Размышления о КПД и о совершенстве ЦОД

Мотивы данной статьи навеяны неожиданной дискуссией на тему эффективности работы серверного оборудования ЦОД (см. комментарии в статье «Чистая правда про ЦОД»). Вопрос о том, что действительно подразумевать под понятиями КПД и эффективности в отношении серверного оборудования в частности и всего ЦОД в целом требует дополнительных пояснений. Итак, …

Термины и определения

Наиболее логичным видится начало с определения используемых терминов.

Коэффициент Полезного Действия (КПД) – это отношение полезной совершаемой работы (энергии) к общей затраченной работе (энергии).

Совершенство – это отношение текущего (реального) значения параметра к теоретически максимально возможному при тех же условиях.

Различия в данных понятиях очень хорошо можно проиллюстрировать на примере систем кондиционирования. Так, например, КПД компрессора составляет порядка 85%. Оставшиеся 15% затрачиваются на трение, движение масла, перетечки, нагрев и др. КПД кондиционера в целом можно оценить примерно в 70% — здесь учитывается падения давления в трубопроводах, КПД дросселя, гидравлическое сопротивление теплообменников и т.д.

Однако, совершенство современного кондиционера лишь немного превышает 10%. Дело в том, что на 1кВт затраченной электроэнергии кондиционер должен генерировать почти 30кВт холода (27.5кВт для стандартных условий), а реальная холодопроизводительность составляет всего 3-4кВт. Отношение этих цифр в холодильной технике называется «степенью термодинамического совершенства цикла» или проще – «совершенство».

Итак, КПД и совершенство – это совершенно разные понятия и при КПД агрегата в 70% его совершенство может составлять всего 10%.

КПД ЦОД

Переходя к ЦОД, следует определиться в понятиях полезной и полной работы ЦОД и его максимально возможной работе при тех же условиях.

Ни для кого не секрет, что вычислительные мощности ЦОД генерируются ИТ-оборудованием и вся инженерная и архитектурная инфраструктура ЦОД направлена на размещение ИТ-оборудование и обеспечение его работоспособности. Как результат, за полезную работу принимают мощность ИТ-оборудования, а это ошибочно. ИТ-оборудование для вычислительных мощностей, является лишь методом их получения.

Действительно полезной работой ЦОД следует называть исключительно вычислительную мощность ЦОД, т.е. те электрические сигналы, которые были получены в ЦОД по запросу пользователей из вне и отправлены ему.

К сожалению, оценить мощность таких сигналов чрезвычайно трудно. Известно лишь то, что в большом ЦОД она измеряется ваттами, и она ничтожно мала по сравнению с затраченной на функционирование ЦОД мегаваттной мощностью. Разделив одно на другое, получаем, что КПД ЦОД пренебрежительно мало и, по сути, равно нулю.

КПД ЦОД ≈ 0%.

Ничтожно малый КПД объясняется несколькими факторами:

• Несовершенство технологии: пренебрежительно малый КПД серверного оборудования. Современные технологии позволяют создать потрясающие вычислительные мощности, но затраты энергии на них на несколько порядков превышают мощности получаемых сигналов. Основной проблемой является энергоёмкость p-n-переходов, на которых и построен весь вычислительный процесс. Проблему может решить применение других материалов (что сдерживается их несравненно более высокой стоимостью) или новых технологий (главная из них – использование эффекта высокотемпературной сверхпроводимости на основе новых материалов (интерметаллидов), но на сегодняшний день под словом «высокотемпературная» скрываются температуры около 150К (-120С), что опять-таки недостижимо мало для машинных залов). В итоге в ближайшие годы изменения ситуации ждать не приходится.
• Множество побочных процессов и необходимость задействовать несколько других единиц оборудования. Так, для формирования какого-либо вычисления необходимо обратиться к процессору (т.е. он должен быть включен), к базе данных на дисковом массиве (и он должен быть запитан), к оперативной памяти (а она также энергозависима) и т.д. В результате, для получения одного сигнала необходимо сгенерировать несколько вспомогательных, каждый из которых также требует обработки. В итоге круг «действующих лиц» очень широк и каждое такое «лицо» имеет свое энергопотребление. Конечно, современная миниатюризация всех элементов позитивно сказывается и на их энергопотреблении, поэтому прогресс в этой области налицо.

В целом же существенного отдаления КПД ЦОД от нулевой отметки ожидать не приходится.

Однако, для удобства КПД ЦОД есть смысл разбить на КПД инженерии и КПД ИТ.

КПД инженерии ЦОД = мощность ИТ / полная мощность ЦОД

КПД ИТ = вычислительная мощность / мощность ИТ

Тогда КПД ЦОД = КПД инженерии * КПД ИТ.

По вышеуказанным причинам КПД ИТ составляет около 0% и особого интереса не представляет ввиду отсутствия в ближайшее время путей её повышения.

В свою очередь КПД инженерии ЦОД вызывает самый живой интерес, является главным показателем эффективности работы ЦОД и, как правило, лежит в диапазоне от 35 до 95%. Столь широкий разброс объясняется режимом работы системы кондиционирования: при работе холодильного цикла диапазон сужается до 35-55%, а в случае режима фрикулинга получаем диапазон 75-95%.

Связь КПД с принятыми показателями

Стоит отметить, что эффективность ЦОД оценивается общепринятым коэффициентом PUE (Power Utilization Effectiveness, эффективность утилизации энергии) и коэффициентом DCiE (Data Cetner infrastructure Efficiency, эффективность инфраструктуры ЦОД). Обы они напрямую связаны с КПД инженерии:

DCiE = КПД инженерии ЦОД

PUE = 1 / КПД инженерии ЦОД

DCiE = 1 / PUE.

Итак, чем выше КПД, чем выше DCiE и чем ниже PUE, тем лучше.

Совершенство ЦОД

Как было сказано выше, совершенство представляет собой отношение практического полезного эффекта к максимально возможному теоретически. При этом учитывается конкретная технология получения полезного эффекта.

Так, для проведения вычислений другой технологии, кроме как использование полупроводников и p-n-переходов нет. Не касаясь области высокотемпературной сверхпроводимости совершенство сегодняшних серверов можно оценить в 60% (цифра неточная, неподтвержденная, взята у соответствующих специалистов). Это означает, что производя те же вычисления электропотребление ИТ-оборудования можно сократить на 40%.

Приведу два наглядных примера:

• Мощность процессоров растет медленнее их производительности:

Pentium II – максимум 450МГц при 30Вт

Pentium III – максимум 1.4ГГц при 40Вт

Pentium IV – максимум 3.8ГГц при 120Вт

Pentium Dual-Core – 3.1ГГц при 65Вт

• Энергопотребление жестких дисков заметно снизилось: если раньше потребляемый ток превышал 1А, то сейчас он составляет около 0.5А.

Совершенство инженерной инфраструктуры ЦОД резко снижается из-за систем кондиционирования (как было сказано в начале, их совершенство составляет около 10%, более точно – 12.2% при полной нагрузке).

В то же время совершенство систем распределения электропитания достаточно высоко (около 98%).

В итоге совершенство инженерии исчисляется 12%, а ЦОД в целом – 7.2%.

Получаем, что при гораздо более высоком КПД совершенство инженерии ЦОД проигрывает совершенству ИТ.

Ещё интереснее ситуация в случае свободного охлаждения. Совершенство фрикулинга оценивается примерно в 70%. Тогда совершенство инженерии составит 68.6%, а всего ЦОД – 41.1%.

Использование фрикулинга позволяет повысить как КПД ЦОД, так и его совершенство.

 

 

 

Автор: Хомутский Юрий