Инженерам Microsoft и специалистам из Калифорнийского университета в Ирвине удалось успешно запитать серверное оборудование внутри монтажной стойки общей мощностью в 12 кВт с помощью миниатюрного топливного элемента, который был установлено в саму стойку. Подобный подход позволил устранить множество промежуточных элементов электроэнергетической инфраструктуры ЦОД и добиться значительного повышения энергоэффективности вычислительной системы в целом.

Сообщается, что благодаря уменьшению количества этапов преобразования тока из постоянного в переменный и обратно КПД системы электропитания серверов на базе топливного элемента удалось увеличить с 39.8% до 53% (без учета тепловой энергии), если сравнивать со стандартным энергоблоком, которых размещается за пределами машзала.

Убрать все лишнее

В обычной системе вырабатываемая топливным элементом электроэнергия идет через преобразователь постоянного тока (DC-to-DC Converter), необходимый для стабилизации колебаний напряжения. Затем ток преобразуется в переменный. Это обусловлено тем, что именно с помощью переменного тока запитывается большая часть устройств. Тем не менее, сама электроника в серверах использует для работы энергию постоянного тока, который она получает с помощью схем для преобразования поступающего переменного тока в постоянный (AC-to-DC Circuit).

Создатели серверной стойки, которая запечатлена на фото в начале статьи и находится сейчас в городе Ирвине, штат Калифорния (США), благополучно устранили излишние этапы преобразования тока. Они исходили из того, что внутри серверов уже присутствуют продвинутые схемы регулирования напряжения, поэтому схемы регулирования напряжения в топливных элементах можно обойти, равно как и схемы для преобразования поступающего переменного тока в постоянный в самих серверах.

“Используя практически стандартную (off-the-shelf) систему топливных элементов, мы устранили схемы регулирования мощности и обошли цепи выпрямителей AC-DC внутри серверов. После этого мы начали запитывать каждую машину непосредственно от топливного элемента”, написал в корпоративном блоге рэдмондовцев менеджер по исследованиям Microsoft Шон Джеймс, “Затем мы подвергли вычислительную систему серии стресс-тестов поочередно отключая и включая электропитание серверов и т.д. Ничего не сломалось”.

Топливные элементы в ЦОД

Как известно, топливные элементы позволяют получать электричество и тепловую энергию путем химических преобразований. Производители топливных элементов вроде Bloom Energy и ClearEdge в течение последних нескольких лет активно продвигали свои продукты как идеальные системы генерации электроэнергии для центров обработки данных и добились определенных успехов в области увеличения сбыта генерирующих мощностей операторам ЦОД. В число их клиентов в настоящее время среди прочего входят гигант электронной коммерции eBay, финансовая организация JPMorgan Chase, производитель бытовой электроники Apple, а также телекоммуникационные гиганты Verizon, AT&T и NTT. Все эти компании благополучно развернули топливные элементы для обеспечения электроэнергией всех своих ЦОД или значительной их части.

Так, в конце 2013 года представители eBay объявили о том, что самый современный дата-центр компании, который был построен в Солт-Лейк-Сити, штат Юта (США), запитывается целиком и полностью от топливных элементов, то есть речь идет как о нагрузке со стороны IT-оборудования, так и со стороны вспомогательных электромеханических систем. Инженеры американской компании утверждают, что в месте возведения данного ЦОД такой подход к организации электроснабжения оказался более энергоэффективным и экономичным, чем покупка электроэнергии у коммунальной компании через центральную электросеть.

Неудобная правда

Загвоздка в том, что топливные элементы стоят дорого. При этом до последнего времени эксперты сходились во мнении, что их внедрение в ЦОД не является целесообразным с экономической точки зрения, за исключением лишь тех случаев, когда подобный проект может принести инвестору какие-либо льготы (к примеру, фискальные). Так, федеральное правительство США (равно как и ряд правительств отдельных штатов североамериканского государства) предоставляет налоговые льготы операторам дата-центров, которые переводят подконтрольные ЦОД на топливные элементы.

Но Шон Джеймс из Microsoft думает иначе. В своем посте инженер утверждает, что, если принять во внимание потери электроэнергии, которые происходят между моментом, когда тот же природный газ поступает на мощную электростанцию местной энергетической компании, и моментом, когда сгенерированная на ТЭС электроэнергия достигает серверов в дата-центре, использование топливных элементов рядом с ЦОД фактически окажется рациональнее. Это будет дешевле в плане себестоимости, а также экологичнее.

“Мы не платим за электроны, которые покидают удаленную электростанцию”, пишет инженер. “Мы платим за электроны, которые покидают розетки в наших зданиях. Еще мы платим за установку и обслуживание всей электропроводки в наших домах и офисах. Мы платим коммунальщикам за наши электросчетчики (а также даем им деньги, чтобы платить зарплату людям, которые будут обслуживать эти счетчики). Мы платим за линии электропередачи, проходящие через наши города (а также людям, которые их обслуживают). Еще мы платим непосредственно за электростанции, их строительство и эксплуатацию”.

Если рассматривать все по-отдельности, электричество, вырабатываемое генерирующими мощностями рядом с ЦОД (что почти вдвое эффективнее обычного метода получения электроэнергии), является более дорогим. Но если учитывается экономия от того, что не нужно устанавливать множество элементов электроэнергетической инфраструктуры (от электростанции до розетки), то подобный подход становится намного дешевле.