Efektywność energetyczna w cenie

W centrach przetwarzania danych tylko część energii służy do zasilania serwerów. Pozostała jest wydatkowana na utrzymanie centrum. Im ten wydatek jest mniejszy, tym serwerownia sprawniejsza.

Dzisiejsze centrum przetwarzania danych znacznie różni się od tego typu obiektów nawet sprzed kilku lat. Jedna cecha pozostaje niezmienna - nigdy cała dostarczona do centrum energia elektryczna nie służy do zasilania serwerów. Pewna jej część wykorzystywana jest do innych celów, związanych bezpośrednio i pośrednio z pracą data center. Dotyczy to przede wszystkim odprowadzenia ciepła generowanego przez urządzenia aktywne. Są też straty związane z rozdziałem wykorzystywanej energii oraz zapewnieniem gwarantowanego zasilania. Gdyby podsumować typowe instalacje centrów danych w Polsce, to przeciętnie na każdy megawat doprowadzonej mocy, mniej niż 500 kW rzeczywiście zużywają serwery i inne urządzenia aktywnie wykorzystywane do bezpośredniego przetwarzania danych.

Aby móc porównywać różne lokalizacje, wprowadzono współczynnik, który określa stosunek ilości doprowadzonej energii elektrycznej do tej części, która jest bezpośrednio związana z przetwarzaniem informacji, czyli do tej, którą zużywają serwery, macierze dyskowe i podobne urządzenia. Współczynnik ten, nazwany PUE, zależy od klimatu (w lokalizacjach o niskiej i stałej temperaturze, np. w niektórych miejscach w Szkocji jest znacznie niższy niż w strefie tropikalnej), zastosowanych rozwiązań technicznych, a nawet od rozłożenia serwerów w szafach. W polskich warunkach wynosi przeciętnie 2,0. Po optymalizacji w naszym klimacie można osiągnąć średniorocznie 1,6, ale nadal zdarzają się instalacje, w których przekracza 3. Przy PUE = 3 zaledwie jedna trzecia dostarczonej energii służy do zasilania serwerów. Rekordową sprawność mają serwerownie Google oraz niektóre specjalnie projektowane obiekty korzystające z energooszczędnego chłodzenia wykorzystującego free cooling w lokalizacji o dobrym klimacie. Tam PUE = 1,2-1,3.

Na co idzie energia

Gdyby podzielić zużytą w centrum przetwarzania danych energię na grupy odbiorników, najważniejszym odbiorcą okazałyby się urządzenia aktywne w serwerowni. Większość tej energii zużywają serwery, na drugim miejscu znajdują się macierze dyskowe, przełączniki Ethernet i FibreChannel, routery i zapory sieciowe, a także konwertery mediów i inne urządzenia. Średnio stanowi to ogółem 47% dostarczonej energii.

Do drugiej grupy należą urządzenia bezpośrednio związane z pracą sprzętu aktywnego, odpowiedzialne za zapewnienie warunków do eksploatacji. Jest to: chłodzenie powietrza w serwerowni, klimatyzacja precyzyjna odpowiedzialna za zapewnienie odpowiedniej wilgotności, dystrybucja energii elektrycznej i zapewnienie gwarantowanego zasilania. Na ten cel idzie przeciętnie 50% dostarczonej do data center energii, przy czym najpoważniejszy wydatek energetyczny dotyczy chłodzenia, stanowiąc 41% ogółu zużycia.

Szacunki dotyczą serwerowni w klimacie umiarkowanym, przy założeniu niskiego udziału technologii free cooling i braku korzystania z powietrza zewnętrznego.

Efekt kaskadowy

Po drodze od przyłącza energetycznego do procesora i pamięci na płycie głównej obecne są różne urządzenia w łańcuchu zasilania. Najbliżej komponentów komputerowych występuje przetwornica prądu stałego (DC-DC), następnie zasilacz impulsowy 230 V-12 V i 5 V. Prąd do tego zasilacza jest doprowadzany za pomocą urządzeń dystrybucji, zasilanych z zasilaczy UPS, które są zasilane z rozdzielni, z transformatora średniego napięcia. Każde urządzenie charakteryzuje się sprawnością mniejszą od jedności, zatem zmniejszenie zużycia energii o jeden wat po stronie procesora skutkuje skumulowaną oszczędnością ponad 2,8 W. Wynika ona stąd, że do oszczędności związanych z mniejszym poborem energii należy dodać mniejsze zapotrzebowanie na energię do odprowadzenia mniejszej ilości ciepła.

Szukamy oszczędności

W miarę wzrostu cen energii elektrycznej wzrastają koszty operacyjne i niektóre przedsiębiorstwa uruchamiają projekty oszczędnościowe. Każdy kilowat zaoszczędzony w centrum danych oznacza około 9000 zł oszczędności rocznie, a poprawienie efektywności o 1% zmniejsza rachunek za prąd średnio o 2%. Pierwszym działaniem może być modernizacja serwerów i wprowadzenie wirtualizacji serwerowej, by dociążyć sprzęt. Jednocześnie można przejść na centralizowane składowanie danych oraz wdrożenie "cienkiego klienta". Po stronie infrastruktury data center zmiana może dotyczyć nowych urządzeń chłodzenia i lepszej dystrybucji energii. Można też rozważyć pozyskanie dodatkowych przychodów dzięki optymalizacji usług biznesowych, a nawet wdrożeniu sprzedaży ciepła pozyskanego w wyniku pracy serwerów.

Wirtualizacja to półśrodek, chociaż skuteczny

Standardowym sposobem zmniejszenia kosztów związanych z energią elektryczną jest wdrożenie wirtualizacji. Skutkuje to obniżeniem zużycia energii elektrycznej o około 30%. Jednocześnie następuje redukcja wydzielania ciepła. Jeśli infrastruktura chłodzenia nie umożliwia redukcji mocy, data center będzie pracować ze znacznie mniejszą sprawnością, a zatem nie osiągnie się zaplanowanej oszczędności. Problemem w przypadku starszych urządzeń jest głównie niemożność nadążenia za zmianami w ilości wydzielanego ciepła. Obecne komputery są mocno optymalizowane pod kątem zmniejszenia poboru energii przy mniejszym obciążeniu. Jeśli nie pracują przy maksymalnym wykorzystaniu mocy wszystkich procesorów, ilość wydzielanego ciepła spada znacząco.

Wirtualizacja powoduje tylko jednorazowy spadek zużycia energii, występujący po migracji ze starszego środowiska. W miarę dalszego rozwoju przedsiębiorstwa oraz stopniowego wzrostu ilości i mocy serwerów pobór energii elektrycznej będzie wzrastał. Oznacza to, że infrastruktura zasilania i chłodzenia musi być przygotowana pod kątem późniejszego wzrostu obciążenia, a jednocześnie musi zachować możliwie wysoką sprawność przy obecnej mocy urządzeń aktywnych. Jest to trudne do spełnienia i zazwyczaj wymaga modułowej konstrukcji urządzeń chłodzących.

Co można zmienić w chłodzeniu

Straty związane z zasilaniem są niewielkie w porównaniu do poborów energii niezbędnych do odprowadzenia ciepła z data center. Znacznie większe efekty przyniosą więc zmiany właśnie w systemie chłodzenia. Tam też pojawiają się poważne problemy. Najczęstszymi przyczynami nieefektywności energetycznej data center są:

- złe zwymiarowanie zasilania i chłodzenia;

- chłodzenie urządzeń o większej gęstości mocy niż te, dla których zaprojektowano wymiennik ciepła;

- niewłaściwe kształty pomieszczeń;

- złe przepływy powietrza, mieszanie się powietrza gorącego z chłodnym;

- zanieczyszczenie filtrów powietrza lub wody, blokowanie podłogi technicznej przez przewody lub różne obiekty;

- nieefektywne urządzenia;

- wyłączone tryby oszczędnościowe;

- brak nadążania systemów chłodzenia za zmianą ilości ciepła wydzielanej przez serwery.

Największe oszczędności można osiągnąć, usuwając najważniejsze przyczyny niskiej sprawności energetycznej. Najczęściej są to problemy z obiegiem powietrza i nieprawidłowym doborem urządzeń. Dodatkowo badanie kamerą termowizyjną umożliwi wykrycie gorących punktów, które zmniejszają sprawność chłodzenia. Czasami zastosowanie kurtyn chroniących przed mieszaniem powietrza chłodnego z gorącym oraz zmiana rozmieszczenia serwerów przynosi natychmiastową poprawę sprawności. Częściej jednak wymagane są bardziej radykalne działania.

Trzeba wiedzieć, ile to naprawdę kosztuje

Część firm nie zdaje sobie sprawy z kosztów związanych z działaniem data center, ponieważ faktury za media takie jak energia elektryczna są księgowane jako koszty administracyjne, a sama serwerownia jest nieopomiarowana. Problem ten dotyczy przeważnie mniejszych firm. Przy serwerowni o mocy liczonej w setkach kilowatów koszty energii są dość wysokie i menedżerowie zastanawiają się nad ich odpowiednim podziałem. Pierwszym krokiem jest zazwyczaj opomiarowanie poszczególnych urządzeń w data center. Często wyniki pomiarów, przeliczone na koszty, są na tyle szokujące dla nieświadomych menedżerów, że firma niezwłocznie rozpoczyna optymalizację kosztów.

W celu komercyjnej reprodukcji treści Computerworld należy zakupić licencję. Skontaktuj się z naszym partnerem, YGS Group, pod adresem [email protected]

TOP 200