Для эффективной работы десятков тысяч процессоров и систем хранения данных внутри дата-центров требуется эффективная система охлаждения оборудования. Примечательно, что количество электроэнергии, которое уходит на охлаждение, зачастую примерно соответствует энергопотреблению самого охлаждаемого IT-оборудования. Это делает оптимизацию инфраструктуры, которая стоит за облачными сервисами, главной целью инициатив в области повышения энергоэффективности ЦОД.

«В центрах обработки данных на каждый киловатт потребляемой по назначению электроэнергии приходится почти киловатт, который рассеивается в виде тепла в окружающее пространство», поясняет Массимо Бертончини из итальянской компании Engineering Ingegneria Informatica. «По всему миру возводится все больше дата-центров, чтобы удовлетворить растущий спрос на цифровые сервисы. При этом электропитание и охлаждение расположенного в них IT-оборудования становится более актуальной проблемой, как с финансовой, так и с экологической точки зрения».

Бертончини координирует работу группы исследователей, которые потратили без малого 30 месяцев на поиск решения данной проблемы. Их технология повышения энергоэффективности, работа над которой велась в рамках проекта Green Active Management of Energy in IT Service Centres (сокращенно GAMES) при финансовой поддержке в размере 3 млн. евро со стороны Европейской Комиссии, будет коммерциализирована и начнет применяться в дата-центрах в самое ближайшее время. Внедрение этой технологии помогло сократить потребление электроэнергии в демонстрационных дата-центрах более чем на 20%.

Оптимизация энергопотребления ЦОД в режиме реального времени

Консорциум, который стоит за проектом GAMES, ведет исследование методологии повышения энергоэффективности ЦОД и перспективных технологий, направленных на снижение потребления энергии IT-инфраструктурой. Исследователи считают, что любое улучшение энергоэффективности на уровне IT-инфраструктуры автоматически уменьшает на тот же объем затраты электроэнергии на уровне системы охлаждения и других электромеханических систем объекта.

«Чтобы сделать дата-центры более эффективными, нам важно знать, как именно потребляется электроэнергия. Наша цель заключается в разработке эффективных механизмов мониторинга, которые позволяют оптимизировать производительность дата-центра в режиме реального времени», объясняет координатор проекта GAMES.

Команда исследователей разработала методики, программное обеспечение, сервисы и инновационные метрики, которые призваны помочь создателям интеллектуальных дата-центров следующего поколения. В основе системы лежат новые технологии и методики измерения энергопотребления IT-инфраструктуры, которые позволяют добиться более детализированных результатов, чем современные аналоги, — вплоть до уровня конкретного сервера.

Этот подход позволяет найти компромисс между энергоэффективностью и оптимизацией бизнес-потребностей, которые оговариваются в соглашениях об уровне обслуживания (Service Level Agreement; SLA), а также в документации по качеству обслуживания (Quality of Service; QoS).

На пути к идеальному PUE

Хотя современные дата-центры и являются более энергоэффективными, чем их предшественники, но лишь только около 60% от их общего энергопотребления идет на обеспечение работоспособности серверов, остальное электричество потребляется в основном системой охлаждения и системой источников бесперебойного питания (ИБП).

Энергоэффективность дата-центра измеряется с помощью показателя PUE (Power Usage Effectiveness). Этот коэффициент представляет собой отношение совокупного объема используемой всем объектом энергии к объему электричества, подаваемого на IT-оборудование. Идеальный PUE будет равен 1, в то время как в среднем по отрасли он составляет около 1.83 – 1.92.

Исследователи из команды GAMES разместили и протестировали свою систему мониторинга энергопотребления и оптимизации этого показателя в режиме реального времени в двух крупных и уже относительно энергоэффективных дата-центрах. Один ЦОД расположен в городе Понт-Сент-Мартин (Италия), другой — в Штутгарте (Германия). При этом данные объекты относятся к двум совершенно разным типам дата-центров.

Итальянский ЦОД используется в основном для хостинга унаследованных систем (приложения, базы данных, переставшие удовлетворять потребностям, но все ещё находящиеся в эксплуатации из-за трудностей их замены, так как при проектировании таких систем не были заложены возможности их перестройки). Там технология GAMES помогла понизить коэффициент PUE с 1.35 до 1.25. То есть инженеры смогли добиться значительной экономии электроэнергии.

Дата-центр в Штутгарте используется для высокопроизводительных вычислений. Применяется он главным образом в ходе проектов исследователей из Университета Штутгарта. Технология GAMES также помогла уменьшить коэффициент PUE этого ЦОД, несмотря на различие этого объекта от итальянского с точки зрения применяемых там систем охлаждения и прочих элементов инфраструктуры.

Компромисс между энергоэффективностью и производительностью

«Мы доказали, что этот подход совместим с различными технологиями в дата-центрах, которые предназначены для выполнения самых разнообразных задач», говорит Бертончини. «Это позволяет операторам ЦОД использовать передовой опыт на собственных объектах для снижения потребления электроэнергии без ущерба производительности».

Например, в одном месте имеет смысл снизить частоту работы процессоров. В то время как в другом дата-центре оптимальный подход может заключаться в перераспределении вычислительной нагрузки с одного сервера на другой, чтобы все машины вычислительного кластера работали на 80% своей мощности, вместо использования меньшего числа серверов при 100-процентой нагрузке на каждый из них, что чревато проблемами. Кроме того, применяемая исследователями технология адаптивного управления позволяет в динамическом режиме отключать недостаточно загруженные серверы, когда это необходимо.

«Приходится всегда искать компромисс между энергоэффективностью и производительностью: по сути, чем выше производительность, тем больше электроэнергии будет использоваться. Ключ к оптимизации работы ЦОД в данном случае заключается в нахождении сбалансированного состояния», подчеркивает Бертончини.

Другим ключевым результатом проекта стало изучение и классификация групп задач, которые демонстрируют похожие модели поведения в области энергопотребления. Такая классификация позволила команде исследователей связать передовой опыт в данной области с механизмами оптимизации аппаратного и программного обеспечения в целях достижения наилучшего компромисса между обязательствами по SLA, производительностью и потреблением электроэнергии.

Проект GAMES и экономия на счетах за электричество

Улучшение энергоэффективности того или иного дата-центра будет способствовать не только снижению его негативного воздействия на окружающую среду, но и обернется существенной экономией средств оператора ЦОД. Эксплуатация крупного дата-центра может стоить более 10 миллионов евро в год. В некоторых случаях в такую сумму обходится лишь только выплаты по счетам за электричество. Поэтому не удивительно наблюдать повышенную заинтересованность операторов ЦОД проектом GAMES.

«Мы наблюдали большой интерес со стороны ключевых игроков индустрии дата-центров,» говорит Бертончини. «Но сначала мы реализуем это решение в своих дата-центрах и лишь затем начнем предлагать его клиентам». Команда исследователей готовится запустить новый проект, который предполагает продвижение технологии и достижение дальнейших улучшений в области энергоэффективности.

Самые разнообразные организации из таких секторов, как финансов-банковский, здравоохранение и государственное управление, все активнее перемещают свои работу в интернет и пользуются облачными вычислениями. По словам экспертов, объем глобального IP-трафика, генерируемого облачными сервисами, увеличится в шесть раз в течение следующих пяти лет, в то время как количество дата-центров будет расти примерно на 20 % в год. Проектирование и управление ЦОД с учетом задач по максимизации экономии электроэнергии будут иметь ключевое значение для развития всей отрасли.