驱动器》

深入了解磁盘驱动器

不同等级的数据中心磁盘驱动器，有着不同的功率需求；根据规格、储存容量、效能和功能集的差别，其耗能约6W～15W，明显低于服务器电子的功耗。数据中心透过上千台磁盘驱动器提供交易、参考、备份及档案储存之需；因此，磁盘驱动器节省的每一瓦电力，将为系统带来数千瓦的节能效益。过去30年中，磁盘驱动器单位容量的功耗已有显著的进步。现在，进行1TB容量储存约耗费10W，在1975年却须耗费10MW以上（其3500转轴重量约1200吨）。

能源及效能关系密切，效能越高，耗能亦随之增加。若要节省功率，就须牺牲少许效能。随着技术的演进，各式储存应用不须透过省电功能或牺牲效能，即可实现节能效益。

转轴马达

磁盘组由转轴马达驱动；转速越快，磁盘表面数据的读取或写入速度越快。因此，若采用相同盘片，15K-RPM磁盘驱动器的读写速度应较10K-RPM磁盘驱动器快50％。然而，转动10K-RPM盘片所需功耗仅15K-RPM的一部分，磁盘功耗的递增相当惊人。采用直径较小的磁盘组虽能维持在相同功率范围，但须牺牲磁录面积以换取功率效益。此举不仅减少磁盘驱动器储存容量，且因磁盘组直径缩小、线性速度较低而使数据吞吐量提升幅度变小。不过，延迟时间（目标数据旋转到读写头下方所经历的时间）则因转轴速度提高而缩短33％。

换句话说：

接着进一步探讨转轴马达的功率交易。根据目前的转轴设计，只要降低转速，就能节省大量作业功率；但其数据吞吐量及延迟将降低效能。高效能磁盘驱动器不须降低转速，但对于储存非交易性数据（参照数据、备份或数据数据等）、转速7200-RPM而不须缩短数据访问时间的磁盘驱动器而言，此举相当可行。

在磁盘驱动器闲置时关闭转轴，可节省主要功耗。此节能技术必须在系统提出新的数据请求时，让转轴经短暂延迟即恢复作业速度。此方案也许可用于效能较低的非交易性7200-RPM磁盘驱动器；但高效能15K磁盘驱动器系统无法承受数秒的延迟，除非透过复杂的电源管理系统来预测闲置频率及时间。

关掉7200-RPM磁盘驱动器转轴将面对另一个问题。转轴从静止状态起动所须功率，远高过维持其作业转速的功率；因此，过于频繁地停止和起动转轴，反而浪费功耗，未达节省之目的。Seagate已针对此研发解决方案，并取得技术专利，能在减速时将马达转换为发电机。这项技术为系统省下约90％的起动功率。简而言之，此技术仅须耗费一般磁盘驱动器起动／停止周期所需功率的十分之一。

与其在闲置期间关闭转轴，不如直接采取减速。此作法不仅节省功率，更能在闲置期后更快回到正常作业。同时，还能将相同方法用于促动器（actuator）及读写头，将其对转轴的牵引力减至最小，节省更多功耗。透过上述高效电源管理系统，这项节能技术甚至能应用于高效能15K-RPM磁盘驱动器，但还是以延迟时间较长及数据存取频率较低的近线储存磁盘驱动器为主。

促动器（Actuator）

促动器在盘片表面以放射方式移动读写头，以存取数据轨迹。收到数据请求到开始从磁盘读取数据之间发生延迟，有两个原因：将读写头置于正确磁道所须时间（搜寻时间），及目标数据转动到读写头下方所须时间（延迟时间）。目标磁道通常以最高速进行搜寻作业，读写头则等候数据到达，就像「赶快并且等待」（hurry up and wait）的状态。企业磁盘驱动器提供足够的处理功率，即可以较低功率找到目标数据。磁盘驱动器伺服处理器纪录目标数据区块与读写头相关的旋转位置，并计算延迟时间及促动器的功率须求，以确保目标区块通过读写头下方时，读写头能及时到达以执行数据读写作业。这种「及时」搜寻将功耗减至最低，且保持最佳效能。此技术的衍生方法已运用于服务器系统较简单、搜寻速度较慢的低阶企业磁盘驱动器，并达到良好的成效。

电子

除了双埠功能（dual port）外，企业磁盘驱动器并没有多余的电子，因此磁盘驱动器在作业状态的节能余裕很少。所以，接下来再回头探讨磁盘驱动器在闲置状态可节省的功耗。

关闭非使用中的电子电路。这虽为普遍的概念，但却无法将其全数关闭。即使读写头不在使用中，但也不能让其游走于数据区域，而须随时知道其位置，以便于接收下个系统请求时提供服务。空闲时间一旦超过默认门坎，可将读写头停放于方便（低功耗）的位置，并暂时停止读写电路及服务器电子。只要能快速回复正常作业且无副作用的非关键性功能，都可以被关闭。

接口

采用SCSI指令集（SAS及光纤信道）的高效能企业磁盘驱动器要支持24小时全年无休的工作周期，其单一指令数据响应时间仅为数微秒（microseconds）至毫秒（milliseconds）。因此，接口电子必须随时与主机系统连系，以分辨及响应系统请求。若系统有一段时间不须磁盘驱动器，可传送指令让磁盘驱动器停止和起动转轴马达，以节省功耗。转轴停止期间，磁盘驱动器须继续执行不必链接媒体的系统指令；因此，即使磁盘驱动器其他电路多半可以关闭，仍须维持接口电力。除了辨识主机唤醒讯号（wake-up signal）的接口，低效能SATA磁盘驱动器能关闭所有电子，以节省更多耗能。此外，相较于SAS或FC提供的任务取向环境，SATA接口具功能限制，作业功率须求也较低。

结语

除了辨识主机唤醒讯号（wake-up signal）的接口，低效能SATA磁盘驱动器能关闭所有电子，以节省更多耗能。此外，相较于SAS或FC提供的任务取向环境，SATA接口具功能限制，作业功率须求也较低。

若容量固定，省电及效能两目标难以同时达成。在磁盘驱动器闲置期间，磁盘驱动器和主机没有活跃的I／O活动，因此最能降低功耗且不影响效能。在闲置期间实施节能技术，不会在磁盘驱动器回复作业状态时造成系统延迟。

必须注意的是，笔记本电脑磁盘驱动器是透过停止运转来达到省电效果，而笔记本电脑是由电池提供应电力，因此，电池寿命长短为一重要关键。

降低转轴速度、缩短磁盘组直径或结合以上方式皆为最有效的节能方法。Cheetah NS硬盘机即运用后者，以8瓦（闲置期）及12瓦（作业期）功耗，为关键应用提供中阶容量与交易效能。

若主机能系统预测磁盘驱动器的低活动期，并将工作负荷平均分配于作业／闲置周期，即可透过关闭电子及调整转轴速度，大幅减少闲置期功耗。

企业级2.5吋或小尺寸规格（SFF）磁盘驱动器因其耗能最多的组件（转轴马达、磁盘组及促动器）较小，磁盘驱动器作业所须系统功率低于8瓦，而能兼顾节能及提供顶级效能。面积储存密度技术的演进，造就高容量的小尺寸规格磁盘驱动器；相较于3.5吋磁盘驱动器，部分小尺寸规格磁盘驱动器能提供相同容量、较高效能及较低作业功耗。

系统及储存研发厂商在近几年致力开发节能技术。此举将促进更多能源效益技术的相关研究，提供特定应用量身定制且优化的省电功能及选择。若磁盘驱动器、控制器和主机系统共同分担工作负载的信息，排除作业／闲置储存周期的不可测性，磁盘驱动器的功率管理较能避免「误打误撞」的状况出现。据估计，磁盘驱动器除尖峰期外的90％时间皆处闲置状态。这正是须要节能的主因。

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