Рост размера, плотности и эффективности
За последние несколько десятилетий выросли как размеры (с точки зрения количества стоек и шкафов), так и плотность центров обработки данных.
На следующем рисунке показан центр обработки данных, принадлежащий компании Google.
Рис. 17. Центр обработки данных Google (источник)
Рост центров обработки данных
Повышение плотности стало возможным благодаря новым достижениям в области производства центральных процессоров, интегральных схем и печатных плат. Это позволяет создавать более быстрые и производительные компьютеры при той же занимаемой площади.
Минимальный размер элемента в интегральной схеме (называемый топологическим размером) за четыре последних десятилетия уменьшился на несколько порядков. Размер отдельных транзисторов уменьшился с 10 микрон в 1971 году до 0,022 микрона в 2014 году. Уменьшение размера отдельных транзисторов позволило размещать большее их количество на одном кристалле, так как каждый транзистор потребляет меньше энергии.
При соблюдении аналогичных температурных ограничений процессоры прошли путь от одного ядра до 16 ядер, а количество транзисторов увеличилось с нескольких миллионов до нескольких миллиардов. Кроме того, появились ускорители и сопроцессоры, каждый из которых предоставляет сотни дополнительных модулей операций с плавающей запятой (FPU), повышающих число операций с плавающей запятой в секунду (FLOP), на ватт. Кроме того, современные массивы хранения поддерживают уже не три или четыре механических жестких диска на стойко-место, а 15–21.
Таким образом, несмотря на то, что коэффициент использования энергии отдельных компонентов увеличивался с течением времени, компоновка самих компьютеров стала более плотной, включая в себя больше вычислительных ядер, памяти и места для хранения на квадратный метр. Подобная плотность привела к резкому росту общего энергопотребления на стойку за последние несколько лет. Эта тенденция означает рост требований к мощности и охлаждению для отдельного центра обработки данных.
Сейчас крупный центр обработки данных потребляет несколько мегаватт энергии, что примерно соответствует энергопотреблению небольшого города.
Рис. 18. Тенденции плотности питания
Эффективность центров обработки данных
Сейчас на информационно-коммуникационные технологии приходится примерно 2 % от глобального углеродного следа1. В пределах этой величины доля центров обработки данных составляет около 15 % (или 0,3 % от общего объема). Учитывая распространение информационно-коммуникационных технологий во всем мире, по мере вовлечения все большего количества людей значительный рост энергопотребления, связанного с этими технологиями, можно ожидать уже в обозримом будущем.
Последние десять лет все больше внимания уделялось "зеленым" ИТ-системам или энергоэффективным вычислениям. Далее в этом модуле мы рассмотрим различные методы, доступные в данной отрасли, для снижения энергопотребления и углеродного следа.
Меры по улучшению коэффициента использования энергии в ИТ-сфере реализуются во многих частях центра обработки данных.
Серверы
Все серверы пытаются уменьшить энергопотребление, переходя в состояние простоя, при котором они временно отключают компоненты или снижают их энергопотребление при недостаточной загрузке системы. Например, сервер, который обычно потребляет 650 Вт при полной загрузке, может уменьшить потребление до 200 Вт при простое. Кроме того, виртуализация обеспечивает более эффективное управление ИТ-ресурсами и позволяет организациям консолидировать отдельные серверы на меньшем количестве физических серверов.
Серверные компоненты
В отдельных серверах процессоры и другие интегральные схемы стали более производительными одновременно с сохранением или снижением энергопотребления. Были приняты меры по уменьшению энергопотребления в простое (в периоды низкой загрузки ЦП). Кроме того, методики динамического регулирования тактовой частоты для многоядерных ЦП позволяют снизить частоту отдельных ядер с учетом использования и значительно снизить энергопотребление.
Power
Недавно целью гонки за эффективность стали системы, отвечающие за распределение электроэнергии и управление ею, а также системы, обеспечивающие резервирование. Если раньше отдельные стойки центра обработки данных питались напряжением от 110 до 220 В переменного тока, сейчас все чаще применяется повышенное напряжение (от 277 до 480 В переменного тока), так как при этом требуется меньше понижающих трансформаторов.
КПД блока питания выражается коэффициентом, равным отношению выходной мощности к входной мощности. Например, полностью нагруженный 800-ваттный блок питания с КПД 80 % будет потреблять 1000 Вт, при этом на оставшиеся 200 Вт приходятся тепловые потери. Недавно КПД таких блоков питания повысился, достигая для некоторых экземпляров значения 95 %. В альтернативной конфигурации постоянный ток подается напрямую на серверы, устраняя необходимость переменного тока в постоянный для каждой стойки. Подача высокого напряжения постоянного тока на каждый сервер позволяет использовать в стойке более эффективные блоки с преобразованием из постоянного тока в постоянный ток.
Крупные централизованные системы источников бесперебойного питания (ИБП) также подразумевают потери на преобразование из переменного тока в постоянный. Чтобы минимизировать такие потери, многие поставщики общедоступных облаков применяют децентрализованную схему ИБП, включая выделенную резервную батарею для каждого сервера. Сейчас некоторые производители предлагают такую серверную конфигурацию ИБП для центров обработки данных.
Охлаждение
В области охлаждения также удалось добиться значительных улучшений. В конечном итоге все электричество, используемое для питания ИТ-оборудования, превращается в тепло (и некоторый шум). Это тепло необходимо отводить от оборудования. В традиционной схеме охлаждения серверной используется пленумное пространство за фальшполом со специальными системами кондиционирования, но для нее имеется ограничение по плотности охлаждаемых компонентов. Более новые подходы, отличающиеся повышенной эффективностью, подразумевают организацию горячего коридора, внутрирядное охлаждение, жидкостное охлаждение стойки и даже полное погружение оборудования в минеральное масло. Методики испарительного охлаждения, реализованные в масштабе всего объекта, являются экономичнее холодильников и компрессоров. В холодном климате многие серверные комнаты рассчитаны на забор холодного воздуха извне, а также на использование выделяемого серверами тепла для других задач в том же здании.
Ведущим стимулирующим фактором для повышения коэффициента использования энергии в центре обработки данных является снижение эксплуатационных затрат. Плата взимается за всю энергию, предоставленную электроэнергетической компанией, но полезной является только та часть этой энергии, которая обеспечивает работу ИТ-оборудования. Остальная энергия в конечном счете превращается в тепловые потери. Таким образом, чем эффективнее система охлаждения, тем меньше вы платите каждый месяц.
Знаете ли вы?
При каждом преобразовании из переменного тока в постоянный или наоборот теряется энергия. Аналогичным образом, преобразование между разными уровнями напряжения никогда не обладает КПД 100 %.
Методы подсчета и улучшения коэффициента использования энергии в центрах обработки данных рассматриваются в одном из последующих модулей.
Ссылки
- GeSI (2008). SMART 2020: Enabling the low-carbon economy in the information age Global e-Sustainability Initiative Report