Zasilanie i chłodzenie w środowiskach zwirtualizowanych

Efekt wirtualizacji w postaci zmniejszenia liczby serwerów w centrum danych to nie tylko mniejsze zużycie prądu przez nie same, lecz również przez systemy infrastruktury fizycznej, a także zmiany warunków zasilania i chłodzenia, które mogą wpływać na zwiększenie ryzyka awarii systemu teleinformatycznego.

Zasilanie i chłodzenie w środowiskach zwirtualizowanych

Wirtualizacja

Obecnie jednym z najważniejszych wymogów stawianych przed systemami teleinformatycznymi jest utrzymanie wysokiego poziomu dostępności, zarówno dla aplikacji już działających, jak i dla tych nowo wdrażanych. Oznacza to konieczność umożliwienia odbudowy systemu np. po awarii czy zapewnienia zasobów do testowania aplikacji itp., co z kolei przekłada się na wysoką złożoność infrastruktury IT (wiele serwerów), która jednak nie jest wykorzystywana w pełnym stopniu, powodując wzrost kosztów utrzymania, związanych z zasilaniem i chłodzeniem. Jak pokazuje doświadczenie w typowych (niezwirtualizowanych) centrach przetwarzania danych, średnie wykorzystanie serwera fizycznego zawiera się w przedziale od 5 do 15%, co oznacza nie tylko niewielkie wykorzystanie mocy obliczeniowej serwera, ale również marnowanie energii (serwer musi być ciągle zasilany i chłodzony). Obecnie przy projektowaniu Centrów Przetwarzania Danych dużą uwagę poświęca się minimalizacji nakładów na infrastrukturę teleinformatyczną, w tym ograniczenie powierzchni pomieszczenia serwerowni przy jednoczesnym nacisku na zwiększenie bezpieczeństwa i dostępności usług oraz ochronę środowiska. Wszystkie te aspekty niejako wymuszają zastosowanie wirtualizacji, której korzenie sięgają idei partycjonowania, pozwalającej dzielić jeden serwer fizyczny na wiele logicznych. W dużym uproszczeniu pozwala ona na uruchomienie wielu wirtualnych maszyn na jednym fizycznym serwerze (tzw. hoście), posiadających własny (wirtualny) sprzęt i mogących działać w różnych systemach operacyjnych. Biorąc pod uwagę średnie wykorzystanie procesorów wynoszące od kilku do kilkunastu procent, na jednym fizycznym serwerze można uruchomić zwykle co najmniej kilka wirtualnych maszyn, co pozwala uzyskać wysoki stopień wykorzystania zasobów sprzętowych i jednocześnie zredukować liczbę serwerów. Stosunek liczby maszyn wirtualnych działających na pojedynczym serwerze fizycznym po konsolidacji, kształtuje się najczęściej na poziomie 8 : 1 (co oznacza, że osiem wirtualnych maszyn funkcjonuje na jednym serwerze fizycznym), skutkiem czego jest ograniczenie liczby potrzebnych fizycznych serwerów i w konsekwencji redukcja zużycia energii pobieranej przez serwery na podobnym poziomie, czyli prawie ośmiokrotnie. Zdarzają się jednak przypadki, że proporcja ta osiąga znacznie wyższe wartości, dochodzące aż do 20 : 1, a w sporadycznych przypadkach nawet więcej. Główne zalety irtualizacji to oszczędności związane ze zmniejszeniem liczby serwerów fizycznych, czyli mniejsze koszty zakupu infrastruktury fizycznej, mniejsze koszty zasilania (mniej fizycznych serwerów – np. zamiast kilkunastu jest tylko kilka) i chłodzenia (mniej maszyn generuje mniejszą ilość ciepła) oraz ograniczenie potrzebnej powierzchni pomieszczenia. Mniej energii pobieranej przez urządzenia IT to oczywiście również mniej energii zużywanej przez systemy zasilania i chłodzenia, które utrzymują odpowiednie parametry zasilania i środowiska (temperaturę, wilgotność) zapewniając bezawaryjną pracę centrum przetwarzania danych lub serwerowni. Zmniejszenie liczby serwerów powoduje z kolei zwiększenie obciążenia pojedynczych jednostek średnio z poziomu około 20% do około 80%, co stwarza znacznie trudniejsze warunki dla systemów zasilania i chłodzenia, oznaczając konieczność odprowadzenia większej ilości ciepła z pojedynczej szafy. W wyniku funkcjonowania wielu wirtualnych maszyn na jednym serwerze fizycznym zwiększa się również znaczenie biznesowe każdego z nich. Wywołuje to znaczący wzrost ich krytyczności, co przekłada się na konieczność dostosowania systemów zasilania i chłodzenia do nowych warunków, tak aby zapewnić wymagany poziom dostępności serwerowni. Pierwszą czynnością, jaką w związku z tym należy przeprowadzić jest analiza nowej konfiguracji systemu teleinformatycznego pod kątem wpływu na warunki pracy dla systemów zasilania i chłodzenia.

WIRTUALIZACJA – NOWE WARUNKI DLA SYSTEMÓW ZASILANIA I CHŁODZENIA

Zasilanie i chłodzenie w środowiskach zwirtualizowanych

Wpływ zmniejszenia poziomu obciążenia sytemu

teleinformatycznego będącego efektem wirtualizacji na

sprawność energetyczną.

Główne zjawiska wpływające na systemy zasilania i chłodzenia, jakie towarzyszą wirtualizacji to: znaczne zmniejszenie obciążenia systemów zasilania i chłodzenia, występowanie obszarów o wysokiej gęstości mocy

Zobacz również:

oraz powstawanie pustych miejsc w szafach, w wyniku demontażu części sprzętu. Wirtualizacja prowadzi do zwiększenia poziomu wykorzystania fizycznych serwerów, co może być przyczyną powstawania obszarów o wysokiej gęstości mocy i stanowić dodatkowe wyzwanie dla infrastruktury zasilania i chłodzenia. Ten efekt wspiera również dość powszechne stosowanie w takich środowiskach serwerów typu blade, które są bardziej efektywne niż serwery stelażowe czy wolno stojące, lecz cechują się dużą gęstością mocy (upakowania). Innym efektem wirtualizacji, wpływającym na rozkład temperatury w pomieszczeniu, jest dynamiczne przenoszenie, uruchamianie i zatrzymywanie aplikacji, skutkujące obciążeniami zmieniającymi swą wartość oraz rozmieszczenie nie tylko w samej szafie, ale również na przestrzeni serwerowni. Na całe szczęście, wysoka gęstość nie jest zjawiskiem nowym i powstały już efektywne strategie jej obsługi, takie jak chłodzenie rzędowe i dedykowane systemy klimatyzacji CRAC (Computer Room Air Conditioner). Wyższe gęstości mocy oraz zmienne obciążenia będące skutkiem wirtualizacji mogą być przyczyną zmniejszenia dostępności całego systemu teleinformatycznego, co jest głównym argumentem za rezygnacją z klasycznych systemów klimatyzacji tzw. komfortu przeznaczonych do chłodzenia pomieszczeń, w celu zapewnienia optymalnych warunków środowiskowych dla ludzi. Zmniejszenie liczby serwerów i pamięci masowych po przeprowadzonym procesie wirtualizacji często wiąże się z powstawaniem pustych miejsc w szafach stelażowych, co w znaczący sposób może zaburzyć przepływ czynnika chłodzącego i doprowadzać do recyrkulacji powietrza ciepłego z zimnym, skutkując znacznym pogorszeniem się efektywności chłodzenia. System chłodzenia pracuje wtedy wyjątkowo nieefektywnie, co przekłada się oczywiście na większy pobór energii przez systemy chłodzenia, w celu utrzymania odpowiedniej temperatury w pomieszczeniu, a wewnątrz samej szafy może dochodzić do wzrostu temperatury ponad wartości krytyczne. Aby zapobiec temu niekorzystnemu zjawisku, należy puste miejsca w pionie szafy zawsze wypełniać panelami zaślepiającymi, by ograniczyć mieszanie się powietrza oraz umieszczać urządzenia chłodnicze na końcu stref gorącego powietrza (hot-aisle). Należy jednak pamiętać, Centrum danych iż zastosowanie paneli zaślepiających w obudowach, w których wlot powietrza jest usytuowany w dole lub górze szafy nie będzie skutecznie przeciwdziałać zjawisku recyrkulacji. Jak już wcześniej wspomniano, wirtualizacja redukuje liczbę użytkowanych serwerów w centrum danych lub serwerowni, jednocześnie zwiększając poziom złożoności zarządzania zarówno nimi, jak i pozostałą infrastrukturą. W związku z faktem, iż wykorzystanie pojedynczych serwerów znacząco rośnie, kwestia niezawodnego zasilania i chłodzenia nabiera jeszcze większej wagi. Awaria zwirtualizowanego serwera może bowiem spowodować brak dostępu do znacznie większej liczby usług lub danych i w rezultacie jest o wiele bardziej kosztowna niż niezwirtulizowanego. Wymagane i dostępne zasoby powinny być więc monitorowane, koordynowane i zarządzane przez system centralny, poczynając już od poziomu pojedynczej szafy. Wirtualizacja daje zupełnie nowe możliwości elastycznego dopasowania sytemu teleinformatycznego do zmieniających się wymagań biznesowych. Gdy maleje lub wzrasta obciążenie generowane przez aplikacje, można włączać i wyłączać wirtualne serwery, by ich moc uwzględniała te zmiany. Zarządzanie zasilaniem poprzez zastosowanie wielotorowych przełączników statycznych daje możliwość dynamicznego sterowania serwerami fizycznymi, co eliminuje w dużym stopniu konieczność zmian okablowania. Częsta modyfikacja obwodów zasilania w połączeniu z koniecznością zasilania urządzeń w sposób ciągły (7 x 24) stwarza bowiem ryzyko popełnienia błędów łączeniowych. Potwierdza to raport Uptime Institut, z którego wynika, że ponad połowa wszystkich przypadków wyłączenia zasilania w centrach przetwarzania danych spowodowana jest błędami człowieka. Inną pożyteczną funkcjonalnością dostępną dzięki przełącznikom jest możliwość zminimalizowania obszaru potencjalnej awarii do pojedynczych szaf oraz zwiększenie sprawności energetycznej centrum przetwarzania danych, na przykład poprzez wyłączanie niewykorzystywanych w danym momencie urządzeń. Większość dostępnych na rynku przełączników statycznych (static switch) może współpracować z dowolnymi zasilaczami UPS, zwykle bez konieczności modernizacji instalacji elektrycznej.

Zasilanie i chłodzenie w środowiskach zwirtualizowanych

Przepływ powietrza chłodzącego przez szafę rackową

WIĘCEJ KORZYŚCI Z WIRTUALIZACJI DZIĘKI NOWOCZESNYM SYSTEMOM ZASILANIA I CHŁODZENIA

Wykorzystanie wirtualizacji systemu przynosi wiele korzyści i oszczędności dla całej organizacji. Widać to wyraźnie przy konsolidacji serwerów, która bardzo szybko przekłada się na ograniczenie zasobów oraz lepsze wykorzystane mocy obliczeniowej systemów teleinformatycznych. Jak już wcześniej wspomniano, skutkiem konsolidacji jest ograniczenie liczby instalowanych urządzeń informatycznych, co w konsekwencji przekłada się na zmniejszenie całkowitego obciążenia CPD. Redukcja zużycia energii w wyniku ograniczenia liczby urządzeń teleinformatycznych to jednak nie wszystkie oszczędności, jakie można uzyskać dzięki wirtualizacji. W znaczącym stopniu na całkowitą konsumpcje energii przez centrum przetwarzania danych wpływają również straty energii elektrycznej generowane przez infrastrukturę zasilania i chłodzenia, a każdy wat zaoszczędzony na poziomie urządzeń informatycznych, np. serwerów, ma kaskadowy wpływ na następujące po nim procesy. Mimo to obniżenie poziomu obciążenia może powodować pogorszenie się sprawności systemów zasilania i chłodzenia, ze względu na występujące tzw. straty stałe, które nie zmniejszają się proporcjonalnie do redukcji obciążenia. Są one związane z potrzebami własnymi urządzeń zasilania i chłodzenia, i zawsze obecne (niezależnie od poziomu obciążenia), co oznacza, iż sprawność jest wyższa przy obciążeniach bliskich znamionowych, a zmniejsza się wraz z ich spadkiem. W tradycyjnych systemach zasilania gwarantowanego i chłodzenia, które nie są przygotowane do dynamicznych zmian obciążenia, sprawność energetyczna ulega więc znacznemu obniżeniu, w przypadku gdy urządzenia nie są obciążone mocą nominalną. Pełniejsze wykorzystanie faktu zmniejszenia poboru energii będącej efektem konsolidacji serwerów,można osiągnąć poprzez stosowanie wysokowydajnych i skalowalnych rozwiązań zasilania i chłodzenia, cechujących się niskimi stratami stałymi oraz budowę kompleksowego systemu zarządzania tą warstwą. Takie działania powinny zapewnić utrzymanie, a nawet wzrost parametru efektywności energetycznej PUE (Power Usage Effectiveness), który jest stosunkiem całkowitej energii dostarczanej do data center – do energii zużywanej wyłącznie przez sprzęt IT (serwery, pamięci, sprzęt sieciowy itd.) z wyłączeniem systemów klimatyzacji i chłodzenia. Nowoczesne, wysokowydajne zasilacze UPS, dzięki udoskonalaniu układów przekształtników energoelektronicznych oraz systemów sterowania, mają znacznie lepszą sprawność, której wartość jest znacznie mniej zależna od poziomu obciążenia. Zmieniające się obciążenie pod względem gęstości i lokalizacji skutkuje powstawaniem obszarów o wysokim poziomie emisji ciepła, które mogą występować w różnych miejscach serwerowni, w miarę jak maszyny wirtualne migrują na serwerach i funkcje zarządzania mocą serwerów wyłączają jedne serwery fizyczne, a włączają inne. Aby zapewnić wydajne i efektywne chłodzenie urządzeń IT, system chłodzenia powinien reagować na te zmiany i automatycznie dostosowywać poziom chłodzenia do zmieniającej się gęstości mocy. Chłodzenie ukierunkowane na urządzenia, w przeciwieństwie do typowych rozwiązań chłodzenia całego pomieszczenia, zapewnia możliwość szybkiego reagowania na tego typu warunki. Oferowane obecnie urządzenia klimatyzacyjne CRAC wyposażone są w sprężarki Digital Scroll oraz wentylatory o zmiennych prędkościach obrotowych, co umożliwia utrzymanie wysokich wydajności także przy niepełnym obciążeniu. Korzyści płynące z wirtualizacji systemów IT można również znacząco zwiększyć w dużo prostszy sposób, jak np. poprzez zbliżenie klimatyzatorów do szaf (tzw. close couple cooling). Wraz ze zwiększonym zainteresowaniem technologią wirtualizacyjną oraz związaną z nią konsolidacją urządzeń teleinformatycznych pojawiła się koncepcja tworzenia tzw. niezależnych stref (zones). Znaczące zmniejszenie liczby fizycznych serwerów oraz korzystanie z rozwiązań wysokiej gęstości typu blade sprzyja możliwości tworzenia wydzielonych stref szaf (lub pojedynczej szafy). Pozwala to np. dokonać wydzielenia serwerów obsługujących krytyczne aplikacje od tych, obsługujących oprogramowanie typu back-office. Dzięki temu można lepiej wymiarować systemy zasilania i chłodzenia zmniejszając zużycie energii. Dodatkowo podział stref według rodzaju aplikacji oraz w zależności od stopnia ich krytyczności pozwala stosować rozwiązania infrastruktury zasilania i chłodzenia w konfiguracji dostosowanej do faktycznych wymagań, np. poprzez użycie redundantnych układów zasilania tylko dla strefy z aplikacjami krytycznymi, a nie dla całej instalacji. Koncepcja ta pozwala więc zarówno na ograniczenie początkowych nakładów na infrastrukturę fizyczną, jak i zmniejszenie kosztów utrzymania, co przekłada się na poprawę efektywności energetycznej. Równoległa modernizacja infrastruktury zasilania i chłodzenia, przeprowadzana wraz z procesem wirtualizacji, powinna skutkować zapewnieniem wymagalnego poziomu dostępności i większą łatwość zarządzania.

Podział stref według rodzaju aplikacji oraz w zależności od stopnia ich krytyczności pozwala stosować rozwiązania infrastruktury zasilania i chłodzenia w konfiguracji dostosowanej do faktycznych wymagań, np. poprzez użycie redundantnych układów zasilania tylko dla strefy z aplikacjami krytycznymi, a nie dla całej instalacji.

PODSUMOWANIE

Wirtualizacja daje organizacjom możliwość efektywniejszego wykorzystania serwerów oraz przynosi dodatkowe korzyści w postaci redukcji wymaganych zasobów sprzętowych. Główne jej zalety to oszczędności związane ze zmniejszeniem liczby serwerów fizycznych – mniejsze koszty zakupu infrastruktury teleinformatycznej i fizycznej, mniejsze koszty zasilania (mniej fizycznych serwerów) i chłodzenia (mniej maszyn generuje mniejszą ilość ciepła) oraz zaoszczędzenie miejsca w serwerowni. Wirtualizacja serwerów wymaga jednak specyficznego podejścia do kwestii zasilania i chłodzenia ze względu na wielokrotne zwiększenie poziomu wykorzystania serwerów (będącej efektem ograniczenia liczby fizycznych maszyn), co przekłada się na zwiększenie gęstości mocy, które może prowadzić do powstawania obszarów o podwyższonej temperaturze. Jak powszechnie wiadomo, właściwa temperatura ma ogromny wpływ na dostępność całego systemu teleinformatycznego, a powstanie zmiennych obszarów o podwyższonej emisji ciepła oraz zjawisko mieszania się powietrza chłodnego z ciepłym może być przyczyną uszkodzenia bądź nieprawidłowej pracy urządzeń IT, i w konsekwencji przestoju systemu. Innym ważnym aspektem jest utrzymanie dobrej wartości parametru efektywności energetycznej lub – jeśli to możliwe – jego poprawa, dlatego po procesie wirtualizacji warto dokonać optymalizacji systemów zasilania i chłodzenia również pod tym kątem. Celem modernizacji systemów zasilania i chłodzenia powinno być spełnienie tych samych założeń, jakimi kieruje się wirtualizacja warstwy IT, co pozwala na znaczne zwiększenie oszczędności, będących wynikiem samej wirtualizacji. Aby zoptymalizować efektywność centrum przetwarzania danych po przeprowadzeniu wirtualizacji, należy stosować:

  • wysokowydajne i skalowalne systemy zasilania i chłodzenia,
  • urządzenia o wysokiej sprawności energetycznej,
  • kompleksowe systemy zarządzania wszystkimi warstwami.

Stosowanie ww. rozwiązań pomaga nie tylko obniżyć koszty, ale również podnieść wydajność i niezawodność. Odpowiednio zmodernizowana infrastruktura fizyczna będzie w stanie nie tylko zapewniać rozwiązanie konkretnych problemów, będących efektem wirtualizacji, ale również zwiększyć poziom sprawności centrum danych powyżej poziomu sprzed wirtualizacji. Aby powiększyć korzyści płynące z wirtualizacji, należy zapewnić komunikację i współpracę systemów infrastruktury fizycznej z elementami infrastruktury IT. Jednak jak pokazuje praktyka, wiele funkcjonujących centrów przetwarzania danych wciąż jeszcze czeka na pełne wykorzystanie zalet płynących z wirtualizacji, mimo iż współczesne technologie zasilania i chłodzenia zapewniają rozwiązywanie problemów związanych z gęstością i dynamicznymi zmianami mocy, które często towarzyszą wirtualizacji i konsolidacji, przy utrzymaniu wysokiej dostępności i efektywności energetycznej.

Zasilanie i chłodzenie w środowiskach zwirtualizowanych

Zmiany warunków w serwerowni po wirtualizacji


TOP 200