Ключи к энергетической эффективности

ВЦ включали в себя все необходимые системы жизнеобеспечения, но с появлением мини-ЭВМ, а затем ПК и локальных сетей был запущен маховик децентрализации вычислительных ресурсов. На первых порах она рассматривалась только со знаком «плюс», однако по мере приближения к рабочим местам использование ресурсов компьютера становилось все менее эффективным.

Загрузка современных серверов колеблется в диапазоне 10–25%, а избыточная мощность настольных ПК — еще в несколько раз больше. В дополнение к компьютерам в распределенных корпоративных сетях потребовалось огромное количество сетевых устройств (маршрутизатизоры, коммутаторы и т.п.). Такое оборудование занимает немалую площадь и потребляет много энергии, но не является продуктивным; в сущности, это — паразитные системные компоненты.

Бесконтрольная распределенность систем наряду с избыточным «утолщением» клиентов создают сложности управления и защиты данных. Но эти технические проблемы — еще не самое страшное. Хуже — то, что ИТ-инфраструктура, основой которой являются локальные сети, оказалась увязанной с административной и физической инфраструктурой предприятий. В результате усложняются процессы развития бизнеса, слияния и поглощения, а неизбежные изменения при расширении бизнеса требуют перманентной перестройки ИТ-систем.

Создание центров обработки данных (ЦОДов) позволяет разрубить этот проблемный узел, ведь в ЦОДах можно сконцентрировать вычислительные мощности, сделав ИТ-среду более независимой от организационной структуры предприятия. В какой-то момент казалось, что стеклянные залы с фальшполами, мощными системами кондиционирования и пожаротушения ушли в небытие, но спустя лет двадцать начался обратный процесс централизации вычислительных мощностей. С появлением первых ЦОДов маятник эволюции ИТ-индустрии качнулся от децентрализованных решений к централизованным.

Так что же, назад к мэйнфреймам? Нет. В отличие от мэйнфреймов, которые, по замыслу, были монолитными системами, ЦОДы нового поколения являются модульными конструкциями, способными трансформироваться в соответствии с изменениями требований бизнеса. В идеале, устройство современного ЦОДа можно представить в виде трехуровневого стека. В его основании — аппаратная масштабируемая инфраструктура, состоящая из стандартных компонентов. Над ней находится второй, виртуализационный уровень, а еще выше — средства автоматизации, которые и поддерживают сервисный «стиль» потребления вычислительных ресурсов. Функцией такого ЦОДа являются вычисления, основанные на услугах (Utility Based Computing), а его «продукцией» — вычислительные ресурсы и данные.

Первые ЦОДы в том виде, какими мы их сегодня представляем, начали появляться в конце 90-х. Их создавали компании, предоставляющие услуги через Internet. Поначалу ЦОДы сильно напоминали старые добрые ВЦ, поскольку обычно комплектовались мощными Unix-серверами или мидфреймами. Но всего за несколько лет образ ЦОДов заметно изменился. Сегодня это — комплексы гетерогенного оборудования (серверы, накопители, маршрутизаторы и сетевая инфраструктура), которое устанавливается в стандартные 19-дюймовые стойки, расположенные в кондиционируемых гермозонах. Диапазон устройств может варьироваться от серверов-лезвий и тонких серверов высотой 1U до гигантских, весом в тонны, систем хранения данных.

Позже, когда закончился бум Internet-коммерции, начали появляться корпоративные центры данных. Основным стимулом их развития стало осознание того простого факта, что только централизация вычислительных ресурсов может обеспечить необходимое качество обслуживания и снижение стоимости администрирования ИТ-систем. Лет пять-семь назад обнаружился любопытный казус. Выяснилось, что если сохранится наблюдавшийся в тот момент прирост численности системных администраторов, то в обозримом будущем такой деятельностью должна будет заниматься большая часть трудоспособного населения. В пользу централизации ресурсов сыграло и активное распространение широкополосных каналов связи.

Новейший период в истории ЦОДов начался в 1996–1998 годы. До 2006 года этот период характеризовался постепенным вытеснением классических корпусных серверов стоечными, внедрением лезвийных архитектур и массовым распространением различных систем хранения данных. Для сравнения: десять лет назад на стоечные серверы приходилось всего несколько процентов общего количества серверов, а остальные были классическими корпусными. Сейчас более половины вычислительных устройств ЦОДов — серверы в стоечном исполнении, почти 10% — серверы-лезвия, а доля корпусных систем продолжает уменьшаться. По прогнозам, в 2010 году доля используемых корпусных серверов сократится до 20%, примерно столько же придется на «лезвия», а оставшуюся часть оборудования составят стоечные компьютеры. Эти цифры свидетельствуют о качественных изменениях в структуре серверного парка.

Отметим, что в прошлом пятилетии в фокусе внимания рынка находились компании, выпускавшие программное обеспечение для управления корпоративной ИТ-инфраструктурой. Как обычно бывает, в тот момент, когда задачи обеспечения качества обслуживания и администрирования были почти решены, возникли новые, неожиданные проблемы. Они связаны, в первую очередь, с возросшей стоимостью электроэнергии. В России это обстоятельство пока не стало доминирующим фактором, хотя в мегаполисах проблемы дефицита энергии уже дают о себе знать.

На Западе в 2007 году стоимость потребляемой энергии сравнялась с затратами на закупку нового оборудования, и если тенденции не изменятся, через несколько лет соотношение составит 2:1 в пользу расходов на энергоресурсы. Объем энергии, потребляемой ЦОДами, дойдет в США до 2,5% общенационального энергетического бюджета. Единственным выходом из положения является радикальное сокращение энергопотребления компьютерной техникой.

Сегодня известны два метода решения этой задачи. Первый заключается в сокращении числа корпоративных ПК и их замене тонкими клиентами, второй — в повышении эффективности ЦОДов. Последняя задача распадается на несколько слагаемых: снижение энергоемкости вычислительного и сетевого оборудования, повышение эффективности систем кондиционирования и снижение потерь в системах питания.

Особое беспокойство владельцам ЦОДов доставляют серверы на платформе x86, так как их энергетическая эффективность — в разы хуже, чем у серверов на базе RISC-процессоров и у мэйнфреймов. Как признают специалисты, она находится в пределах 5–15%. Единственное решение проблемы при сохранении унаследованного серверного парка — виртуализация вычислений, которая стала на ИТ-рынке наиболее обсуждаемой темой. Виртуализация позволяет довести энергетический КПД до 80%, а одновременно повысить надежность, готовность, масштабируемость и улучшить другие характеристики вычислительных систем, критически важные для центров обработки данных.

Не вдаваясь в детали, этому феномену можно дать следующее объяснение: если мы консолидируем множество виртуальных серверов на существенно меньшем числе аппаратных платформ, то каждый из этих серверов по-прежнему остается малоэффективным, но не нуждается в дополнительной энергии. Вместе с тем «упакованные» на одной платформе множество виртуальных серверов потребляют заметно меньше энергии, чем аналогичное число физических машин. О популярности решений виртуализации можно судить хотя бы по тому, что в 2006 году в мире работали более 1 млн виртуализированных серверов. Не случайно годом ранее аналитики Gartner назвали виртуализацию мегатенденцией рынка. Мендель Розенблюм, создатель и технический руководитель компании VMware, даже провозгласил наступление эпохи ренессанса виртуализации.

Вот далеко не полный список преимуществ, обеспечиваемых виртуализацией.

• Виртуальная машина может быть использована для консолидации нагрузки отдельных недогруженных серверов или даже одного сервера. Так можно повысить КПД, сэкономить на стоимости оборудования, затратах на энергию и администрирование систем.
• Виртуализация позволяет сохранить аппаратную и программную среду для унаследованных приложений в тех случаях, когда появляются новые компьютеры. Она облегчает условия миграции программного обеспечения и данных на новые аппаратные платформы.
• Средства виртуализации упрощают создание высоконадежных платформ. Ненадежные приложения могут быть изолированы друг от друга, разведены по своим «песочницам» (sandbox). Виртуализация позволяет смоделировать среду, в которой будут одновременно работать несколько операционных систем.
• Виртуальная машина может воплощать в себе реально не существующие, а только разрабатываемые аппаратные средства и сетевые соединения.
• Средства виртуализации способны стать важнейшими инструментами в эпоху активного распространения многоядерных процессоров. За счет их использования можно масштабировать системы, на порядки увеличивая количество физических процессоров или процессорных ядер.

Объединение ресурсов в единый централизованный пул с их последующим гибким распределением открывает массу новых возможностей. Это и создание отказоустойчивых конфигураций, и оптимизация резервного копирования, и управление жизненным циклом информации, и многое другое. Фактор энергетической эффективности чрезвычайно важен, поскольку сервер является вершиной энергетической пирамиды ЦОДа, и до него доходит не более 10% общей потребляемой энергии. Несложно понять, что сокращение потребления «на вершине» пропорционально сократит энергопотребление на нижних уровнях пирамиды.

Развитие вычислительной инфраструктуры ЦОДов сопровождается совершенствованием механических конструкций компьютеров. Повышенное потребление энергии напрямую связано с низкой тепловой эффективностью стоек. Стандарту, по которому они выпускаются, исполнилось более 15 лет. При его разработке об экологических параметрах конструкции еще не задумывались, к тому же он проектировался в расчете на телекоммуникационное оборудование, отличающееся меньшим тепловыделением.

Дальнейшее совершенствование стоек для размещения активного оборудования связано с созданием мобильных ЦОДов, в которых из-за наличия минимального рабочего пространства автоматически ужесточаются требования к тепловыделению. Наибольшую известность получило комплексное решение для ЦОДов Blackbox, разработанное Sun Microsystems.

Компания Rackable Systems предложила свой ЦОД-контейнер ICE Cube. В его основе — модульная конструкция Concentro, от которой и произошло название интегрированной среды Integrated Concentro Environment (ICE). Сейчас она способна вместить в 40-футовый контейнер до 11,2 тыс. ядер процессоров x86-64, или до 7 Тбайт памяти систем хранения.

И все же, чем современный ЦОД отличается от традиционного ВЦ? Вычислительные центры, по сути, были арифметической суммой мощностей, производственными помещениями, где размещали не связанные между собой компьютеры. ЦОД же представляет собой единый организм, связанный средствами виртуализации и технологиями, обеспечивающими централизованное управление ресурсами. Такая централизация и позволяет эффективно решать целый ряд проблем развития, включая энергетические.