Energia to jeden z głównych dziś składników kosztów utrzymania centrum danych. Co istotne, na 1 KW prądu zużyty przez sprzęt IT przypada od 1,1 KW do nawet 2 KW na chłodzenie. W centrach danych powstałych 15–20 lat temu jest to aż 2,6 KW! Jak widać, skala oszczędności, które można osiągnąć, modernizując serwerownię, jest bardzo duża.
W roku 2010 zasilanie serwerowni stanowiło 1–1,5% światowego zużycia energii. Teraz ten odsetek wynosi już 3%. Pracujące serwery oddają energię elektryczną w postaci ciepła, które trzeba odprowadzić, aby nie doszło do ich przegrzania. Można zminimalizować to zjawisko za pomocą różnych urządzeń i technologii lub po prostu zwiększając temperaturę w centrum danych. Ten ostatni sposób jest stosunkowo prosty do zastosowania. Sprzęt IT może poprawnie pracować, nawet jeśli powietrze powracające do szafy klimatyzacji precyzyjnej ma 30–35 stopni Celsjusza. Natomiast nadmuch na szafy serwerowe może być ustawiony na 24 stopnie.
Wydajność energetyczna: najważniejsze wyzwania
Wraz z rozwojem technologii w centrach danych pojawiają się coraz poważniejsze wyzwania związane z utrzymaniem właściwej temperatury pracy urządzeń IT. Trzy z nich są najistotniejsze z punktu widzenia osób zarządzających data center.
1. Wysoka temperatura pracy
Wirtualizacja to już standard w centrach danych. Popularne są również sprzętowe rozwiązania wysokiej gęstości, np. serwery blade. Te technologie przyczyniają się do tworzenia dużych ilości ciepła w ciasnych obudowach. Odprowadzenie tego ciepła może być trudne i kosztowne. Z reguły wymaga stosowania jednostek zasilania (PDU) odpornych na pracę w wysokiej temperaturze.
2. Nieefektywne chłodzenie
W przypadku serwerowni zlokalizowanych w starszych budynkach często wykorzystuje się przestarzałe metody dystrybucji powietrza mającego odprowadzać ciepło. W takiej sytuacji klimatyzatory CRAC (Computer-Room Air-Conditioning) tłoczą do serwerowni duże ilości chłodnego powietrza, aby schłodzić sprzęt i wypchnąć z pomieszczenia nagrzane powietrze. Dochodzi przy tym do mieszania się warstw chłodnego i ciepłego powietrza, co negatywnie wpływa na efektywność chłodzenia.
3. Niskie obciążenie zasilaczy
Aby zapewnić wysoką dostępność systemów w centrach danych, stosuje się redundancję zasilaczy UPS i innych komponentów. To powoduje, że wiele urządzeń pracuje tylko przy częściowym obciążeniu. Jeśli dojdzie do awarii lub konieczne są prace konserwacyjne, nadmiarowe komponenty przejmują zadania pozostałych. Takie podejście rzeczywiście chroni przed przestojami, ale wpływa negatywnie na efektywność energetyczną. Konstrukcja UPS-ów powoduje, że przy niewielkim obciążeniu powstają znaczne straty energii i produkują one dużo więcej ciepła niż przy pełnym obciążeniu.
Wdrażając strategię porządkowania, zarządzania i ochrony sprzętu IT, operatorzy centrów danych mogą znacząco zredukować koszty chłodzenia. Aby zbudować bardziej zaawansowane rozwiązanie, warto wdrożyć serwery z zamkniętymi obudowami, z których gorące powietrze jest przechwytywane i odprowadzane do urządzeń CRAC lub innego systemu chłodzącego. Z kolei schłodzone powietrze również jest bezpośrednio dostarczane do wlotów w obudowach serwerów. Kolejną metodą ograniczenia zużycia prądu jest stosowanie zintegrowanego oprogramowania do zarządzania zasilaniem.
Najlepsze praktyki maksymalizacji efektywności energetycznej
Operatorzy centrów danych mają do wyboru szeroki wachlarz możliwości, jak radzić sobie z wyzwaniami związanymi z poprawą efektywności energetycznej. Nowa generacja zaawansowanych zasilaczy może pomóc w poprawie efektywności energetycznej, bez konieczności szukania kompromisu z wysoką wydajnością. Takie urządzenia występują w dwóch typach:
1 Modularne zasilacze UPS o zmiennej pojemności
Wiele UPS-ów o podwójnej konwersji obecnie jest zbudowanych z dużej liczby modułów. Najbardziej zaawansowane modele umożliwiają stosowanie tych modułów w różnych konfiguracjach. Dlatego, zamiast rozkładać obciążenie równo pomiędzy wszystkie moduły, można w pełni obciążyć jeden lub kilka modułów, a pozostałe pozostawić w trybie uśpienia dopóty, dopóki nie będą potrzebne. Jeśli awaria lub inny powód sprawi, że nagle wzrośnie skokowo obciążenie, UPS może automatycznie aktywować pozostałe moduły. Efektem końcowym jest poprawa efektywności energetycznej w tradycyjnych warunkach pracy; lepsza, mechaniczna niezawodność i nieprzerwana praca w razie wystąpienia problemów.
2 Wielomodowe zasilacze UPS
Zmienne, modularne UPS-y mogą pracować wyłącznie w trybie podwójnej konwersji. Natomiast wielomodowe zasilacze UPS mogą pracować w dwóch trybach. W podstawowych warunkach pracy UPS działa w trybie oszczędzania energii, ale jeśli zmienią się parametry zasilania – poza wyznaczony zakres – wtedy automatycznie i natychmiastowo następuje przełączenie w tryb podwójnej konwersji. Jeżeli jakość zasilania powróci do akceptowalnych poziomów, UPS ponownie automatycznie przełączy się w tryb oszczędzania energii.
Dzisiejsze UPS-y, wykorzystujące podwójną konwersję, charakteryzują się efektywnością na poziomie 94%. Z kolei efektywność wielomodowych zasilaczy UPS wynosi 99%, nawet przy niewielkim obciążeniu. W rezultacie, w centrum danych takie zasilacze oferują idealne połączenie niskich kosztów utrzymania z wysoką niezawodnością. Niektóre UPS-y wielodomowe mają również wbudowaną funkcję redukcji harmonicznych. Harmoniczne są zakłóceniami napięcia lub amplitudy prądu w centrum danych, spowodowane zazwyczaj nieliniową pracą serwerów, dysków o zmiennej częstotliwości oraz świetlówki. Jeśli nie zapobiega się temu zjawisku, wpływa ono negatywnie na efektywność energetyczną, niezawodność oraz trwałość urządzeń elektrycznych.
W przeszłości operatorzy centrów danych, aby walczyć z harmonicznymi, poświęcali cenną przestrzeń na montaż specjalistycznych urządzeń. Obecnie można do tego celu wykorzystać zasilacze wielomodowe, wyposażone w technologię redukcji harmonicznych. Starsze urządzenia umożliwiają korzystanie z tej funkcji tylko w trybie podwójnej konwersji, ale nowsze modele UPS potrafią redukować harmoniczne, a także równoważyć obciążenie, również w trybie oszczędzania energii.
Ekonomizery
Wprawdzie klimatyzatory CRAC znajdują zastosowanie w większości centrów danych, ale zajmują cenną przestrzeń, są kosztowne w utrzymaniu i powodują znaczne straty energii. Dlatego operatorzy centrów danych stosują różne sposoby, aby ograniczyć ich wykorzystanie, np. instalują mniejsze modele, montują je w rzędach szaf stelażowych lub stosują tylko jako rozwiązanie zapasowe dla bardziej efektywnych energetycznie technologii chłodzenia, np. ekonomizery. Wyróżniamy dwa podstawowe rodzaje ekonomizerów:
Wodne ekonomizery – wykorzystują niższą temperaturę zewnętrzną do schładzania płynu chłodzącego pracującego w zamkniętym obiegu.
Powietrzne ekonomizery – wydmuchują gorące powietrze z serwerowni i pompują naturalne, chłodniejsze powietrze z zewnątrz. Są najbardziej wydajne, kiedy na zewnątrz jest chłodno. Sprawdzają się więc tam, gdzie panują niskie temperatury. W cieplejszych regionach też można je stosować, ale wtedy z reguły mogą pracować jedynie przez część dnia.
Wybór ekonomizera zależy od kilku zmiennych, przede wszystkim lokalizacji geograficznej, ale niemal każde centrum danych ma potencjał, by skorzystać na bezpłatnym chłodzeniu (free cooling), które oferują ekonomizery.
Kompleksowe rozwiązania chłodzące Wdrażając strategię porządkowania, zarządzania i ochrony sprzętu IT, operatorzy centrów danych mogą znacząco zredukować koszty chłodzenia. Aby zbudować bardziej zaawansowane rozwiązanie, warto wdrożyć serwery z zamkniętymi obudowami, z których gorące powietrze jest przechwytywane i odprowadzane do urządzeń CRAC lub innego systemu chłodzącego. Z kolei schłodzone powietrze również jest bezpośrednio dostarczane do wlotów w obudowach serwerów. Kolejną metodą ograniczenia zużycia prądu jest stosowanie zintegrowanego oprogramowania do zarządzania zasilaniem, które będzie sterowało środowiskiem maszyn wirtualnych, np. w okresach niższego obciążenia może przenosić wirtualki na mniejszą liczbę serwerów, a pozostałe wyłączać.
Porządkowanie i kontrolowanie strumieni danych w opisany sposób znacznie poprawia efektywność chłodzenia. Przykładowo, w układzie wydzielonych korytarzy ciepłego i chłodnego powietrza klimatyzatory muszą wydmuchiwać powietrze o temperaturze ok. 13 stopni Celsjusza. Jeśli obieg powietrza jest całkowicie zamknięty, wystarczy powietrze o temperaturze 18 stopni. Dodatkową korzyścią z takiego rozwiązania jest poprawa niezawodności sprzętu, ponieważ jest on chroniony przed strumieniami gorącego powietrza. Ponadto możliwe jest dowolne ustawianie szaf stelażowych, gdyż nie ma konieczności tworzenia korytarzy ciepłego i chłodnego powietrza.
KOMENTARZ EKSPERTA
Każdego roku nieodpowiednio zaprojektowana infrastruktura zasilająca i chłodząca centra danych na całym świecie generuje straty energii na poziomie 60 000 000 MWh. Ponieważ ośrodki przetwarzania danych stale się rozbudowują, a lokalne firmy energetyczne nakładają znaczne ograniczenia na możliwość poboru mocy z sieci, coraz bardziej palącą staje się potrzeba zmniejszenia zużycia energii poprzez stosowanie bardziej ekonomicznych i energooszczędnych rozwiązań.
Wzrost świadomości specjalistów zarządzających centrami danych przekłada się na większe oczekiwania wobec niezawodności rozwiązań. Stąd zainteresowanie możliwie najniższym współczynnikiem PUE, czyli współczynnikiem efektywności serwerowni. Efektywność energetyczną zwiększymy, racjonalnie planując wykorzystanie serwerowni i zapewniając odpowiednie chłodzenie. Ważne, aby nie przesadzać ze skalą, ponieważ przewymiarowane serwerownie generują nadmierne zużycie energii. Dobrym sposobem jest więc stosowanie systemów modułowych i skalowanych, które można rozbudować wraz ze wzrostem bieżących potrzeb firmy. Musimy także pamiętać, że wraz ze wzrostem zużycia energii, rośnie zapotrzebowanie na chłodzenie. Nie powinno instalować się źródeł chłodu zbyt daleko od obciążeń IT oraz nie blokować przepływów chłodnego powietrza, zaś ciepłe i zimne strumienie powietrza nie powinny się mieszać. Ogólna zasada głosi, że efektywność wzrasta, gdy obciążone systemy IT są skonsolidowane w jak najmniejszej liczbie szaf oraz blisko systemów chłodzenia.
Klienci poszukują systemów, które pozwolą ograniczyć ewentualne konsekwencje błędu człowieka. Dużym krokiem naprzód w poprawie efektywności i wydajności centrum danych jest oprogramowanie DCIM, pozwalające zdalnie śledzić i wprowadzać zmiany w ustawieniach urządzeń. Kompleksowy system DCIM StruxureWare for Data Centers łączy rozwiązania zasilania, chłodzenia, szafy 19”, narzędzia do monitorowania, zarządzania i bezpieczeństwa oraz usługi serwisowe. Szacujemy, że przejście z chłodzenia pomieszczeń na rzędowy system klimatyzacji umożliwia zaoszczędzenie średnio 35% kosztów energii elektrycznej. System StruxureWare for Data Centers – dzięki swojej modułowej budowie – pozwala realizować strategię „płać, gdy rośniesz”, czyli na rozbudowę systemu infrastruktury fizycznej w centrum danych stopniowo, w miarę pojawiających się potrzeb, a to z kolei – na optymalizację wydatków inwestycyjnych.
Cezary Gutowski, kierownik wsparcia sprzedaży w pionie ITD, Schneider Electric
Artykuł ukazał się na łamach Magazynu ITwiz nr. 9/2017. Szczegóły dotyczące Magazynu wraz z formularzem dla osób zainteresowanych zakupem wydania dostępne są na stronie: itwiz.pl/kiosk
