Инженерная инфраструктура центров обработки данных (ЦОД)

Green Grid – это некоммерческое объединение ИТ-специалистов и компаний, занимающихся требованиями к энергоснабжению и охлаждению дата-центров, проблемами информационной экосистемы, стремящихся поднять энергетическую эффективность дата-центров посредством серии краткосрочных и долгосрочных инициатив, оформленных в виде спецификации. Первая редакция спецификации была опубликована в феврале 2007 года, и она называлась «Система показателей Green Grid: определение энергетической эффективности ЦОД».

Ассоциации Green Grid предложила использовать коэффициент эффективности использования энергии (PUE) и его обратную величину, коэффициент эффективности дата-центра (DCE), которые позволяют операторам дата-центров быстро оценить энергетическую эффективность своих предприятий, сравнивать результаты своих измерений с результатами других ЦОД и определить необходимость повышения энергетической эффективности. С тех пор показатель PUE стал использоваться для оценки эффективности и получил широкое признание в отрасли, а показатель DCE имел ограниченный успех из-за неправильного представления эффективности дата-центра. Поэтому, новая спецификация подтверждает использование PUE, но переопределяет его обратную величину как эффективность инфраструктуры дата-центра (DCiE). Эта уточненная величина позволит избежать путаницы, связанной с DCE, и будет теперь называться DCiE.

Зачем нужна оценка эффективности использования энергии в дата-центре?

Ассоциация Green Grid считает, что несколько показателей позволят владельцам дата-центров лучше оценивать и повышать эффективность работы своих действующих предприятий, а также помогут им принимать более продуманные решения по строительству новых центров обработки данных. Дополнительно, эти показатели предоставляют надежный способ сопоставления результатов своих измерений с эталонными отраслевыми показателями.

Зачем нужна большая эффективность использования энергии в ЦОД? Потому что расходы на энергоснабжение и охлаждение это две наиболее значимые проблемы, с которыми приходится сталкиваться работающим датацентрам, а растущим компаниям необходимо иметь средство для оценки этих расходов. Более эффективные дата-центры смогут лучше справляться с повышенными требованиями к вычислительным и сетевым ресурсам, системам хранения данных, сокращать расходы на электроэнергию и уменьшать совокупную стоимость владения (TCO) – и при этом оставаться конкурентоспособными и способными удовлетворять будущие коммерческие потребности.

Ближайшие тактические перспективы Green Grid

Green Grid признает важность установки показателей эффективности дата-центра и предлагает руководство по технологиям, которые могут повысить производительность в расчете на каждый потребляемый ватт электроэнергии. Идеально, эти показатели и приемы позволят определять возможность оптимизации существующего датацентра и тем самым устранять необходимость в новом ЦОД. В своей предыдущей спецификации Green Grid дала описание двух таких взаимосвязанных показателей как коэффициент эффективного использования энергии (PUE) и коэффициент эффективности дата-центра (DCE). С тех пор PUE получил широкое признание в отрасли, но DCE имел ограниченный успех из-за неправильного представления эффективности дата-центра. Поэтому, эта спецификация подтверждает использование PUE, но переопределяет его обратную величину как эффективность инфраструктуры дата-центра (DCiE). Эта уточненная величина позволит избежать путаницы, связанной с DCE, и будет теперь называться DCiE.

Эффективность использования энергии (PUE) и эффективность инфраструктуры дата-центра (DCIE)

PUE определяется следующим образом:

PUE = общая мощность оборудования/мощность ИТ-оборудования (1)

а ее обратная величина, DCiE определяется следующим образом:

DCiE = 1/PUE = мощность ИТ-оборудования/общая мощность оборудования x 100% (2)

В уравнениях (1) и (2) общая мощность оборудования определяется как энергия, измеренная счетчиком электроэнергии — энергия, выделяемая только для дата-центра. Это важно в «смешанных» зданиях, в которых дата-центр является одним из потребителей энергии. Мощность ИТ-оборудования определяется как энергия, используемая для администрирования, обработки, хранения или перенаправления данных в пределах одного ЦОД. Важно иметь представление о составных компонентах этих нагрузок, а именно:

1. мощность ИТ-оборудования. Сюда входят нагрузки, связанные со всем серверным оборудованием, таким как вычислительные устройства, системы хранения данных и сетевое оборудование, а также такое вспомогательное оборудование как KVM-переключатели, мониторы и рабочие станции или портативные ПК, используемые для мониторинга или управления ЦОД.

2. общая мощность оборудования. Сюда входят все компоненты, которые обслуживают ИТ-оборудование, а именно:

• такие системы энергоснабжения как ИБП, коммутационное оборудование, генераторы, PDUs, батареи, а также потери при распределении вне ИТ-оборудования.
• такие компоненты системы охлаждения как чиллеры, воздушные кондиционеры компьютерных залов (CRACs), воздухоохладители непосредственного охлаждения, насосы и градирни.
• ПК, сетевые узлы и системы хранения данных.

• другие нагрузки смешанного назначения, такие как освещение ЦОД.

PUE и DCiE дают возможность сделать следующее:

• определить возможности повышения эксплуатационной эффективности ЦОД;
• сравнить ЦОД с другими конкурирующими дата-центрами;
• узнать, вносят ли операторы какие-либо изменения в инфраструктуру и технологии своих ЦОД;
• определить возможности перераспределения энергии для дополнительного ИТ-оборудования.

Несмотря на то, что оба эти показателя, по своей сути являются одинаковыми, их можно использовать для разного представления использования энергии в пределах центра обработки данных. Например, если полученный PUE равен 3.0, это говорит о том, что энергия, потребляемая дата-центром, в три раза больше энергии, необходимой для энергоснабжения ИТ-оборудования. Кроме того, этот коэффициент можно использовать в качестве множителя при расчете реального количества энергии, потребляемой данной системой. Например, если сервер потребляет 1000 ватт, а PUE данного ЦОД равно 3.0, то мощность электросети, необходимой для обеспечения работы этого сервера, должна быть равна 3000 ваттам. DCiE также весьма полезен. DCiE 33% (эквивалентно PUE 3.0) означает, что ИТ-оборудование потребляет 33% энергии данного ЦОД.

Общая мощность оборудования определяется по показаниям счетчика для точного отображения энергии, поступающей в дата-центр. Этот показатель должен представлять общую энергию, потребленную датацентром.

Нужно снимать только показания счетчика, касающиеся дата-центра, поскольку включение энергии, не предназначавшейся для datacenter, даст неправильные PUE и DCiE. Например, если дата-центр находится в офисном здании, общая потребляемая энергия будет представлена суммой общей мощности оборудования центра обработки данных и общего количества энергии, потребленной помещениями, не имеющими отношения к ЦОД. Эта оценка, безусловно, внесла бы погрешность в вычисления коэффициентов.

Мощность ИТ-оборудования должна измеряться после выполнения всех операций преобразования энергии на входе в ИТ-оборудование. Наиболее подходящей точкой для измерения потребления электроэнергии были бы выходы с распределительных устройств питания (PDU) компьютерного зала. Результат этих измерений должен представлять энергию, подаваемую на аппаратные серверные стойки ЦОД.

Значение PUE может находиться в интервале от 1.0 до бесконечности. Значение PUE, приближенное к 1.0, будет указывать на 100% эффективность — вся энергия используется только ИТ-оборудованием. Правда практически этот показатель недостижим, так как часть электроэнергии теряется в распределительной сети, часть электроэнергии тратиться на поддержку работы других инженерных систем, поддерживающих работоспособность дата-центра.

В настоящее время нет данных по PUE для всех установленных ЦОД в мире. В ходе некоторых предварительных исследований выяснилось, что во многих ЦОД значение PUE может быть не менее 3.0, но при правильном подходе к проектированию и эксплуатации центра обработки данных можно получить значение PUE равное 1.6. Эти теоретические предположения подтверждаются измерениями, проведенными Национальной лабораторией Лоуренса Беркли. Результаты проведенных исследований лабораторией показали, что в 22 проверенных ЦОД значение PUE находилось в интервале от 1.3 до 3.0.

Сейчас нет никакой договоренности о том, что собой представляет эффективный или неэффективный дата-центр. В будущем ассоциация Green Grid собирается представить показатели, которые скорректируют целевые PUE и DCiE в соответствии с типичными конфигурациями дата-центров.

А пока Green Grid рекомендует владельцам дата-центров использовать PUE или DCiE. Несмотря на то, что точки измерения точно не определены, ассоциация Green Grid понимает всю важность определения и сравнения эффективности дата-центров, даже при отсутствии соответствующих данных. Дополнительно, Green Grid также поощряет обмен и сравнение результатов измерений PUE и DCiE, позволяющие владельцам других дата-центров лучше проанализировать свои данные, а также сопоставить свои результаты с результатами других отраслевых организаций.

Долгосрочные стратегические перспективы

Здание смешанного назначения может вмещать много различных помещений, таких как дата-центры, лаборатории, офисы и т. п. В случае подобного рода смешанных сред, определение энергопотребления одного только дата-центра является затруднительным. Это, в частности, касается случаев, когда здание подключено к общей электросети в одном месте, а затем электроэнергия подается в разнообразные помещения здания. Такие системы также затрудняют определение потерь энергии между входом в здание и центром обработки данных.

Современные технологии охлаждения стали включать такие компоненты как насосы, системы охлаждения, вентиляторы и теплообменники в самом ИТ оборудовании. Эти технологии размывают традиционные границы между инженерным и ИТ оборудованием. Что усложняет правильную оценку и расчет PUE и DCiE. Тем не менее, оборудование, используемое для энергоснабжения и охлаждения ЦОД, установленное в ИТ оборудовании, необходимо учитывать в описываемых в этой работе показателях.

В рамках программы повышения эффективности дата-центров Green Grid будет устанавливать более четкие различия между техническим и серверным оборудованием и предлагать методы измерения энергопотребления всего дата-центра, а также отдельных инженерных систем, включая и ИТ оборудование.

Разработка новых показателей эффективности дата-центра и сотрудничество с другими организациями

В будущем, ассоциация Green Grid планирует разработать показатели для измерения производительности дата-центров, а также показатели эффективности для всех значимых энергопотребляющих подсистем датацентра. Для продвижения этих показателей и повышения энергетической эффективности датацентров коммерческих предприятий во всем мире ассоциация Green Grid будет публиковать новые спецификации, дающие подробные указания по использованию этих показателей. Green Grid также будет продолжать сотрудничать с такими организациями как EPA, ECMA и Climate Savers, которые имеют аналогичные подходы и преследуют те же самые цели.

Определение показателей производительности центра обработки данных

В перспективе, Green Grid работает над системой показателей для определения производительности ЦОД. Это естественное развитие PUE и DCiE и уравнение для расчета этого показателя могло бы иметь следующий вид⁴:

Производительность ЦОД = полезная работа/общее энергопотребление объекта

Несмотря на то, что производительность центра обработки данных намного труднее определить, члены Green Grid понимают, что этот параметр имеет ключевое стратегическое значение для отрасли. В сущности, эта формула определяет дата-центр как черный ящик – на вход подается энергия, на выходе выделяется тепло, данные вводятся и выводятся, и черный ящик выполняет количество полезной работы. Это в некоторых отношениях похоже на работу, выполняемую EPA и SPEC на серверном уровне, в результате которой рабочая группа SPEC может создать стандарт производительности системы, а EPA – разработать процедуру измерения энергии, потребляемой сервером. Green Grid надеется со временем охватить своей работой все ИТ-оборудование и для этого ей потребуется широкая поддержка ИТ-специалистов, позволяющая направлять и определять эту работу.

Дополнительные разработки эффективности использования энергии (PUE)

Green Grid будет также разрабатывать дополнительные параметры, уточняющие коэффициенты PUE и DCiE путем их разложения на следующие составляющие⁵:

PUE= 1/DCiE= коэффициент тепловой нагрузки (CLF) + коэффициент силовой нагрузки (PLF) + 1.0

где все коэффициенты являются отношениями:

• 1.0 представляет собой нормализованную серверную нагрузку. Фактически, это коэффициент (серверной) нагрузки (ILF), но он всегда равен 1.0.
• коэффициент тепловой нагрузки (CLF) – это частное общей энергии, потребляемой чиллерами, градирнями, воздушными кондиционерами компьютерных залов (CRACs), насосами и т. п., и серверной нагрузки
• коэффициент силовой нагрузки (PLF) – это частное общей мощности, рассеиваемой коммутационным оборудованием, источниками бесперебойного питания (ИБП), распределительными устройствами питания (PDUs) и т. п., и серверной нагрузки.

Эти показатели будут предназначены для решения проблемы размытости границ между ИТ-оборудованием и инфраструктурой дата-центра в целом, рассматривавшейся выше. Green Grid будет работать над этими и другими параметрами, имеющими отношение к PUE или DCiE.

Стандарты эффективного использования инженерного оборудования

Green Grid будет также продолжать работать с отраслью над разработкой рекомендаций по эффективному использованию энергию для всего инженерного оборудования дата-центра:

• источники бесперебойного питания (ИБП)
• устройства переключения и распределения электроэнергии
• чиллеры
• воздушные кондиционеры компьютерных залов
• модули непосредственного охлаждения
• насосы
• градирни и теплообменники
• генераторы
• потери при распределении вне серверных стоек
• распределительные устройства питания (PDUs)
• батареи
• освещение
• серверы
• системы хранения данных

Этот проект потребует тесного сотрудничества с другими отраслевыми организациями, такими как Американское общество инженеров систем отопления, охлаждения и кондиционирования (ASHRAE).

Заключение

В дополнение к разработке современных методов, метрических показателей, рекомендаций и стандартов, позволяющих повышать эффективность центров обработки данных, Green Grid также предлагает определение показателей на уровне серверных стоек ввиду использования решений для охлаждения на уровне телекоммуникационных шкафов. Она также будет давать руководящие указания по измерению энергопотребления и «полезной работы» на уровне объекта в целом и на уровне серверных стоек, а также будет предоставлять технические обновления по мере доработки этих параметров и методов их измерения. Пока Green Grid рекомендует использовать либо PUE, либо его обратную величину, DCiE.

Ассоциация Green Grid не поддерживает продукты или решения определенных поставщиков, а дает рекомендации по системам показателей и технологиям, предназначенным для повышения общей эффективности ЦОД.