Стратегии за енергийна ефективност в центрове за данни

Поради ръста във видео стрийминга, видео конферентните връзки, онлайн гейминга и комуникацията в социалните мрежи, увеличението в интернет трафика между февруари и средата на април 2020 г., когато в световен мащаб стартира въвеждането на мерки за ограничение на разпространението на COVID-19, възлиза на 40%. Този ръст е в допълнение към повишаващите се потребности за дигитални услуги през последното десетилетие – от 2010 г. досега броят на интернет потребителите в света се е удвоил, а интернет трафикът се е увеличил 12 пъти, с около 30% на година, сочат данни на Международния съюз по далекосъобщения (ITU). Очаква се потребностите от данни и цифрови услуги да продължат своя експоненциален растеж през следващите години, като прогнозите са глобалният интернет трафик да се удвои до 2022 г. до 4,2 зетабайта годишно. Броят на потребителите на мобилен интернет ще се увеличи от 3,8 милиарда през 2019 г. на 5 милиарда до 2025 г., а броят на IoT присъединяванията – от 12 милиарда на 25 милиарда за същия период. Тези тенденции водят до експоненциален растеж в потребностите от центрове за данни и мрежови услуги.

Въпреки това бързото реализиране на подобрения в енергийната ефективност спомага за ограничаване на ръста на енергопотребление от центровете за данни.

Измерване на ефективността

В продължение на десетилетия сред приоритетните цели пред операторите на центрове за данни е понижаването на коефициента на ефективност на енергопотребление (Power Usage Effectiveness, PUE). Този параметър представлява съотношение между общата подадена към съоръжението електроенергия и консумираната от IT оборудването енергия, т. е. колкото по-ниска е стойността на PUE, толкова по-висока е енергийната ефективност. Обикновено обаче центровете за данни се характеризират с PUE средно около 1,67, което означава, че от всеки подадени 1,67 W само 1 W достига до IT оборудването.

Други важни показатели са общото енергопотребление, което представлява електроенергията, необходима за функционирането на целия център за данни, и консумацията на енергия на IT оборудването, използвана за управление, пренос, съхранение и обработка на данни. Тези параметри предоставят базова линия, която позволява на операторите да сравняват нивата на енергопотребление на един център за данни с тези на друго съоръжение. Трудности при този процес могат да възникнат обаче вследствие на наличието на повече от един метод за изчисляване на PUE.

Редуциране на ненатовареното IT оборудване

Обикновено IT оборудването работи на много по-нисък капацитет от номиналната му стойност. Сървърите например в повечето случаи се ползват на 5 до 15%, процесорите – на 10-20%, устройствата за съхранение на данни – на 20-40%, а мрежовото оборудване – на 60-80%. Въпреки че това оборудване не е натоварено, то продължава да консумира значително количество от електроенергията, която би използвало при работа на максимален капацитет. Типичният сървър например употребява 30-40% от максималното количество електроенергия, дори и когато не извършва никаква дейност.

Според проучване на Uptime Institute 30% от сървърите в световен мащаб са ненатоварени. Това не оказва въздействие върху PUE на центъра за данни, но води до финансови загуби в размер на 30 млрд. щатски долара на година в резултат на неоползотворената електроенергия. Сред възможните подходи за справяне с този проблем са разпределените изчислителни системи, в които компютрите са свързани и работят като една машина. Увеличаването на броя на центровете за данни, които работят съвместно, повишава тяхната изчислителна мощност, което, от своя страна, води до редуциране или елиминиране на необходимостта от изграждането на отделни съоръжения за всяко специфично приложение.

Виртуализация на сървърите и системите за съхранение

В индустрията има редица примери за неефективно поддържане на специализирани сървъри и системи за съхранение за едно-единствено приложение. Чрез виртуализация обаче сървърите и системите за съхранение могат да бъдат обединени на споделена платформа, като същевременно се поддържа строго разделение между операционни системи, приложения, данни и потребители.

Повечето приложения могат да работят на отделни виртуални машини, които използват общ хардуер с други приложения. Виртуализацията може да донесе значителни ползи за повечето центрове за данни, подобрявайки драстично използването на хардуера и позволявайки редуциране на броя консуматори – сървъри и устройства за съхранение. Подходът може да подобри степента на използване на сървърите от средно 10 до 20% до поне 50-60%.

Консолидиране на сървъри, системи за съхранение и центрове за данни

На ниво сървър свръхкомпактните модулни сървъри (блейд сървъри) могат да подпомогнат процеса на консолидиране, тъй като предоставят по-голяма изчислителна мощност на единица консумирана електроенергия. В сравнение с традиционните сървъри за монтаж в шкаф свръхкомпактните модулни сървъри могат да извършват същите операции с 20-40% по-малко електрическа енергия.

Консолидирането на системите за съхранение е друга възможност за подобряване на енергийната ефективност на центровете за данни. Тъй като твърдите дискове с по-голям капацитет са по-високо енергийно ефективни, консолидирането на системите за съхранение води до подобрено оползотворяване на паметта и същевременно редуциране на консумацията на енергия.

Не на последно място, ако е възможно консолидирането в една локация на центрове за данни, работещи на непълен капацитет, операторите могат да реализират значителни спестявания благодарение на споделените системи за охлаждане и резервираност на захранването.

През последните 5 години енергийните потребности на центровете за данни се запазват относително непроменени, което частично се дължи на преминаването към съоръжения с хипер голям мащаб. Тези центрове за данни са свръхефективни благодарение на организираната им непроменлива архитектура, която лесно може да обхване до няколко десетки хиляди сървъра. Средно, един сървър в център от хипер голям мащаб може да замени 3,75 сървъра в конвенционален център за данни.

Според доклад на Националната лаборатория Лорънс Бъркли от 2016 г. енергопотреблението ще спадне с една четвърт, ако 80% от сървърите в малки центрове за данни на територията на САЩ се преместят в съоръжения с хипер голям мащаб.

Управление на енергопотреблението на централните процесори

Над 50% от електроенергията, необходима за функционирането на един сървър, се изразходва от централния процесор. Производителите на интегрални схеми разработват все по-енергийно ефективни чипсет компоненти, а многоядрената технология позволява обработката на по-големи товари при по-ниска енергоконсумация.

Налични са и други варианти за редуциране на енергопотреблението на централните процесори. Повечето централни процесори разполагат с функции за енергиен мениджмънт, които оптимизират консумацията на електроенергия чрез динамично превключване между различни работни режими в зависимост от степента на използване. Посредством динамично ограничаване на напрежението и честотата на процесора извън пиковите натоварвания се постига значително намаляване на енергийните загуби. Подобен адаптивен подход води до понижаване на енергопотреблението, без да се компрометират изчислителните способности и реализиране на съществени спестявания, когато използването на централния процесор е с променлив характер.

По-ефективни захранвания

Захранванията, които преобразуват подавания променлив ток в постоянен, консумират около 25% от енергийния ресурс на сървърите, заемайки второ място по този показател след централните процесори. Регулаторите на напрежение в точката на натоварване, които преобразуват 12 V DC в различни постояннотокови напрежения, подавани към процесорите и множество чипсет компоненти, са друг източник на неефективност. Съществуват няколко индустриални стандарта, насочени към подобряване на ефективността на сървърните компоненти.

Електроенергията, подавана към центровете за данни, обикновено преминава през непрекъсваемите токозахранващи устройства (UPS) и електроразпределителни системи (PDU), преди да достигне до IT оборудването. Електроразпределителните системи в повечето случаи работят с висока ефективност от 94 до 98%, което показва, че енергийната ефективност се определя предимно от преобразуването на енергията в UPS устройствата.

Фокусирането върху пиковата ефективност обаче е подвеждащо при оценяването на непрекъсваемите токозахранващи устройства, тъй като вероятността PDU да работят при пълно натоварване е малка. В много IT системи се използват два енергийни източника за резервираност, което води до нива на утилизация от 20 до 40%. С оглед на това, експертите разчитат на кривата на ефективността за правилно оценяване на UPS системите.

Електроразпределение при по-високи напрежения

За да се осигури съответствие с глобалните стандарти, на практика цялото IT оборудване е проектирано за работа с входни напрежения, вариращи от 100 V до 240 V AC. Колкото по-високо е напрежението, толкова по-ефективно е оборудването. При експлоатация на UPS при 240/415 V трифазна изходна мощност през четири проводника сървърът може да бъде захранван директно и да се постигне постепенно нарастващо 2-процентно намаление на енергопотреблението на съоръжението.

Добри практики на охлаждане

Охлаждащата система на един център за данни допринася с 30 до 60% за енергийните разходи на съоръжението. За много центрове за данни са налични готови за прилагане възможности за редуциране на разходите за охлаждане чрез добре установени практики. С нарастване на степента на запълване на сървърните шкафове обаче, специалистите насочват вниманието си към технологиите за охлаждане с течности. Конвенционалните системи за въздушно охлаждане са доказали ефективността си при поддържане на безопасна, контролирана среда при степен на запълване от 2-3 до цели 25 kW на шкаф. Операторите обаче се стремят да създадат среда, която да може да поддържа степени на запълване на сървърните шкафове от над 30-50 kW, при които системите за въздушно охлаждане вече не са ефективни. В подобни случаи решение могат да предоставят системи за алтернативно охлаждане, например топлообменници, заменящи задната врата на сървърните шкафове.

По-висока работна температура

В сървърните помещения обикновено се поддържа температура от около 22°C, което води до температури на изход от климатизиращата инсталация от 15 до 16°C.

Експертите от Американското дружество на инженерите за отопление, охлаждане и климатизация (ASHRAE) обаче препоръчват температурни диапазони от 15 до 32°C за повечето нови устройства при допустима влажност от 8 до 80%.

Повишението на работната температура отваря нови възможности за операторите на центрове за данни. То позволява реализиране на по-високи степени на запълване на сървърните шкафове, без да е необходима подмяна на системите за климатизация, тоест без да са нужни допълнителни инвестиции.

Увеличаването на работната температура дава възможност и за прилагане на системи, използващи атмосферен въздух за охлаждане на помещението или охлаждане на вода (т. нар. free cooling), които предлагат много по-атрактивни нива на експлоатационни разходи, особено в регионите с умерен климат. При препоръчителна температура от 25°C вместо 15°C в сървърното помещение периодите от годината, в които free cooling системата може да се използва, без да се прилага климатизация, значително се удължават. Това генерира съществени енергийни спестявания и подобрява PUE.

Включване към интелигентната мрежа

Интелигентните електроразпределителни мрежи дават възможност за двупосочен пренос на енергия и информация и могат да се превърнат в ключов фактор за интегрирането на възобновяема енергия и концепцията за разпределено генериране на енергия. В допълнение с помощта на системи за мониторинг и управление интелигентната мрежа може да спомогне за справяне с флуктуациите, характерни за възобновяемите енергийни източници.

Операторите на центрове за данни могат не само да черпят чиста електроенергия от мрежата, но и да инсталират генератори на възобновяема енергия в съоръженията си, превръщайки ги в източник на електроенергия. Генераторите и консуматорите могат да взаимодействат помежду си в реално време, предоставяйки ефективни инструменти за получаване на допълнително захранване или сигнали за аварийно намаляване на товарите.