Серверы, телекоммуникационное оборудование, системы хранения большой емкости — современные ЦОД потребляют колоссальное количество электроэнергии. По всему миру на снабжение информационного и телекоммуникационного оборудования сейчас тратится около 160 ГВт, что составляет 8% от всей вырабатываемой электроэнергии, и эти показатели продолжают быстро расти. По оценкам Союза немецких электротехников (VDE), к 2020 году потребность ИКТ-оборудования в электроэнергии увеличится более чем в два раза и достигнет 400 ГВт. После конечных устройств, второе и третье места по уровню потребления электрической мощности занимают ЦОД и сетевое оборудование (интернет-узлы, маршрутизаторы, распределительные шкафы и т. д.).
Помимо расходов на полезную работу (обеспечение функционирования процессоров, коммутаторов и жестких дисков) в счетах за электричество находят отражение и затраты на климатизацию ЦОД, хотя, по сути, это своего рода побочный эффект энергопотребления — никто не стал бы охлаждать центры обработки данных только для поддержания комфортной температуры. Прохлада нужна чувствительной электронике серверов и систем хранения данных, поэтому без дополнительных затрат на эксплуатацию систем кондиционирования не обойтись. Эксперты Gartner подсчитали, что в счетах за электроэнергию на долю этой статьи расходов приходится 30–45%.
В промышленно развитой Германии прирост потребления электроэнергии на подобных объектах проявляется не так явно, как в общемировом масштабе, но тенденция налицо — по крайней мере в отношении серверов: с 2008 по 2011 год число устанавливаемых серверов увеличилось на 7% и составило 2,34 млн штук. В дальнейшем потребность в вычислительных мощностях и ресурсах систем хранения наверняка продолжит возрастать.
Тем не менее проблески надежды видны: в 2011 году показатели потребления электроэнергии в ЦОД впервые снизились — на четыре процента, хотя по-прежнему составляют внушительные 9,7 ТВт×ч. Надо отметить, что это снижение соответствует мощности четырех угольных электростанций средней мощности. Правда, расходы владельцев ЦОД на электроэнергию все-таки продолжали повышаться. По данным исследования, проведенного институтом Borderstep, в 2011 году затраты на электроэнергию для питания серверов и центров обработки данных составили 1,2 млрд евро, что на 12% превышает показатели предыдущего года. Рост затрат при одновременном снижении уровня энергопотребления вызван повышением тарифов на электроэнергию.
Последовательный подход к использованию энергии
.png "Эмилиано Чевенини — вице-президент Emerson Network Power Systems в регионе EMEA.")
Проблема сокращения расходов на электричество, которая прежде почти не затрагивала управления ИТ, сегодня стала особенно актуальной ввиду постоянного — иногда значительного — роста тарифов на электроэнергию и увеличения энергопотребления.
Владельцы ЦОД прилагают огромные усилия для улучшения показателей энергоэффективности. Со своей стороны, вендоры регулярно выводят на рынок новые, более эффективные компоненты. Но действительно ли этот подход оправдывает себя и обеспечивает наилучшие результаты с точки зрения экономии энергии?
Уделяя слишком много внимания отдельным составляющим, мы иногда не способны увидеть картину в целом. Не хватает целостного, единого подхода к решению приоритетной задачи — сокращению энергопотребления.
Ввиду того, что проблема экономного потребления энергии становится все более насущной, нам следует по-новому взглянуть на то, каким образом мы добиваемся энергоэффективности. Подход должен быть более последовательным, если мы действительно хотим оценить, каким образом ЦОД потребляет электроэнергию в масштабах всей инфраструктуры, и точно установить, где именно кроется потенциал экономии энергопотребления.
КАК РЕАЛИЗОВАТЬ ПОТЕНЦИАЛЬНЫЕ ВОЗМОЖНОСТИ
Если владельцы и операторы ЦОД хотят реализовать весь потенциал экономии, который имеется у нового энергоэффективного оборудования, им необходимо пересмотреть процедуры организации закупок и задать себе следующий вопрос: стоит ли тратить деньги, чтобы взамен старого оборудования установить на 100% более энергоэффективное, если при этом удастся сэкономить всего лишь 2% от всего потребления энергии в ЦОД?
Чтобы приступить к решению таких задач и определить приоритетные способы экономии электропотребления, нужно точно представлять общую картину энергопотребления ЦОД. Важно установить, какие области ЦОД имеют самый высокий потенциал такой экономии. К примеру, на системы охлаждения, вероятнее всего, приходится большая часть энергопотребления, то есть следующим шагом станет определение мер, которые помогут решить проблемы повышенного расходования энергии этой частью инфраструктуры.
Любая инициатива по сокращению энергопотребления должна основываться на принципах, которые стимулируют использование эффективных ИТ-технологий, особенно процессоров с низким энергопотреблением и источников питания с высоким КПД. Это позволит внедрить подобные технологии в ЦОД в рамках стандартного цикла замены оборудования.
Кроме того, там, где и когда это уместно, нужно предусмотреть программное обеспечение для управления электропитанием, так как его применение позволяет нередко обеспечить намного большее сокращение энергопотребления, чем внедрение какой-либо отдельной технологии, в зависимости от режима использования ЦОД.
Проекты по консолидации ИТ вносят весомый вклад в повышение эффективности функционирования ЦОД. Кроме того, снизить уровень энергопотребления помогают блейд-серверы и технологии виртуализации, они же позволяют реализовать среды высокой плотности, которые обеспечивают реальную оптимизацию.
И наконец, финальные штрихи к формированию последовательной стратегии оптимизации ЦОД: максимум внимания к инфраструктурным решениям и применение комплексного подхода, предусматривающего одновременное использование лучших практических приемов и эффективных технологий с целью повышения энергоэффективности работы источников питания и систем охлаждения. Реальные примеры доказывают, что следование этой стратегии приводит к значительному повышению энергоэффективности ЦОД.
ЦОД БУДУЩЕГО
Когда речь заходит о сокращении энергопотребления в центрах обработки данных, обычно приводятся примеры эффективных ЦОД, которые впервые появились у таких первопроходцев отрасли, как Google и Amazon. Передовицы многих СМИ пестрят заголовками о том, что в этих ЦОД были реализованы реально работающие решения, с помощью которых удалось добиться высокой энергоэффективности.
СМИ зачастую уделяют чрезмерное внимание радикальным инновационным решениям — например, вторичному использованию воды из канализации для охлаждения или выработке электроэнергии для ЦОД с привлечением геотермальной энергии. Слыша подобные истории, люди обычно спрашивают: «Когда мы увидим эти нововведения в обычном, типовом ЦОД?»
Правда в том, что изменения не произойдут мгновенно, прямо сейчас. Опираясь на свой опыт передового поставщика оборудования для критической инфраструктуры мегаЦОД, мы можем утверждать, что, хотя сдвиг в принципах обеспечения энергоэффективности ЦОД и происходит, пройдет некоторое время, прежде чем эти технологии будут использоваться в масштабе всей отрасли. Многие современные центры обработки данных спроектированы в расчете на то, что они будут продолжать работать следующие 15 лет.
Наиболее оптимальный вариант для большинства ЦОД — составить полное представление о всех потребителях энергии и выявить источники потерь, чтобы иметь возможность устранять их по мере того, как трансформируются ПО, приложения, бизнес-модели и инфраструктура.
Несмотря на то что повсеместного радикального улучшения энергоэффективности не наблюдается — и вряд ли это произойдет в скором времени, — для ЦОД тем не менее открывается масса возможностей, в числе которых сокращение затрат на энергопотребление за счет использования целостного и логического подхода к внедряемым системам.
Эмилиано Чевенини — вице-президент Emerson Network Power Systems в регионе EMEA.
Снижение абсолютных показателей энергопотребления стало во многом возможно благодаря изменению эксплуатационных моделей. Активное внедрение таких технологий, как виртуализация, консолидация серверов и облачные вычисления, играет важную роль. Значительно возросла эффективность систем климатизации и ИБП. В другом недавнем исследовании VDE говорится, что внедрение соответствующих технологий позволит втрое сократить потребность объектов ИКТ в электроэнергии.
Интересно, что часть необходимых для этого мер касается не серверных инфраструктур, а построения и эксплуатации сетей мобильной связи. Конструктивные изменения в проводных сетях передачи данных (например, в корпоративных магистральных сетях, где у предприятий установлены собственные маршрутизаторы) должны способствовать тому, чтобы, несмотря на возрастающий трафик, на этих объектах не происходило существенного повышения уровня энергопотребления. Таких результатов можно достичь путем перехода на оптические технологии. А внедрение адаптивных энергетических режимов в телекоммуникационных сетях позволит, по мнению специалистов, обеспечить весомое снижение энергопотребления — до 60%. Однако в исследовании VDE подчеркивается, что необходимые для этого алгоритмы пока отсутствуют.
Усовершенствование серверов и конечных устройств (ПК, ноутбуков и т. д.) тоже будет способствовать сокращению энергопотребления. В исследовании VDE упоминаются динамическая адаптация ресурсов к текущей нагрузке (например, регулировка тактовой частоты процессоров в зависимости от нагрузки), динамически адаптируемые режимы хранения данных или режимы ожидания/сна для всего устройства. Кроме того, энергетический баланс можно улучшить с помощью организационных мер. Так, гораздо выгоднее использовать один сервер с высокой степенью загрузки, чем несколько серверов, на каждый из которых нагрузка незначительна.
Однако наибольший потенциал экономии электроэнергии имеется, пожалуй, в области блоков питания. В целом они обладают достаточно высоким КПД, но нужно принять во внимание то, что эти системы являются центральными компонентами на серверном уровне и на уровне стоек — в обоих случаях вся электроэнергия проходит через блоки питания (Power Supply). Поэтому значение КПД здесь играет ключевую роль. Так, улучшение КПД, к примеру, с 87 до 90% на первый взгляд может показаться не слишком впечатляющим, однако данный показатель соответствует сокращению тепловых потерь на 23%, а значит, добиваясь повышения эффективности блоков питания, имеет смысл бороться за каждый дополнительный процент (см. Рисунок 1).
.png "Рисунок 1. Из-за высокой плотности размещения оборудования в ЦоД требуется более эффективно организовать электропитание, а значит, необходимо повысить кПД блоков питания.") |
| Рисунок 1. Из-за высокой плотности размещения оборудования в ЦоД требуется более эффективно организовать электропитание, а значит, необходимо повысить кПД блоков питания. |
КПД современных блоков питания составляет около 90%. В идеале такие решения следует строить по модульному принципу, чтобы их можно было адаптировать к различным уровням производительности. Один из примеров — модель RCP-2000, которую выпускает тайваньская компания Meanwell, специализирующаяся на разработке блоков питания. Предлагаются три варианта модулей блоков питания для различного выходного напряжения в диапазоне от 12 до 48 В. Уже в исполнении, рассчитанном на 12 В, показатель КПД равен 86%, а в исполнении на 48 В он повышается до 92%. Решающее условие для достижения столь высокого КПД состоит в применении полупроводников последнего поколения. При разработке мощных полупроводниковых приборов главной целью становится высокая энергоэффективность. Каждое новое поколение устройств по своим характеристикам превосходит предшествующее. Современные транзисторные технологии IGBT, MOSFET и JFET уже достигли впечатляющих показателей, однако разработки на основе так называемых широкозонных (Wide-Bandgap) полупроводниковых материалов обещают превысить прежние рекорды — в особенности это касается таких важных параметров, как сопротивление в пропускном направлении и крутизна фронта управляющих импульсов. Основными материалами, обладающими такими характеристиками, являются прежде всего карбид кремния (SiC) и нитрид галлия (GaN). Их внедрение в серийное производство ожидается в ближайшие годы.
При обеспечении высокой производительности и эффективности блоков питания для серверов не менее важное значение имеют схемотехнические решения, где одним из ключевых элементов считается выпрямитель. Современные устройства оснащаются активными синхронными кольцевыми выпрямителями (O-Ring) на MOSFET-транзисторах. По сравнению с применяемой ранее мостовой схемой соединения диодов, кольцо обеспечивает значительное повышение КПД.
ще одна мера для улучшения эффективности заключается в использовании преобразователей повышающего типа с коррекцией коэффициента мощности, поскольку они уменьшают колебания напряжения на выходе. То же самое касается и регуляторов прямого действия, функционирующих на основе принципа широтно-импульсной модуляции. Кроме того, эти меры позволяют повысить плотность мощности устройств или, если посмотреть на это с другой стороны, сократить занимаемую ими площадь.
Йорг Траум — руководитель компании Emtron Electronic.