Energiaellátás és hatékonyság
Több kiszolgálót virtualizálnak és vonnak össze kevesebb fizikai gazdagépen, hogy így növeljék a kihasználtságot és csökkentsék az energiaköltségeket. Ez a fejlesztés hasznos lehet, de a szervezetekben tovább növekszik az IT-hez kapcsolódó szolgáltatások iránti igény. Tovább nő az olyan webes startupcégek száma is, amelyek arányosan nagyobb mennyiségű IT-berendezést igényelnek.
A kiszolgálók kihasználtsága
Hogy lássa, miért fontos a kiszolgálók kihasználtsága, tekintsük az energiafogyasztást, amikor egy kiszolgáló inaktív (a processzorok nem végeznek műveleteket, de a HDD-k forognak, és a RAM és az I/O-eszközök továbbra is fogyasztanak energiát), és vessük össze azzal, amikor a kiszolgáló maximális terheléssel működik (amikor az összes processzor 100%-os kihasználtságú).
A következő képlettel becsülheti meg a $ P $ energiafogyasztást adott (n %-os) kihasználtsággal:
$$ P_{n} = \left( P_{max} - P_{inaktív} \right) \times \frac{n}{100} + P_{inaktív} $$
A gyakorlati mérések alapján ez a közelítés plusz-mínusz 5%-os pontossággal adja meg a kihasználtsági arányokat.
Ha egy szervezet csökkenteni kívánja az összesített havi működési kiadásait, akkor ezt állványon belül és állványon kívül is meg kell tennie. Az utóbbi minimálisra csökkentéséhez először tisztában kell lennie az energiafelhasználás hatékonyságának (PUE) fogalmával.
Az energiafelhasználás hatékonysága
Ahogy a korábbiakban már olvashatta, az adatközpontok jelentős mennyiségű áramot fogyasztanak – ez több kilowatt, vagy akár több megawatt is lehet. Az energia ára az adatközpont működési költségeinek jelentős részét teszi ki, és így hozzájárul a teljes bekerülési költséghez (TCO) is. Mivel a cégek egyre több webes szolgáltatást kínálnak, melyeket adatközpontokban üzemeltetnek, az energia ára fontos eleme lesz a szolgáltatások weben való nyújtása költségének. Emellett az adatközpontokkal kapcsolatos kibocsátások is folyamatosan aggodalmat okoznak. Ezek a gazdasági és környezeti tényezők felgyorsították az érdeklődés növekedését az adatközpontok energiahatékonyságának mérése és javítása iránt.
Az adatközpontok által felhasznált energia megoszlik az IT-berendezések és a támogató berendezések, például az energiaelosztó és a hűtési létesítmények között. Az adatközpontok energiahatékonyságát tekinthetjük az IT-berendezéseknek biztosított energia és az adatközpontnak biztosított összes energia arányának. Egyértelmű és szabványosított hatékonysági metrikákra van szükség ahhoz, hogy az adatközpontok meg tudják ismerni saját energiahatékonyságukat, azonosítani tudják a fejlesztést igénylő területeket és időbeli összehasonlításokat tudjanak végezni.
A Green Grid konzorcium fejlesztette ki a PUE értéket és annak inverzét, az adatközpont-infrastruktúra hatékonyságát (DCIE). A PUE egyszerűen az adatközpontba betáplált összes energia és az IT-berendezések által felhasznált energia hányadosa. A PUE azt méri, hogy a rendszer milyen hatékonyan továbbítja az energiát az adatközpontban használt IT-berendezésekhez.
$$ PUE = \frac{total\ data\ center\ power}{total\ IT\ equipment\ power} $$
Ha az adatközpont PUE értéke 3,0, akkor minden, az IT-berendezésekhez eljuttatott egységnyi energiára 2 egység jut, amelyet az adatközpont-létesítmények (például az energiaelosztás és a hűtés) használnak fel. Minél kisebb a PUE, annál hatékonyabbak az adatközpont-létesítmények. Az ideális PUE érték 1,0, amely azt jelentené, hogy a hatékonyság 100%-os, tehát az adatközpont által felhasznált összes energia az IT-berendezéshez lett eljuttatva.
2007-ben a Lawrence Berkeley National Labs (LBNL) 25 adatközponton végzett energetikai vizsgálatot (lásd a 20. ábrát). A legjobb PUE érték 1,14 volt, melynek eredményeként a telephely energiafogyasztásának körülbelül 87%-a jutott el az IT-berendezésekhez. A legrosszabb esetben (3,0-s PUE érték) csak 33% jutott el az IT-berendezésekhez.
20. ábra: LBNL által vizsgált 25 adatközpont PUE (Lawrence Berkeley National Labs, 2007)
A PUE lehetővé teszi a cégek számára, hogy azonosítsák a fejlesztést igénylő területeket, és nyomon kövessék a PUE változását az idő múlásával.
A PUE egyszerűen az energia hatékony felhasználását méri. A PUE energiafogyasztáshoz hozzájáruló tényezőinek megismerése fontos az adatközpont-tervezési gyakorlatok továbbfejlesztéséhez. A PUE azonban nem elegendő egyetlen mértékként, mert nem veszi figyelembe az IT-berendezések terhelését. Ha a PUE értéke alacsony, de az IT-berendezések nem végeznek hasznos munkát, akkor az adatközpont pénzt veszít. Néhány nemrégiben kialakított gyakorlat részeként alkalmazzák a TCO metrikát, amely a kiszolgáló költségét, azaz annak az energiának a költségét adja meg, amelyet egy adott számítási feladat futtatásakor az egész élettartama során fel fog használni. Ezzel a megközelítéssel az adatközpontok alkalmazásspecifikus optimalizálásokat fognak alkalmazni, amelyek az adatközpont berendezéseinek hatékonyabb használatát fogja eredményezni.
PDU-ágak
Egy korábbi modulban megismerhette a PDU-kat, azaz az energiaelosztó egységeket. Emellett azt is megtudhatta, hogy ha több átalakítás történik, az milyen hatékonyságcsökkenésekhez vezet. Ebben a szakaszban megismerheti a háromfázisú energiaellátás használatának előnyeit, és néhány gyakori buktatót, amelyet el kell kerülnie a PDU-k méretének és számának kiválasztásakor. Ezt a szakaszt nem kell kötelezően elolvasnia, mivel elektrotechnikai témákat részletez.
Az energiaelosztásnak többféle típusa van: az állványszintű, a sorszintű és a teremszintű. Mindegyiknek van egy bemeneti elektromos tápvezetéke, és biztosítania kell egy vagy több elágazó áramkört, úgy, hogy minden ág egy megszakítóval (egy biztonsági eszköz, amely „kioldódik” túlterhelés esetén, így megszakítva az elektromos áram áramlását) van védve. A sorszintű PDU-k esetében az a különbség, hogy ezek általában nagyobb feszültséget vesznek fel, és alacsonyabb feszültséget adnak le egy transzformátor használatával. (A transzformátorok hőt termelnek, így a sorszintű PDU-kban hűtőventilátorok is találhatók.)
22. ábra: Sorszintű és állványszintű PDU-k
A háromfázisú energiaellátással (melyet gyakran a görög fí betűvel jelölnek [3Φ]) hoznak létre és továbbítanak váltakozó áramot. Minden fázis egy szinuszhullám, és a hullámok között 120 fokos távolság van. Az otthonokban nem gyakori a háromfázisú energiaellátás használata, viszont elterjedt az ipari épületekben, és minden modern adatközpontban követelmény. Fontos, hogy az egyes fázisokon mindig a lehető legegyenletesebb legyen a terhelés. Ne csatlakoztasson minden kiszolgálót egyetlen ágra, mielőtt továbblépne a következőre – felváltva ossza el őket. A teljes energiamennyiség, amelyet egy háromfázisú áramkör kezelni képes, minden rézkábel esetében (azonos vastagság vagy méret) nagyobb, mint egyetlen fázisé (1Φ).
| Phase | Teljesítményegyenlet | Szükséges kábelek | Watt és vezeték |
|---|---|---|---|
| 1Φ | $ W = V \* I $ | Fázis, nulla, földelés | 1,0 x |
| 3Φ | $ W = 3 \* \frac{V_{vezeték} \* I_{vezeték}}{\sqrt{3}} $ | 1. fázis, 2. fázis, 3. fázis, nulla, földelés | 1,8 x |
Ha például $V$ = 120 volt és $I$ = 15 amper, akkor az egyfázisú teljesítmény = 1 800W három vezetéken. Ha $V$ = 208 volt és $I$ = 15 amper, akkor a háromfázisú teljesítmény = 5 410W öt vezetéken. (Fontos felidézni, hogy kizárólag az amperben megadott áramerősség határozza meg, hogy milyen vastagságú rézvezeték szükséges.)
Minden ág maximális teljesítményének ismerete fontos ahhoz, hogy meghatározza az IT-eszközök energiaellátásához használt PDU(k) számát és méretét. Az USA-beli elektromos előírások szerint az üzemi áram nem haladhatja meg a megszakító (vagy a biztosíték) névleges értékének 80%-át.
| Címke (amper) | 15 | 20 | 30 | 50 | 70 |
|---|---|---|---|---|---|
| A névlegesről 80%-ra csökkentett korlát | 12 | 16 | 24 | 40 | 56 |
A kiszolgálók nagyon ritkán fogyasztanak annyi wattot, amennyi a tápegységük névleges teljesítménye. Előfordulhat például, hogy a tápegységen 975 W van feltüntetve, de a kiszolgáló csak 650 W-ot fogyaszt maximális kapacitáson. Ezért hasznos a kiszolgálók minden új modelljéről különböző terhelések mellett (inaktív, 25%, 50%, 75%, 100%) áramfogyasztási méréseket készíteni az éles üzembe helyezés előtt.
Redundáns rendszerek kialakításakor gyakran több független útvonalat alakítanak ki az áramforrás és az IT-berendezések között. A redundáns energiaellátási (és hűtési) rendszereket tekinthetjük úgy, mint például a merevlemezeket egy RAID-tömbben. Idézzük fel, hogy egy RAID 1-tükrözés ellenáll egy meghajtó meghibásodásának, de ekkor elveszíti a kapacitás felét. Ez a $2N$ redundanciának felel meg – egyetlen összetevő (például szünetmentes tápegység, generátor, PDU) terhelése sem lehet nagyobb az eredeti kapacitásának 50%-ánál. A RAID 5 továbbra is egyetlen meghajtó meghibásodásának áll ellen, de emellett az egyes meghajtók magasabb kihasználtságát biztosítja – ilyen az $N + 1$ redundancia az energiaellátási és a HVAC-berendezések esetében. A fennmaradó (működő) egységeknek át kell venniük a meghibásodott egység munkaterhelését.
Tegyük fel például, hogy 100 kW-os terheléssel rendelkezik, és redundáns szünetmentes tápegységet szeretne használni. Egy $2N$ rendszerben két szünetmentes tápegységgel rendelkezik, amelyek mindegyike 100 kW-os energiaellátásra képes, a normál terhelésük viszont 50 kW lenne. Ha ehelyett három szünetmentes tápegységet használ, mind kisebb lehet, és 50 kW kezelésére lehet képes, a normál terhelésük viszont 33 kW lehet. Ebben az esetben a kihasználtság nagyobb (50% helyett 66%), így a szünetmentes tápegység működése is hatékonyabb lenne.
Bár a pengekeretek és néhány nagyobb, 4U és 5U méretű kiszolgáló $N+1$ tápegységgel rendelkezik, a legtöbb kiszolgáló és hálózati berendezés $2N$ redundáns tápegységes kialakítású. Emiatt a hagyományos adatközpontokban minden állványhoz két különálló tápvezetéket kell elvezetnie. Így ha az egyik tápvezetéken megszakad az áramellátás, a másik átveheti a helyét. Azonban óvatosnak kell lennie, mivel ha a két tápvezeték egyike meghibásodik, a másik terhelése a duplájára nő. A helytelen feltételezések gyakran egy elágazó áramkör túlterheléséhez vezetnek, ami normál körülmények között észrevétlenül marad. Ezután egyetlen meghibásodás dominóhatást vált ki; túlterheli a fennmaradó ágakat, és kioldja a megszakítókat. Emiatt az egyetlen hiba miatt néhány vagy az összes adott állványon található kiszolgáló áramellátása megszakad.