Соберите несколько ИТ-менеджеров, и очень скоро темой их обсуждения станет «слабое звено» развития ЦОДа — электропитание. Хотя современные центры обработки данных позволяют сосредотачивать все больше информации на меньшей площади, использование компьютерного оборудования высокой плотности может стать причиной огромных дополнительных расходов.

Во-первых, серверы 1U/2U высокой плотности и blade-серверы потребляют энергии в 3–5 раз больше, чем оборудование предыдущего поколения, занимающее ту же площадь. Согласно исследованию Uptime Institute, потребление электроэнергии в центрах обработки данных США выросло с 1999 по 2005 год на 39%.

Во-вторых, за последние годы тарифы на электроэнергию повышались несколько раз. В результате эта статья расходов достигла 20–30% эксплуатационного бюджета ЦОДов. Для многих ИТ-организаций расходы на электроэнергию стали самой крупной составляющей совокупной стоимости владения и основным фактором, сдерживающим расширение ИТ-систем. Согласно данным аналитической компании IDC, на каждый доллар, потраченный на новые аппаратные средства, дополнительно тратится 50 центов на электропитание и охлаждение. И это — в два раза больше, чем пять лет назад.

В третьих, blade-серверы вырабатывают много тепла. При потребляемой мощности 30 кВт на стойку для их охлаждения требуется оборудование, эквивалентное по мощности двум бытовым кондиционерам. Необходимость охлаждения компактных серверов приводит к росту расходов на электроэнергию при увеличении производительности ЦОДа. Если вы заинтересованы в сокращении затрат на электроэнергию, читайте дальше, и вы узнаете, как этого добиться.

Резервы экономии

Даже в малом ЦОДе можно сэкономить десятки тысяч долларов за счет разумного выбора методов управления, аппаратного обеспечения, инфраструктуры питания и охлаждения. Например, трехлетняя экономия расходов на электричество при использовании энергосберегающего сервера достигает примерно уровня стоимости этого сервера. При сочетании энергосберегающих серверов с эффективными системами питания и охлаждения в ЦОДе среднего размера (1500 серверов) удастся сэкономить миллионы долларов, при этом уменьшив площадь размещения оборудования. Согласитесь, неплохо!

При нынешних технологиях и методах работы ИТ-менеджеры могут сократить потребление энергии ЦОДа на 50% без снижения уровня его функциональности и надежности. Вот семь основных способов экономии электроэнергии в ЦОДе:

  • отключите от питания неиспользуемое ИТ-оборудование;
  • виртуализируйте серверы;
  • объедините серверы, центры хранения и обработки данных;
  • активируйте функцию управления питанием центрального процессора;
  • используйте ИТ-оборудование с высокоэффективными блоками питания;
  • используйте системы бесперебойного питания (ИБП) с высоким КПД;
  • перейдите на лучшие методы охлаждения ЦОДа.

Способ №1. Отключите неиспользуемое ИТ-оборудование

Основная проблема заключается в том, что ИТ-оборудование потребляет много энергии, даже когда работает при малых нагрузках. Серверы обычно используются только на 5–15%, ПК — на 10–20%, приданные запоминающие устройства (ЗУ) — на 20–40%, а сетевые ЗУ — на 60–80%. Если какие-то из этих устройств простаивают (то есть их рабочая нагрузка гораздо ниже «штатной» производительности), они все равно потребляют электроэнергию. Типовой сервер x86 потребляет 30–40% максимального питания, даже если не выполняет какой-либо работы. За каждый миг простоя приходится платить, ничего не получая взамен.

Наиболее очевидный шаг — определить, какие вычислительные системы имеют низкую степень использования, и выключить их питание. Но даже если система является хостом лишь одного редко используемого приложения, ее вывод из постоянной эксплуатации может встретить противодействие. Нужно предусмотреть более рентабельные способы обслуживания этого приложения. Энергосбережение и эффективные методы ИТ-управления должны преобладать над расточительными решениями.

Другой способ заключается в том, чтобы определить и предотвратить «вспучивание» — применение неэффективного программного обеспечения, которое задействует излишние циклы центрального процессора (ЦП). Переход на более эффективное ПО помогает сократить количество циклов ЦП, что дает возможность вычислительной платформе обрабатывать больше данных при неизменном уровне энергопотребления.

Способ №2. Виртуализируйте серверы

Зачастую программные приложения неэффективно распределены в ЦОДе по многочисленным аппаратным платформам. Пример: наличие специально выделенных сервера и ЗУ для каждого приложения — просто для сохранения демаркационных линий между этими системами. В таком случае каждая вычислительная платформа потребляет энергию, соответствующую пиковой нагрузке, хотя выполняет очень малый объем работы.

Для решения проблемы применяйте виртуализацию, иными словами — повысьте КПД ИТ-оборудования. С помощью виртуализации менеджеры ЦОДа могут группировать серверы и ЗУ на одной платформе, сохраняя строгое разделение между операционными системами, приложениями, данными и пользователями. Большая часть приложений может выполняться на отдельных «виртуальных машинах», которые вместе с другими приложениями совместно задействуют одни и те же аппаратные средства. Виртуализация значительно повышает уровень использования аппаратных средств и позволяет сократить число серверов и ЗУ, потребляющих энергию. Считается, что за счет виртуализации можно увеличить утилизацию ИТ-ресурсов машин x86 с 10–20% до 50–60%.

Правда, подходит такой способ не всем. Ведь ЦОД может предназначаться для обслуживания периодических пиковых нагрузок, например для поддержки сезонных распродаж в розничной сети. В этом случае наличие неиспользуемых аппаратных средств с недостаточной виртуализацией — нормальное явление. Но виртуализация может принести большие выгоды многим владельцам типовых ЦОДов.

Способ №3. Объедините серверы, центры хранения и обработки данных

Суть проблемы та же: ИТ-оборудование потребляет почти максимум энергии, даже когда недозагружено. Однако причина низкого уровня утилизации ресурсов теперь другая: приложения, ЗУ и другие компоненты ЦОДа целиком дублируются на аппаратном уровне или концентрируются в тех местах, где их быть не должно.

Можно объединить множество блоков с низким КПД в меньшее количество более производительных систем. На уровне серверов компактные машины обеспечивают более высокую плотность обработки данных на единицу потребляемой энергии. Повышение энергоэффективности обеспечивается благодаря тому, что каждый компактный сервер имеет общие с другими серверами блок питания, вентиляторы, подключение к сети и ЗУ, расположенные в одном компактном шасси.

Компактные серверы способны выполнять ту же работу, что и традиционные серверы, монтируемые в стойку, но потреблять энергии на 20–40% меньше. При стоимости электроэнергии 10 центов за кВт•ч в ЦОДе с 1 тыс. серверов можно экономить до 175 тыс. долл. ежегодно, используя больше компактных серверов.

Сэкономить электроэнергию удается и за счет объединения ЗУ. Более крупные дисководы эффективнее расходуют энергию, поэтому рассмотрите этот вопрос.

Способ №4. Активируйте функцию управления питанием ЦП

Более 50% энергии, необходимой для работы сервера, потребляет центральный процессор. Проблема состоит в том, что ЦП может потреблять энергии больше, чем необходимо. Производители микросхем, такие как Intel и AMD, разрабатывают энергосберегающие наборы микросхем, многоядерные технологии, позволяющие обрабатывать более высокие нагрузки при меньшем энергопотреблении. Но известны и другие способы сокращения энергопотребления центральным процессором.

Меняйте энергопотребление ЦП в соответствии с уровнем его использования. Некоторые современные ЦП имеют функцию управления питанием, позволяющую оптимизировать энергопотребление с помощью динамического переключения состояний производительности (комбинаций частоты и напряжения) без необходимости перезагрузки. Когда ресурсы ЦП высвобождаются, функция управления питанием минимизирует непроизводительный расход энергии посредством динамического понижения производительности ЦП.

Если ЦП работает почти на пределе возможностей большую часть времени, эта функция даст не так уж много преимуществ. Но она обеспечит значительную экономию в типичных сценариях варьирования уровня использования ЦП. Если ЦОД, состоящий из 1 тыс. серверов, сократит энергопотребление ЦП на 20%, ежегодная экономия составит 175 тыс. долл.

Многие пользователи приобрели серверы с функцией управления энергопотреблением ЦП, но не активировали ее. Если у вас она есть, включите ее. Если нет, учтите такую возможность при покупке серверов в будущем.

Способ № 5. Используйте эффективные блоки питания

Второй после ЦП крупнейший потребитель энергии — блок питания (БП), который преобразует переменный ток на входе в постоянный ток на выходе и нуждается для выполнения этой задачи примерно в 25% энергетического потенциала сервера. Третьими по уровню потребления считаются регуляторы напряжения (РН) в точке нагрузки: они преобразуют 12 В постоянного тока в ток разного напряжения, который требуется для процессора и наборов микросхем.

Таким образом, суммарная эффективность работы сервера зависит от эффективности внутреннего распределения питания и регулирования напряжения. Типичный блок питания работает с КПД около 80%, а часто и менее (60–70%). В стандартном сервере с блоком питания, который работает с КПД 80%, и с регуляторами напряжения, имеющими КПД 75%, конечный КПД преобразования энергии сервера составит примерно 60%.

Это означает, что нужно использовать сертифицированные энергосберегающие блоки питания и регуляторы напряжения. Начальная стоимость такого блока питания — выше, чем у обычного БП, но экономия энергии быстро возместит затраты. Если блок питания работает с КПД 90%, а регуляторы напряжения — с КПД 85%, то суммарная эффективность использования энергии сервером составит более 75%. ЦОД с 1 тыс. серверов может сэкономить 130 тыс. долл. в год на счетах за электроэнергию только благодаря такому изменению.

Способ №6. Используйте ИБП с высоким КПД

Известно, что большая часть ИТ-оборудования получает питание не от городской сети. Электропитание обычно поступает через систему бесперебойного питания (ИБП) к блокам обеспечения и распределения питания (БРП), которые передают ток с требуемым напряжением стойкам и корпусам. БРП чаще всего работают с КПД 94–98%, поэтому эффективность инфраструктуры питания определяется эффективностью преобразования энергии в ИБП. Сколько энергии потребляет ИБП для того, чтобы поддерживать напряжение в допустимых пределах и обеспечивать резервное питание от аккумулятора в аварийных ситуациях? Немало.

Используйте преимущества новых высокоэффективных систем защиты питания. Прогресс в этой области позволил значительно повысить эффективность ИБП. В 80-е годы в большинстве источников использовались тиристоры для преобразования постоянного тока, поступающего от аккумуляторов, в переменный ток. Оборудование на базе этой технологии характеризовалось низкой частотой переключения и в лучшем случае имело КПД 75–80%. С появлением в конце прошлого века новых переключающих устройств с биполярным транзистором, имеющим изолированный затвор (IGBT), частота переключений возросла. Соответственно, сократились потери энергии при ее преобразовании, и КПД многих ИБП достиг 85–90%. Новейшие компактные ИБП работают с КПД до 97%.

Даже небольшое увеличение эффективности ИБП может обернуться экономией. Если новый ИБП потребляет на 10% меньше энергии, чем старый, то ЦОД на 1 тыс. серверов может сэкономить более 86 тыс. долл. на счетах за электричество. Кроме того, благодаря высокой эффективности ИБП продлевается рабочий цикл аккумуляторов и создается более прохладная среда внутри ИБП. Работа в условиях меньших температур позволяет продлевать срок службы компонентов, увеличивать общую надежность и производительность системы. Замена устаревающих ИБП на менее энергоемкое оборудование весьма оправданна в современных условиях, в которых долгосрочные прогнозы роста стоимости электроэнергии является серьезным фактором при оценке совокупной стоимости владения.

Способ №7. Перейдите на лучшие методы охлаждения

От 30 до 60% энергетических затрат ЦОДа приходится на поддержку систем охлаждения. Эта цифра может быть и выше, если системы охлаждения машинных залов размещены неэффективно или работают неправильно. Простые, доступные по цене методы позволяют увеличить возможности системы охлаждения и сократить расходы.

Конфигурации с горячими и холодными коридорами позволяют более эффективно отводить тепло от серверов и требуют меньших энергетических затрат на охлаждение. Используйте перекрывающие панели внутри стоек и шкафов для оборудования, чтобы воздух из горячих коридоров не смешивался с воздухом из холодных. Устанавливайте блоки кондиционирования перпендикулярно горячим проходам, чтобы добиться максимального охлаждения там, где оно нужно больше всего. Дальнейшей оптимизации систем охлаждения можно добиться с помощью более эффективных кондиционеров и охладителей, в которых применяются передовые технологии, например приводы с изменяемой частотой, воздушные и водяные экономайзеры и т.п. Если наш гипотетический ЦОД на 1 тыс. серверов с помощью указанных методов сократит расходы на охлаждение на 25%, то экономия расходов на электроэнергию составит 109 тыс. долл.

Как уже говорилось, современные ИБП могут снизить расходы на охлаждение. Более эффективный ИБП рассеивает меньше тепловой энергии, вследствие чего сокращаются такие затраты. Например, ИБП с КПД 97% способен снизить в системе мощностью 60 кВт расходы на кондиционирование воздуха на 246 долл. в месяц — по сравнению с ИБП, КПД которого ниже всего на 5%.

Интегральный эффект

Сочетание энергоэффективного ИТ-оборудования с энергосберегающими инфраструктурой питания и стратегией охлаждения дает интегральный эффект. Рассмотрим, например, сервер 1U, потребляющий 300 Вт электричества. В обычном ЦОДе для обеспечения работы этого сервера потребовалось бы около 1341 Вт внешней энергии. На электропитание сервера вы потратили бы 3,5 тыс. долл., что почти равно стоимости его приобретения.

Представим, что у вас есть лучшие в своих классах устройства — энергосберегающие серверы, системы распределения питания и охлаждения. Теперь серверу 1U для работы требуется всего 696 Вт энергии от внешней сети. За три года лучшее оборудование и лучшие методы позволят сэкономить более 1,7 тыс. долл. только на оплате электроэнергии. Малый ЦОД с 350 такими серверами за то же время сэкономит более 0,5 млн долл. долл. В нашем гипотетическом ЦОДе на 1 тыс. серверов при реализации всех упомянутых способов энергосбережения экономия достигнет 1,5 млн долл. в год.

При более эффективном распределении энергии вы не только уменьшите счета за электричество и общие эксплуатационные расходы, но и добьетесь отсрочки того момента, когда системы резервного питания и охлаждения придется модернизировать для обеспечения их соответствия требованиям растущего ЦОДа.

Шрирам Рамакришнан (UPSRussia@Eaton.com) — руководитель подразделения решений для ЦОД корпорации Eaton

Система электропитания ЦОДа (схема)