Мощность и эффективность
Многочисленные серверы виртуализируются и объединяются на меньшем количестве физических узлов, что позволяет повысить эффективность использования ресурсов и снизить затраты электроэнергии. Это улучшение полезно, но потребность организаций в службах, связанных с ИТ, продолжает расти. Количество компаний-стартапов, работающих через сеть, у которых пропорционально выше спрос на ИТ-оборудование, также продолжает расти.
Использование ресурсов сервера
Чтобы знать, почему важно использование ресурсов сервера, давайте рассмотрим энергопотребление, когда сервер бездействует (процессоры не выполняют никаких действий, но жесткие диски вращаются, оперативная память и устройства ввода-вывода по-прежнему потребляют электроэнергию), по сравнению с энергопотреблением при максимальной нагрузке (когда все ЦП имеют уровень использования 100 %).
Используйте следующую формулу, чтобы оценить энергопотребление $ P $ при определенной нагрузке (n%):
$$ P_{n} = \left( P_{max} - P_{idle} \right) \times \frac{n}{100} + P_{idle} $$
Практические измерения показывают, что это приближение будет точным в пределах плюс-минус 5 % для коэффициентов использования.
Если организация хочет уменьшить общие месячные эксплуатационные расходы, нужно вносить изменения как внутри стоек, так и за их пределами. Чтобы снизить расходы за их пределами, необходимо сначала разобраться в коэффициенте энергоэффективности (PUE).
Эффективность энергопотребления
Как вы читали ранее, центр обработки данных потребляет значительный объем энергии, от киловатт до нескольких мегаватт. Стоимость электроэнергии является значительным элементом эксплуатационных расходов для центров обработки данных и, следовательно, влияет на их совокупную стоимость владения. По мере того как компании предлагают все больше веб-служб, размещенных в центрах обработки данных, стоимость электроэнергии становится важным элементом расходов на предоставление услуг через Интернет. Кроме того, выбросы, связанные с центрами обработки данных, являются постоянной проблемой. Эти экономические и экологические факторы усиливают интерес к измерению и повышению эффективности работы центров обработки данных.
Энергия, потребляемая центром обработки данных, делится между ИТ-оборудованием и вспомогательным оборудованием поддержки, таким как оборудование для распределения питания и средства охлаждения. Энергоэффективность центра обработки данных можно рассматриваться как отношение объема энергии, доставляемого ИТ-оборудованию, к общему энергопотреблению в центре обработки данных. Четкие и стандартизированные метрики эффективности необходимы для того, чтобы помочь центрам обработки данных анализировать эффективность их энергопотребления, определить области для улучшения и выполнять сравнения с течением времени.
Консорциум Green Grid разработал как коэффициент энергоэффективности (PUE), так и наоборот, эффективность инфраструктуры центра обработки данных (DCIE). Коэффициент энергоэффективности — это просто общая мощность, потребляемая центром обработки данных, поделенная на мощность, используемую ИТ-оборудованием. Коэффициент энергоэффективности измеряет эффективность доставки электроэнергии ИТ-оборудованию в центре обработки данных.
$$ PUE = \frac{total\ data\ center\ power}{total\ IT\ equipment\ power} $$
Если коэффициент энергоэффективности центра обработки данных равен 3,0, то вспомогательное оборудование центра обработки данных (например, оборудование распределения питания и охлаждения) использует 2 единицы энергии на каждую единицу, доставляемую ИТ-оборудованию. Чем меньше коэффициент энергоэффективности, тем эффективнее центр обработки данных. Идеальный коэффициент энергоэффективности — 1,0, что означает эффективность 100 %,то есть вся мощность, потребленная центром обработки данных, была доставлена ИТ-оборудованию.
В 2007 году Национальная лаборатория имени Лоуренса в Беркли (LBNL) выполнила исследование энергопотребления 25 центрами обработки данных (см. рис. 20). Лучший реальный коэффициент энергоэффективности, 1,14, означает, что примерно 87 % энергии доставлено ИТ-оборудованию. В худшем случае (коэффициент энергоэффективности 3,0) только 33 % достигает ИТ-оборудования.
Рис. 20: PUE из 25 центров обработки данных, изучаемых LBNL (Лоуренс Беркли Национальный лаборатории, 2007)
Коэффициент энергоэффективности позволяет компаниям находить области для улучшения, действовать в этих областях и отслеживать улучшение коэффициента энергоэффективности с течением времени.
Коэффициент энергоэффективности просто измеряет эффективность использования электроэнергии. Для улучшения принципов проектирования центров обработки данных важно понимать, что влияет на коэффициент энергоэффективности. Однако коэффициент энергоэффективности сам по себе не является достаточным показателем, так как он не учитывает нагрузку на ИТ-оборудование. Если коэффициент энергоэффективности невелик, но ИТ-оборудование не выполняет полезную работу, центр обработки данных теряет деньги. Недавние рекомендации включают использование показателя совокупной стоимости владения, который зависит от стоимости сервера, а именно — общей стоимости энергии, которая будет потребляться при выполнении определенной рабочей нагрузки в течение всего срока использования сервера. Этот подход позволяет центрам обработки данных использовать оптимизацию под конкретные приложения, что приведет к более эффективному использованию их оборудования.
Ветви БРП
В более раннем модуле мы представили БРП или блок распределения питания. Мы также рассказали о потерях, связанных с несколькими преобразованиями. В этом разделе показаны преимущества использования трехфазного питания, а также некоторые распространенные ошибки, которых следует избегать при выборе размеров и количества БРП. Этот раздел является дополнительным чтением, так как он углубляется в детали, касающиеся электрического проектирования.
Существует несколько типов распределения питания: уровень стойки, уровень ряда и уровень комнаты. Все они имеют входной канал питания и предоставляют одну или несколько схем ответвления, каждая из которых защищена автоматическим прерывателем (устройство безопасности, которое срабатывает при наличии перегрузки, прерывая подачу электричества). Разница с БРП на уровне рядов заключается в том, что обычно они принимают более высокое напряжение и выдают более низкое, используя трансформатор. (Трансформаторы создают тепло, так что внутри БРП уровня рядов также имеются вентиляторы охлаждения.)
Рис. 22. Уровни строк и ЦП уровня стоек
Переменный ток генерируется и передается посредством трехфазного питания (часто обозначаемого греческой буквой фи [3Φ]). Каждая фаза является синусоидой между волнами 120 градусов. Трехфазное питание редко встречается в жилых домах, но распространено на предприятиях и обязательно в любом современном центре обработки данных. Важно, чтобы нагрузка каждой фазы была распределена как можно равномернее. Не следует подключать все серверы к одной ветви, прежде чем переходить к следующей — разносите их равномерно. Общая мощность, с которой может справиться трехфазное питание, больше, чем у однофазного (1Φ) для каждого медного провода (при тех же толщине или калибре).
| Этап | Уравнение мощности | Требуется проводов | Ватты и провод |
|---|---|---|---|
| 1Φ | $ W = V \times I $ | Под напряжением, нейтральный, земля | 1,0 x |
| 3Φ | $ W = 3 \times \frac{V_{line} \times I_{line}}{\sqrt{3}} $ | Фаза 1, фаза 2, фаза 3, нейтральный, земля | 1,8x |
Например, если $V$ = 120 вольт и $I$ = 15 ампер, то однофазная мощность = 1800 Вт на каждые три провода. Если $V$ = 208 вольт и $I$ = 15 ампер, то трехфазная мощность — 5410 Вт на пять проводов. (Вспомним, что только количество тока на ампер определяет требуемую толщину медного кабеля.)
Знание максимальной мощности любой ветви важно для выбора количества и размера БРП, необходимых для питания ИТ-оборудования. Электротехнические правила и нормы США указывают, что ток не должен превышать 80 % от номинала прерывателя (или предохранителя).
| Марка (ампер) | 15 | 20 | 30 | 50 | 70 |
|---|---|---|---|---|---|
| Предел 80 % при облегченном режиме | 12 | 16 | 24 | 40 | 56 |
Сервер редко потребляет количество ватт, соответствующее номиналу источника питания. Например, блок питания имеет рейтинг 975 Вт, но при максимальной загрузке сервер может использовать только 650 Вт. По этой причине полезно измерять энергопотребление каждой новой модели сервера при различных нагрузках (бездействует, 25 %, 50 %, 75 %, 100 %) перед его помещением в рабочую среду.
При проектировании избыточной системы часто используется несколько независимых путей от источника питания к ИТ-оборудованию. Избыточные системы питания (и охлаждения) можно представить себе как жесткие диски в RAID. Вспомним, что зеркальный массиве RAID 1 позволяет выдержать неисправность диска, но при этом также теряется половина емкости. Это аналогично избыточности $2N$ — при ней нельзя загрузить один компонент (например, ИБП, генератор, БРП) более чем на 50 % от исходной емкости. RAID 5 по-прежнему позволяет неисправность одного диска, но предоставляет более высокий уровень использования отдельных дисков. Его эквивалентом для систем питания и кондиционирования является избыточность $N+1$. Остальные (рабочие) модули должны взять на себя нагрузку неисправного.
Например, у нас есть нагрузка 100 кВт и желание иметь избыточные ИБП. В системе $2N$ имеется два ИБП, каждый из которых может подать 100 кВт, но их нормальная нагрузка будет составлять 50 кВт. Если вместо этого используются три ИБП, каждый из них может быть меньше, с максимальной нагрузкой 50 кВт, но его нормальная нагрузка будет 33 кВт. В этом случае уровень использования будет выше (66 % вместо 50 %), поэтому ИБП также будет работать более эффективно.
Хотя в блейд-корпусах и на некоторых более крупных серверах форм-факторов 4U и 5U имеются блоки питания $N+1$, большинство серверов и сетевых устройств разрабатываются с использованием блоков питания $2N$ с избыточностью. По этой причине в традиционном центре обработки данных подводится по два независимых канала питания для каждой стойки. Таким образом, при потере питания в одном канале другой может взять его функции на себя. Однако следует соблюдать осторожность, так как при сбое одного из двух каналов нагрузка другого удваивается. Неверные допущения часто приводят к перегрузке схемы ответвления, которая в обычных условиях незаметна. Но затем одиночный сбой дает каскадный эффект, перегружает оставшиеся ответвления и приводит к срабатыванию прерывателей. Таким образом, один сбой приводит к тому, что некоторые или все серверы в стойке остаются без питания.
Ссылки
- Google. Efficiency: How Others Can Do It