面向数据中心创新性服务器模拟器及性能评估关键指标¶
面向数据中心创新性服务器模拟器及性能评估关键指标
这篇发表于《Energy & Buildings》的研究，创新性地推出了 “模拟芯片服务器模拟器（DCSS）”，并提出三大性能评估指标，彻底解决了传统测试工具的痛点。
服务器模拟器（又称假负载）用于模拟真实 IT 设备，以开展数据中心性能测试。若缺少此类测试，潜在故障可能造成重大损失。由于设计过于简化且缺乏规范的评估方法，商用假负载往往无法准确反映数据中心真实服务器的运行状态。本研究开发了一种新型模拟芯片服务器模拟器（DCSS），能够良好复现真实服务器的工作机制。
本文首次提出三项指标，从不同维度评估服务器模拟器性能：用于衡量散热能力的 “散热系数（CHR）”、用于评估温度达标情况的 “温度偏差系数（α）”，以及用于表征能量与计算效率的 “单位计算功耗（PUC）”。实验测试结果表明，DCSS 的性能与真实服务器高度接近，且其 CHR、α 和 PUC 指标相较于商用假负载均有显著提升。本研究成果为 IT 服务器模拟器的设计提供了直接指导，同时验证了 DCSS 及所提指标在数据中心性能评估中的先进性。
数据中心是智能时代的新型基础设施 [1]，如同发电厂消耗资源发电一样，数据中心消耗能源以提供算力。随着大数据、云计算、人工智能等数字技术的广泛应用 [2]，数据中心的规模和数量正快速增长。现代数据中心具有两大特征：第一，在服务期间需 7×24 小时不间断运行，任何故障都可能引发重大经济损失和社会影响 [3]；第二，海量计算会产生巨大能耗 [5,6]，电费是其最大运营成本 [4]。因此，数据中心的稳定性和能效已受到越来越多的关注 [5]。
因此，在部署 IT 设备前，利用服务器模拟器开展性能测试（该阶段通常称为负载测试）至关重要 [6]。负载测试能够发现基础设施系统的潜在问题，保障数据中心稳定运行；同时评估实际运行条件是否符合要求，尤其是能效指标 [7-9]。然而，目前使用的服务器模拟器设计极为简化，相当于一种 “黑箱式设备”—— 仅确保其热负载与数据中心设计要求一致，却未考虑运行过程中的复杂情况 [10]，这也是此类设备被称为 “假负载” 的原因。
测试时，假负载设备被安装在机柜中并通电，以模拟数据中心服务器的设计发热量 [11]。以下是近年来假负载相关研究的简要综述：Nada 等人 [12,13] 基于相似原理，设计制造了尺寸仅为真实服务器 1/6 的模拟服务器，该设备主要由变频风扇（流量约 0.45 立方米 / 分钟）和电热板（150 瓦）组成，用于研究服务器通风量和功率密度的影响；Nelson [14] 设计了一款 10U 模拟服务器，通过 7 根加热管（总功率 5750 瓦，每根加热管配有 56 片散热片）产生热量，并通过 4 个交流风扇组成的风扇板实现强制对流（风量 650 立方英尺 / 分钟）；Wang 等人 [15] 采用电加热器和冷却风扇制作了模拟服务器，该设备与机柜集成且不可分离，模拟机柜尺寸与标准 42U 机柜一致，包含 5 台模拟服务器，每台最大发热量 1500 瓦，用于实验研究机房气流组织对温度分布的影响。
Alkharabsheh 等人 [16] 和 Chu 等人 [17] 发现，模拟服务器机柜的阻力远低于真实服务器，导致压差和气流分布与实际情况存在显著偏差；Mohsenian 等人 [18,19] 设计制造了一款配备多个直流风扇和加热管的服务器模拟器，相较于商用假负载，其气流分布和热质量均有改善；VanGilder 等人 [20,21] 采用板翅式散热器替代真实服务器，测试了服务器热效率，结果显示相关系数在 0.85-1 之间，数值越大表明布局越密集。此外，众多研究已证实服务器对数据中心能耗的重要影响 [22-25]，但多年来关于模拟器的研究仍较为有限。
商用假负载的内部结构由多根带翅片的电加热管组成，用于提供服务器的模拟发热量，本文将其称为 “管式假负载（TTDL）”。显然，与真实服务器相比，TTDL 的结构存在较大差异，且功能高度简化 —— 仅聚焦于功率参数，这些缺陷不可避免地会导致数据中心评估结果出现偏差。需要注意的是，即使是微小偏差也可能造成显著能耗差异，并决定数据中心是否符合国家标准：例如，中国国家标准 [26] 规定数据中心能效比不低于 1.5，最高等级为 1.2，最优与最差等级之间仅存在 20% 的偏差。因此，TTDL 已无法满足严苛的测试要求，分析商用假负载的不足并进行改进具有重要意义。
假负载设计主要存在以下两个问题 [27]：（1）商用假负载设备（TTDL）并非基于真实服务器的结构设计，无法复现其工作机制，尤其是服务器芯片的发热特性。例如，发明专利 “机架式热假负载及其应用”[28] 采用 3 个 PTC 加热单元，分别模拟 500 瓦、1000 瓦和 1500 瓦的服务器发热量，这种方式无法满足服务器功率动态变化的模拟需求。（2）未考虑 TTDL 的运行温度。当机房冷却能力未得到合理利用时，局部温度会超过服务器允许温度，此时冷却系统会过度制冷以降低温度，进而导致能耗增加 [29]。但 TTDL 无法反映这一问题，可能造成数据中心评估结果不准确，甚至美化测试数据。
为解决这些缺陷，本研究开发了一种新型模拟芯片服务器模拟器（DCSS），能够真实复现服务器的核心特性。为对比 TTDL、DCSS 与真实服务器的性能差异，本文开展了一系列实验，并利用服务器性能评估指标 —— 散热系数（CHR）和温度偏差系数（α）进行结果分析。最后，将这些指标应用于数据中心评估，测量了能效比（PUE）的偏差及单位计算功耗（PUC）。本研究中 DCSS 的设计流程和核心内容如图 1 所示。
本文其余部分结构如下：第 2 节详细介绍 DCSS 的参数化设计；第 3 节描述实验测试及结果分析；第 4 节讨论能耗与计算能力的评估方法；最后在第 5 节给出研究结论。
研究团队：李楠、陶文铨教授团队
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