IDEAL – путь к энергоэффективным и высокопроизводительным дата-центрам

Ученые предполагают, что содержание СО2 в атмосфере достигнет критической отметки в 450 частей на миллион всего через пару десятилетий. Поэтому необходимость согласованных действий в области минимизации выбросов углекислого газа и устранения последствий глобального изменения климата сейчас актуальней, чем когда-либо прежде. Примечательно, что IT-сектор, на долю которого приходится около 2 процентов выбросов углекислого газа в атмосферу, уже довольно давно активно внедряет технологии “зеленых” вычислений. В течение последнего десятилетия мы стали возводить все более крупные центры обработки данных, поэтому рациональное с экологической точки зрения проектирование вычислительных системы и переход индустрии ЦОД на возобновляемые источники энергии (ВИЭ) имеют первостепенное значение.

Команда ученых из Лаборатории интеллектуального проектирования эффективных архитектур (Intelligent Design of Efficient Architectures Laboratory; IDEAL) при Университете Флориды занимается разработкой предельно энергоэффективной схемы электропитания. В своей недавней работе команда исследователей отмечает, что энергопотребление крупных дата-центров стремительно растет. К примеру, спрос на электроэнергию для запитки серверов со стороны компании Google вырос за последнее десятилетие в 20 раз.

Даже если компании решат игнорировать глубокие экологические последствия, связанные с выбросами углекислого газа при работе угольных и газовых электростанций, электричество с которых поступает в ЦОД, экономические последствия использования “грязного” электричества и неэффективных систем электроснабжения они не смогут сбросить со счетов. Во многих регионах такая электроэнергия стоит дороже электричества из ВИЭ, а низкий КПД электрораспределительных устройств приводит к росту расходов на электроэнергию. В итоге бизнес становится менее прибыльным.

Согласно данным из квартального отчета консалтинговой компании McKensey, уже через восемь лет годовой объем выбросов CO2, попадающих в атмосферу по вине вычислительных систем, составит 1.54 гигатонны. По мнению специалистов, с каждым годом IT-индустрии будет становиться одним из крупнейших эмитентов парниковых газов. Этот тренд сохранится вплоть до 2020 года. Все это является причиной растущего интереса к зеленым технологиям со стороны операторов ЦОД. Технологии, позволяющие использовать возобновляемые источники энергии для запитки дата-центров, получают поддержку со стороны промышленности и научных кругов, потому что это хорошо для окружающей среды и для бизнеса.

Ориентируйтесь на нагрузки

Команда исследователей из лаборатории IDEAL изучает перспективы использования так называемой схемы межуровневого управления электропитанием. Предполагается, что в будущем данный метод позволит сделать платформы для высокопроизводительных вычислений более устойчивыми. В своем недавнем исследовании команда предложила использовать местные механизмы распределенного производства энергии с целью обеспечения «источников чистой энергии для вычислительных мощностей».

Распределенная генерация электроэнергии является новой тенденцией для IT-индустрии. Тем не менее, по мнению исследователей, именно она позволяет наиболее эффективно использовать ВЭИ для запитки дата-центров. Метод, который создали американцы, называется Формирование спроса на электроэнергию со стороны ЦОД (Datacenter Power Demand Shaping; PDS). Он предполагает применение ранее неиспользуемых в индустрии ЦОД механизмов и функций систем электропитания. Метод предполагает уравновешивание энергопотребления IT- и вспомогательной инфраструктуры дата-центра с возможностями систем распределенной генерации электроэнергии, чтобы избежать снижения производительности или даунтаймов по причине недостаточного электроснабжения или развертывания избыточных генерирующих мощностей.

Исследователи пишут: «Новизна методологии PDS заключается в двух вещах. Во-первых, PDS предполагает использование механизмов интеллектуального регулирования нагрузок в ЦОД, что позволяет системе распределенной генерации электроэнергии эффективно удовлетворять спрос на электричество. Во-вторых, в основе методологии PDS лежат сразу две схемы адаптивной подстройки нагрузки, которые могли бы повысить производительности дата-центра, а также позволяют добиться крайне высокой точности при прогнозировании спроса на электроэнергию. Используя схему межуровневой оптимизации энергопотребления, наш механизм управления электропитанием обеспечивает равновесие между спросом на электричество и предложением».

Данная методика имеет одно фундаментальное отличие от традиционной системы, где электроснабжение IT-нагрузки отслеживается и подгоняется под переменный бюджет на электроэнергию. Американцы решили поменять спрос и предложение местами: объем генерации электроэнергии из возобновляемых источников подстраивается под спрос со стороны ЦОД. Так что очень мало энергии тратится впустую. Чтобы реализовать этот подход на практике, команда исследователей применила систему распределенной генерации электроэнергии совместно с технологией интеллектуальных электросетей (Smart Grid).

Система распределенной генерации электроэнергии предполагает использование небольших, модульных генераторов, расположенных вблизи места использования вырабатываемого электричества. Эта концепция в последнее время стала закрепляться в качестве все более популярного альтернативного источника энергии для IT-индустрии. Технология получила поддержку со стороны Министерства по охране окружающей среды США (Environmental Protection Agency; EPA). Чиновники отмечают, что использование подобных систем в дата-центре в потенциале может оказаться крайне полезным, позволяя среди прочего сэкономить энергию, уменьшить негативные экологические последствия от эксплуатации ЦОД, а также добиться повышения надежности системы электроснабжения.

Используя данные, накопленные операторами реальных дата-центров во всем мире, команда ученых смогла создать крайне точный алгоритм уравновешивания спроса и предложения. По словам ученых, их разработка превосходит по эффективности традиционные систем отслеживания спроса на электричество примерно на 37%. Итог: внедрение системы в дата-центр мощностью в 10 МВт поможет избежать попадания в атмосферу 100 тонн углекислого газа в год.

После ряда тестов ученые из США пришли к следующему выводу:

«Внедрение системы PDS в механизм прогнозирования спроса и предложения электроэнергии позволяет достичь точности на уровне 98.8%. То есть наша разработка превосходит существующие аналоги в среднем на 37%. Кроме того, эта методика снижает нагрузку на системы хранения энергии и помогает увеличить срок службы батареи на 26%. Уникальной особенностью системы является тот факт, что она рассчитана на взаимодействие с возобновляемыми источниками энергии. Мы ожидаем, что наша работа может стать источником ценных руководящих принципов для проектировщиков дата-центров».