Обзор «зеленых» энергетических стратегий и методик для современных центров обработки данных

Рис. 1. Средние значения PUE ЦОД, данные за 2011 – 2014 годы.

Источник: результаты отраслевого исследования ЦОД 2014 года, Uptime Institute

Рост объемов больших данных и развитие Интернета вещей (IoT) в последние годы стали катализатором строительства новых ЦОД. Параллельно с этим обеспокоенность состоянием окружающей среды потребовала уделять больше внимания энергосбережению. Затраты на электроэнергию в общей стоимости владения ЦОД уступают только расходам на содержание персонала. В сторону центров обработки данных часто звучат упреки в недостаточной экологичности (см. ежегодные рейтинги, публикуемые Greenpeace). Но в реальности, например, на долю ЦОД в США приходится всего 2% общего энергопотребления, и это меньше среднемирового значения. Это демонстрирует, что операторы предпринимают различные меры по экономии энергии и снижению объема углеродных выбросов.

Во многих ЦОД, однако, еще не внедрена система оценочных показателей, а следовательно, не выработаны стандарты энергосбережения. Несмотря на то, что споры относительно целесообразности PUE продолжаются, это – до сих пор основной метод оценки эффективности инфраструктуры ЦОД, на который следует опираться при выработке и реализации «зеленых» стратегий.

«Зеленая» стратегия для ЦОД 

Согласно статье "Characteristics of Low Carbon Data Centres" (Особенности ЦОД с низким уровнем углеродных выбросов), опубликованной на сайте Nature Climate Change, ключевыми факторами, определяющими объем выделяемых ЦОД парниковых газов, являются энергоэффективность и уровень углеродных выбросов ИТ-оборудования – серверов, устройств хранения данных, коммуникационных устройств и инфраструктуры (систем вентиляции и охлаждения, нагнетателей и распределителей питания). В этой статье приводятся рекомендации по совершенствованию энергопотребления, которые могут оказаться полезными в проектах «зеленых» ЦОД.

Ниже мы перечислим 7 главных стратегий, способных улучшить параметры энергопотребления и оптимизировать PUE.

Стратегия 1: регулярный контроль оборудования 

Мировые ИТ-гиганты, такие как Facebook, Google и Apple, непрерывно исследуют пути совершенствования эффективности работы ЦОД. Их методы могут показаться чересчур масштабными, но мы в качестве первой стратегии предложим то, что под силу любой организации – регулярный контроль всего установленного оборудования.

Как правило, в ЦОД много ненужной аппаратуры. Можно обнаружить серверы, которые установлены в стойку, но реально не используются. Они занимают место в стойке, потребляют большое количество энергии и снижают PUE. Uptime Institute в 2013 году исследовал эту проблему и установил, что около половины респондентов не проводят систематических проверок и не отключают незадействованные серверы. Американская организация EPA также сообщает, что в большинстве ЦОД не реализованы процедуры эффективного мониторинга инфраструктуры и ИТ-оборудования для контроля за их энергопотреблением. В этом направлении еще многое предстоит сделать.

Например, в Barclays Bank в 2013 году было отключено 9124 сервера, не выполнявших никаких полезных задач, и это позволило снизить энергопотребление, уменьшить нагрузку на систему кондиционирования и освободить место в стойках. Вычислительные возможности возросли, а сумма в счетах за электроэнергию сократилась на 4,5 млн долларов. Таким образом, ограничение количества задействованных серверов – это явное преимущество.

Помимо ИТ-оборудования, регулярной проверки требуют и другие элементы инфраструктуры, например источники бесперебойного питания (ИБП). В настоящее время отрасль постепенно отказывается от моноблочных трансформаторных ИБП и широко внедряются модульные бестрансформаторные. При выборе ИБП, чтобы обеспечить энергосбережение в ЦОД, необходимо руководствоваться двумя условиями:

• Масштабируемость. Применение модульных ИБП позволяет наращивать количество модулей питания при расширении ЦОД. Когда оборудование в серверной только начинает монтироваться, установка модульных ИБП не требует крупных вложений средств, а сами устройства электропитания занимают минимально необходимый объем. Добавление новых ИБП по мере необходимости происходит безболезненно (рис. 2). От ИБП, кроме того, требуется поддержка параллельной работы нескольких устройств, чтобы обеспечить масштабируемость.

  

  Рис. 2: Модульный ИБП с возможностью расширения

• Высокий КПД при малых нагрузках. Для обеспечения надежности ИБП обычно включаются с резервированием по схеме N+X или на сдвоенной шине 2N. Это означает, что нагрузка обычно составляет 30…40 % от максимальной или даже меньше. Поэтому заявляемый производителем высокий КПД при полной нагрузке – еще не все, что требуется. В отчете 2013 года компании Gartner, занимающейся исследованиями рынка, говорится, что следует также обращать внимание на график зависимости КПД от нагрузки (см. рис. 3) при нагрузках от 20 до 100 %. Возьмем для примера модульный ИБП с выходной мощностью 200 кВА и повышенным КПД. Если принять во внимание перепады между нагрузкой ЦОД в дневное и ночное время, разница в потреблении между высокоэффективным и обычным ИБП может достигать 5 %. 

  

  Рис. 3. График КПД ИБП.

• ежегодная экономия до 560 долл. на каждый сервер; 
• сокращение выделения тепла и затрат на кондиционирование; 
• высвобождение пространства и расширение вычислительных возможностей.

Побочным эффектом виртуализации и применения блейд-серверов являются дополнительные требования по регулированию температуры в ЦОД. Эта проблема решается путем организации зон холодного и горячего воздуха, а также установкой межрядных кондиционеров (рис. 5).

Рис. 5. Зона холодного воздуха и технология межрядного кондиционирования в ЦОД с высокой плотностью мощности.

Стратегия 4: повышение эффективности охлаждения

По объему энергопотребления система охлаждения ЦОД уступает только ИТ-оборудованию. Поэтому, чтобы понять, как охлаждение воздействует на PUE и какие пути существуют для совершенствования, следует вести мониторинг энергопотребления и выполнять необходимые замеры.

Подход Google

Показатель PUE в центрах обработки данных Google составляет 1,12, и на это значение следует равняться всей отрасли. В недавнем отчете Android Emotions говорится, что новые продукты Google AI направлены на то, чтобы сделать PUE еще более низким. Представители Google поделились историей о том, что делают менеджеры и операторы их ЦОД для снижения PUE, опубликовав в блоге статью «Эффективность: как этого добиться». Были описаны три подхода к более эффективному охлаждению в ЦОД:

• Управление воздушными потоками. Хорошо организованные зоны горячего и холодного воздуха исключают смешивание воздуха разных температур, что делает систему охлаждения более эффективной. Для ликвидации зон температурного максимума следует установить в нужных позициях термодатчики, данные с которых обрабатываются в компьютерной системе. По данным EPA, эффективная организация зон горячего и холодного воздуха способна снизить энергопотребление системы вентиляции на 25 %, а системы кондиционирования – на 20 %.

  

  Рис. 6. Зона горячего воздуха.

• Повышение температуры воздуха. Google развенчал миф о том, что в ЦОД следует поддерживать температуру 20°C и на деле доказал, что в зоне холодного воздуха может поддерживаться температура 27°C. Такое повышение температуры, позволяющее ограничить продолжительность работы теплообменников и воздухоосушителей, эффективным образом сокращает энергопотребление.
• Естественное охлаждение. Кондиционеры в системах охлаждения потребляют значительный объем энергии. Если погодные условия позволяют, можно воспользоваться естественным охлаждением. Холодный воздух нагнетается в помещения ЦОД, а отработанный – выпускается наружу. Среди других элементов естественного охлаждения можно отметить испарители и тепловые аккумуляторы.