節能的重要性

有些資料中心的運作耗盡全數電力；若要擴充服務，只能透過汰換舊設備、採用效能更高硬體、或擴大部署於其他能源充裕且成本較低廉的地區。美國國家環保署（Environmental Protection Agency）因了解此問題的嚴重性，並致力推廣節能伺服器，進而展開「80 Plus」計畫，推廣功效高於80％的系統電源供應器；能源之星（Energy Star）亦隨之提出一套基於能源標準的伺服器認證計畫。除此之外，其他具備節能計畫的廠商成立「The Green Grid」聯盟，致力減少基礎設施功耗。

能源耗費於何處？

在資料中心中，哪些設備最耗電？有哪些節能方式？本文將針對下列兩種電力負載來探討：

資料中心的耗能幾乎都會轉為熱能，而須等量功率來進行冷卻。由於冷卻設備並非全然有效，IT每消耗一瓦電力，就須耗費大於一瓦的電力進行冷卻。若做好資料中心的功率管理，就不須額外冷卻作業。每省下一瓦IT能源，即可帶來雙倍效益。部分負載下的低效率電源供應器常造成能源損耗，也讓高效能系統微處理器僅為部分工作負載而耗盡全數功率。那麼，若採用提供系統非揮發性儲存功能的磁碟機呢？

儲存如何配合資料中心進行節能？

資料中心透過磁碟機連接專用伺服主機（DAS）進行儲存作業，或整合儲存資源以支援一般用途（SAN及NAS）。磁碟機功耗較系統功耗少，常見於採用DAS的高效能伺服主機。網路儲存則運用大量磁碟機提供大量儲存，以支援網際網路基礎架構等應用。

透過下列伺服主機和儲存系統，說明磁碟機耗能對一般小型系統的影響：

1U機架式伺服主機，搭載多核心處理器及8台73-GB小尺寸規格（small form factor；SFF）企業磁碟機

此效能伺服器直接連接高效能交易儲存裝置，用於講求快速回應及資料存取效率之應用。小型磁碟機提供實際的高儲存容量（GB／立方英吋）及效能（每秒I／O數／立方英吋），相當適合1U伺服器。此外，小型磁碟機內部元件質量較小，減少移動零件的機電負荷，從本質上節省功耗，如圖一所示。

《圖一　1U機架式伺服主機搭載8台磁碟機》

3U機架式儲存伺服器，搭載嵌入式磁碟陣列（RAID）及15台500GB 3.5吋硬碟機

此系統著重儲存容量，而非存取速度；它採用效能較低的近線儲存磁碟機（第二層儲存），以達到最佳購置成本、可用容量及作業功耗（以每GB成本及耗能來評量）。此系統犧牲效能，以換取較佳容量、功耗及成本。如圖二所示，其儲存機箱裝有大量磁碟機，提供大容量。若在此儲存子系統擴充機箱，將加重磁碟機功耗在系統功耗所佔比例（以電子控制器而言），增加磁碟機的耗能負擔。

《圖二　3U機架式儲存伺服器搭載15台磁碟機》

深入了解磁碟機

不同等級的資料中心磁碟機，有著不同的功率需求；根據規格、儲存容量、效能和功能集的差別，其耗能約6W～15W，明顯低於伺服器電子的功耗。資料中心透過上千台磁碟機提供交易、參考、備份及檔案儲存之需；因此，磁碟機節省的每一瓦電力，將為系統帶來數千瓦的節能效益。過去30年中，磁碟機單位容量的功耗已有顯著的進步。現在，進行1TB容量儲存約耗費10W，在1975年卻須耗費10MW以上（其3500轉軸重量約1200噸）。

能源及效能關係密切，效能越高，耗能亦隨之增加。若要節省功率，就須犧牲少許效能。隨著技術的演進，各式儲存應用不須透過省電功能或犧牲效能，即可實現節能效益。

轉軸馬達

磁碟組由轉軸馬達驅動；轉速越快，磁碟表面資料的讀取或寫入速度越快。因此，若採用相同碟片，15K-RPM磁碟機的讀寫速度應較10K-RPM磁碟機快50％。然而，轉動10K-RPM碟片所需功耗僅15K-RPM的一部分，磁碟功耗的遞增相當驚人。採用直徑較小的磁碟組雖能維持在相同功率範圍，但須犧牲磁錄面積以換取功率效益。此舉不僅減少磁碟機儲存容量，且因磁碟組直徑縮小、線性速度較低而使資料吞吐量提昇幅度變小。不過，延遲時間（目標資料旋轉到讀寫頭下方所經歷的時間）則因轉軸速度提高而縮短33％。

換句話說：

接著進一步探討轉軸馬達的功率交易。根據目前的轉軸設計，只要降低轉速，就能節省大量作業功率；但其資料吞吐量及延遲將降低效能。高效能磁碟機不須降低轉速，但對於儲存非交易性資料（參照資料、備份或資料數據等）、轉速7200-RPM而不須縮短資料存取時間的磁碟機而言，此舉相當可行。

在磁碟機閒置時關閉轉軸，可節省主要功耗。此節能技術必須在系統提出新的資料請求時，讓轉軸經短暫延遲即恢復作業速度。此方案也許可用於效能較低的非交易性7200-RPM磁碟機；但高效能15K磁碟機系統無法承受數秒的延遲，除非透過複雜的電源管理系統來預測閒置頻率及時間。

關掉7200-RPM磁碟機轉軸將面對另一個問題。轉軸從靜止狀態起動所須功率，遠高過維持其作業轉速的功率；因此，過於頻繁地停止和起動轉軸，反而浪費功耗，未達節省之目的。Seagate已針對此研發解決方案，並取得技術專利，能在減速時將馬達轉換為發電機。這項技術為系統省下約90％的起動功率。簡而言之，此技術僅須耗費一般磁碟機起動／停止週期所需功率的十分之一。

與其在閒置期間關閉轉軸，不如直接採取減速。此作法不僅節省功率，更能在閒置期後更快回到正常作業。同時，還能將相同方法用於促動器（actuator）及讀寫頭，將其對轉軸的牽引力減至最小，節省更多功耗。透過上述高效電源管理系統，這項節能技術甚至能應用於高效能15K-RPM磁碟機，但還是以延遲時間較長及資料存取頻率較低的近線儲存磁碟機為主。

促動器（Actuator）

促動器在碟片表面以放射方式移動讀寫頭，以存取資料軌跡。收到資料請求到開始從磁碟讀取資料之間發生延遲，有兩個原因：將讀寫頭置於正確磁軌所須時間（搜尋時間），及目標資料轉動到讀寫頭下方所須時間（延遲時間）。目標磁軌通常以最高速進行搜尋作業，讀寫頭則等候資料到達，就像「趕快並且等待」（hurry up and wait）的狀態。企業磁碟機提供足夠的處理功率，即可以較低功率找到目標資料。磁碟機伺服處理器紀錄目標資料區塊與讀寫頭相關的旋轉位置，並計算延遲時間及促動器的功率須求，以確保目標區塊通過讀寫頭下方時，讀寫頭能及時到達以執行資料讀寫作業。這種「及時」搜尋將功耗減至最低，且保持最佳效能。此技術的衍生方法已運用於伺服器系統較簡單、搜尋速度較慢的低階企業磁碟機，並達到良好的成效。

電子

除了雙埠功能（dual port）外，企業磁碟機並沒有多餘的電子，因此磁碟機在作業狀態的節能餘裕很少。所以，接下來再回頭探討磁碟機在閒置狀態可節省的功耗。

關閉非使用中的電子電路。這雖為普遍的概念，但卻無法將其全數關閉。即使讀寫頭不在使用中，但也不能讓其遊走於資料區域，而須隨時知道其位置，以便於接收下個系統請求時提供服務。閒置時間一旦超過預設門檻，可將讀寫頭停放於方便（低功耗）的位置，並暫時停止讀寫電路及伺服器電子。只要能快速回復正常作業且無副作用的非關鍵性功能，都可以被關閉。

介面

採用SCSI指令集（SAS及光纖通道）的高效能企業磁碟機要支援24小時全年無休的工作週期，其單一指令資料回應時間僅為數微秒（microseconds）至毫秒（milliseconds）。因此，介面電子必須隨時與主機系統連繫，以分辨及回應系統請求。若系統有一段時間不須磁碟機，可傳送指令讓磁碟機停止和起動轉軸馬達，以節省功耗。轉軸停止期間，磁碟機須繼續執行不必連結媒體的系統指令；因此，即使磁碟機其他電路多半可以關閉，仍須維持介面電力。除了辨識主機喚醒訊號（wake-up signal）的介面，低效能SATA磁碟機能關閉所有電子，以節省更多耗能。此外，相較於SAS或FC提供的任務取向環境，SATA介面具功能限制，作業功率須求也較低。

結語

若容量固定，省電及效能兩目標難以同時達成。在磁碟機閒置期間，磁碟機和主機沒有活躍的I／O活動，因此最能降低功耗且不影響效能。在閒置期間實施節能技術，不會在磁碟機回復作業狀態時造成系統延遲。

雖然無法預測磁碟機的閒置期，但磁碟機可以控制自己的停止運轉期（inactivity）。若停止運轉時間超過預設值（通常為0.5秒），磁碟機可決定在此時進行節能，並執行一或多種上述方式。此方法雖然在系統利用率低時成效顯著，且確實能在閒置功率下運作，但由於無法確知閒置期是否持續，此策略不一定每次都能成功。這種非交易性磁碟機的節能方法，通常可省下1～2瓦閒置功率。

必須注意的是，筆記型電腦磁碟機是透過停止運轉來達到省電效果，而筆記型電腦是由電池提供應電力，因此，電池壽命長短為一重要關鍵。

降低轉軸速度、縮短磁碟組直徑或結合以上方式皆為最有效的節能方法。Cheetah NS硬碟機即運用後者，以8瓦（閒置期）及12瓦（作業期）功耗，為關鍵應用提供中階容量與交易效能。

若主機能系統預測磁碟機的低活動期，並將工作負荷平均分配於作業／閒置週期，即可透過關閉電子及調整轉軸速度，大幅減少閒置期功耗。

企業級2.5吋或小尺寸規格（SFF）磁碟機因其耗能最多的元件（轉軸馬達、磁碟組及促動器）較小，磁碟機作業所須系統功率低於8瓦，而能兼顧節能及提供頂級效能。面積儲存密度技術的演進，造就高容量的小尺寸規格磁碟機；相較於3.5吋磁碟機，部分小尺寸規格磁碟機能提供相同容量、較高效能及較低作業功耗。

系統及儲存研發廠商在近幾年致力開發節能技術。此舉將促進更多能源效益技術的相關研究，提供特定應用量身定製且最佳化的省電功能及選擇。若磁碟機、控制器和主機系統共同分擔工作負載的資訊，排除作業／閒置儲存週期的不可測性，磁碟機的功率管理較能避免「誤打誤撞」的狀況出現。據估計，磁碟機除尖峰期外的90％時間皆處閒置狀態。這正是須要節能的主因。

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