Kraft och effektivitet
Flera servrar virtualiseras och konsolideras till färre fysiska värdar för att öka användningen och minska energikostnaderna. Den här förbättringen är användbar, men efterfrågan på IT-relaterade tjänster i organisationerna fortsätter att växa. Antalet webbaserade startföretag, som har en större proportionell efterfrågan för IT-utrustning, kan även fortsätta att växa.
Serverutnyttjande
Om du vill se varför serveranvändningen är viktig kan du låta oss diskutera energiförbrukningen när en server är inaktiv (CPU:erna gör inget, men hårddiskar snurrar och RAM- och I/O-enheter använder fortfarande energi) jämfört med när servern har maximal belastning (när alla processorer har 100 % användning).
Använd följande formel för att beräkna energiförbrukningen $ P $ vid en bestämd användning (n %):
$$ P_{n} = \left( P_{max} - P_{idle} \right) \times \frac{n}{100} + P_{idle} $$
Genom empiriska mätningar är den här uppskattningen korrekt och inom 5 % plus eller minus över utnyttjandefrekvensen.
Om en organisation vill minska sina totala månatliga driftskostnader måste de göra det både och utanför racket. För att minimera den senare måste du först förstå energianvändningseffektiviteten (PUE).
Energianvändningseffektivitet
Som du läste tidigare drar ett datacenter en stor mängd kraft, från kilowatt till flera megawatt. Kostnaden för ström är ett betydande element i driftskostnaderna för ett datacenter och bidrar därmed till den totala ägandekostnaden (TCO). Eftersom företag erbjuder fler webbaserade tjänster, som finns i ett datacenter, blir kostnaden för strömmen ett viktigt inslag i kostnaden för att erbjuda tjänster på webben. Dessutom är datacenterrelaterade utsläpp en kontinuerlig angelägenhet. Dessa ekonomiska och miljömässiga faktorer har påskyndat intresset för att mäta och förbättra energieffektiviteten i datacenter.
Kraften som skapas av ett datacenter delas mellan IT-utrustningen och stödutrustningen, till exempel energidistributionen och kylningsanläggningarna. Datacenters energieffektivitet kan ses som förhållandet mellan den energi som levereras till IT-utrustningen och den totala energi som levereras till datacentret. Tydliga och standardiserade effektivitetsmått behövs för att hjälpa datacenter att förstå energi effektiviteten, identifiera områden för förbättringar och göra jämförelser över tid.
Konsortiet Green Grid har utvecklat PUE och dess invertering, datacentrets infrastruktureffektivitet (DCIE). PUE är helt enkelt förhållandet mellan den totala ström som matas in i datacentret dividerat med kraften som används av IT-utrustningen. PUE mäter hur effektivt kraften levereras till IT-utrustningen i datacentret.
$$ PUE = \frac{total\ data\ center\ power}{total\ IT\ equipment\ power} $$
Om ett datacenters PUE är 3,0 använder datacentret anläggningarna (till exempel eldistribution och kylning) två energienheter för varje enhet som levereras till IT-utrustningen. Ju lägre PUE, desto effektivare datacenteranläggningar. En idealisk PUE är 1,0, vilket indikerar 100 % effektivitet, vilket innebär att all ström som skapats av datacentret levererades till IT-utrustningen.
2007 utförde Lawrence Berkeley National Labs (LBNL) en energistudie för 25 datacenter (se bild 20). Studiens bästa PUE, 1,14, ledde till att cirka 87 % av platsens energi nådde IT-utrustningen. I värsta fall (PUE 3,0) gjorde bara 33 % det.
Bild 20: PUE av 25 datacenter studerade av LBNL (Lawrence Berkeley National Labs, 2007)
PUE gör det möjligt för företag att identifiera områden för förbättring, åtgärda dessa områden och övervaka PUE-förloppet över tid.
PUE mäter bara den effektiva användningen av kraften. Det är viktigt att förstå energibidragen till PUE för att förbättra designmetoderna för ett datacenter. PUE är dock inte tillräckligt som det enda måttet eftersom det inte tar hänsyn till belastningen på IT-utrustningen. Om PUE är lågt, men IT-utrustningen inte fungerar som den ska, förlorar datacentret pengar. Vissa av de senaste metoderna är att använda ett TCO-mått som inbegriper serverkostnaden, vilket är den totala energiförbrukningen som den förbrukar när du kör en viss arbetsbelastning under dess livslängd. Med den här metoden kommer datacenter att använda programspecifika optimeringar, vilket leder till en mer effektiv användning av datacentrets utrustning.
PDU-grenar
I en tidigare modul har du introducerats för en PDU- eller kraftfördelningsenhet. Du har också lärt dig om ineffektivitet som rör flera konverteringar. Det här avsnittet visar fördelarna med att använda kraft i tre faser och några vanliga fallgropar att undvika när du väljer storlek och antalet PDU:er. Det här avsnittet är valfritt att läsa eftersom det innehåller detaljerad information om elektroteknik.
Det finns flera typer av energidistribution: racknivå, radnivå och rumsnivå. Alla har en elektrisk indataström och tillhandahåller en eller flera förgreningsenheter, och varje gren skyddas av en kretsbrytare (en säkerhetsenhet som ”hindras” om det finns en överbelastning, vilket stoppar flödet av el). Skillnaden med PDU på radnivå är att de normalt omvandlar högre spänning och utdata till en lägre spänning med hjälp av en transformator. (Transformatorer genererar värme, så det finns även kylfläktar i en PDU på radnivå.)
Bild 22: PDU:er på radnivå och racknivå
Trefasig ström (som ofta betecknas med den grekiska bokstaven phi [3Φ]) är hur växelström genereras och överförs. Varje fas är en sinusvåg, och vågorna är 120 grader isär. Det är inte vanligt att ha trefasig ström i hemmet, men det är vanligt i industriella byggnader och ett krav i ett modernt datacenter. Det är viktigt att hålla varje fas så jämnt belastad som möjligt. Du bör inte ansluta alla servrar till en gren innan du fortsätter till nästa – sprid dem i stället. Den totala kraften som kan hanteras av en trefaskrets är större än för en enskild fas (1Φ) för varje koppartråd (samma tjocklek eller mätare).
| Fas | Strömekvation | Kablar som behövs | Watt och kablar |
|---|---|---|---|
| 1Φ | $ W = V \times I $ | Frekvent, neutralt, jordat | 1,0 x |
| 3Φ | $ W = 3 \times \frac{V_{line} \times I_{line}}{\sqrt{3}} $ | Phase1, Phase2, Phase3, neutral, jordad | 1,8 x |
När exempelvis $V$ = 120 volt and $I$ = 15 ampere blir enfasströmmen = 1 800 W per tre kablar. När $V$ = 208 volt and $I$ = 15 ampere blir trefasströmmen = 5 410 W per fem kablar. (Kom ihåg att endast den aktuella mängden per ampere bestämmer den tjocklek som krävs för koppartråden.)
Det är viktigt att känna till den högsta kraften i en gren för att välja antal och storlek på PDU för att driva din IT-utrustning. Amerikanska standarder för installation av elektriska ledningar anger att linjeströmmen inte får överskrida 80 % av brytarens (eller säkringens) riktvärde.
| Etikett (ampere) | 15 | 20 | 30 | 50 | 70 |
|---|---|---|---|---|---|
| 80 % beräknad gräns | 12 | 16 | 24 | 40 | 56 |
En server förbrukar sällan antalet watt som strömaggregatet bedöms för. Till exempel är en PSU märkt som 975 W, men servern kan bara förbruka 650 W vid högsta kapacitet. Därför är det praktiskt att ta energimått för varje ny servermodell vid olika belastningar (inaktiv, 25 %, 50 %, 75 %, 100 %) innan du lägger till den i produktionen.
Vid design av ett redundant system är det vanligt att ha flera oberoende vägar från strömkällan till IT-utrustningen. Du kan tänka på redundanta strömförsörjningssystem (och kylningssystem) som hårddiskar i RAID. Kom ihåg att i en RAID 1-spegling klar du att en enhet inte fungerar, men du förlorar också hälften av kapaciteten. Detta är detsamma som $2N$-redundans – du kan inte läsa in en enskild komponent (till exempel UPS, generator, PDU) som är större än 50 % av den ursprungliga kapaciteten. I RAID 5 klarar du fortfarande ett enskilt enhetshaveri, men du får en högre användning av enskilda enheter, vilket är det $N+1$-redundansen är för kraft- och HVAC-utrustning. De återstående (fungerande) enheterna måste absorbera arbetsbelastningen för den felande enheten.
Till exempel har du en 100 kW-belastning och vill ha redundanta UPS:er. I ett $2N$-system har du två UPS:er, som var och en kan driva 100 kW, men deras normala belastning skulle vara 50 kW var. Om du använder tre UPS-enheter i stället kan var och en vara mindre och kan hantera 50 kW var som än är en normal belastning på 33 kW. I det här fallet är användningen högre (66 % i stället för 50 %), så att UPS-enheten också körs mer effektivt.
Även om ett bladchassi och några större 4U- och 5U-servrar har $N+1$-strömförsörjning är de flesta servrar och nätverksutrustning utformade med $2N$-redundanta strömförsörjningskällor. Av den anledningen skulle du i ett traditionellt datacenter köra två oberoende strömflöden till varje rack. På så sätt kan den andra ta över om du förlorar ström i ett flöde. Du måste vara försiktig, eftersom när en av de två flödena misslyckas, får den andra dubbelt så hög belastning. Felaktiga antaganden leder ofta till att en förgreningskrets överbelastas, vilket innebär att det inte går att märka i normala fall. När ett enstaka haveri inträffar, har den en sammanhängande påverkan, överbelastar de återstående grenarna och hindrar brytarna. Detta enskilda problem leder till att vissa eller alla servrar i racket förlorar sin ström helt.