Эффективное и ответственное использование вычислительных систем

Создание экологичного центра обработки данных

За плечами Дейва Охара (Dave Ohara)

Краткий обзор:

• Системы текущего контроля использования энергии
• Основные характеристики экологичного центра обработки данных
• Влияние законопроекта H.R. 5646
• Оптимальные методики для начального этапа

В наши дни острой темой является комплексный подход к задачам, принимающий во внимание не только экономическую эффективность, но также социальную и экологическую адекватность решений. Эта концепция оказывает влияние на то, как осмысляется задача создания центров обработки данных. По всему миру компании сообщают о способах экономии энергии и снижении

затрат посредством приобретения нового оборудования и услуг. Однако не хватает рекомендаций относительно мер по управлению энергетическими затратами. В прошлом электрическую энергию рассматривали как накладные расходы, подобно затратам на помещение, но с ростом стоимости энергии и возникновением вопросов, связанных с надежностью, поставкой и производительностью, электрическая энергия требует особой стратегии.

Практически во всех областях бизнеса проекты, относящиеся к оптимизации производительности и снижению затрат, являются частью повседневных оптимальных методик. Почему не подойти с этих же позиций к энергетическим затратам?

Будучи специалистами в области ИТ, многие из нас принимают решения относительно конфигурации и настройки серверов, технических характеристик оборудования, приобретаемого нашими организациями, и требований по обновлению и созданию центров обработки данных. Мы даже участвуем в ранних этапах разработки приложений. Когда наступает очередь этих проектов, очевидно, что у нас есть бесценная возможность рассмотреть задачу комплексно и повлиять на энергетическую эффективность любого центра обработки данных.

Первый этапе любой стратегии заключается в выяснении текущего уровня потребления энергии. Необходимо узнать, где и каким конкретно оборудованием используется энергия, а также эффективные и расточительные варианты ее использования в центре обработки данных. К сожалению, редко применяется измерение энергопотребления, которое позволило бы проанализировать использование энергии до того уровня, на котором сотрудники смогли бы увидеть результаты своих действий. В большинстве организаций, как правило, следят только за ежемесячными счетами на оплату энергии, в которых потребление выражено в общей сумме итоговой строки. Такие данные плохо стимулируют энергосбережение, поскольку конкретные сотрудники никогда не видят результатов влияния, оказываемого их собственными решениями, и у них нет способа доказать, что предпринятые ими изменения действительно привели к экономии энергии.

При рассмотрении инициативы по созданию экологичного центра обработки данных в первую очередь возникает вопрос о поддержке со стороны руководства. В данной статье я буду исходить из предположения, что получен ответ «пока нет». Поддержка со стороны руководства предполагает серьезные обязательства по предоставлению ресурсов и выделению бюджета для реализации вашей инициативы. И хотя о экологичных центрах обработки данных много говорят, в реальности зачастую по-прежнему не хватает серьезной поддержки на уровне руководства. Если у вас уже есть такая поддержка, возможно, вы уже сейчас работаете в экологичном центре обработки данных.

Тем не менее, даже если предположить, что вы не получаете необходимой поддержки, можно многое сделать для продвижения инициативы по созданию экологичного центра обработки данных. Как определить эффективные действия, которые следует предпринять для достижения этих целей? К счастью, энергетическая эффективность не является новой концепцией, и, обратившись к опыту других отраслей, специалисты в области ИТ могут многому научиться.

Учет потребления энергии

Одной из серьезнейших задач, с которой я столкнулся при работе над этой темой, оказалась задача осмысления обширного разнообразия цифр, предоставляемых различными источниками. В некоторых исследованиях утверждается, что на центры обработки данных приходится от 1,2 до 2,0 процентов электроэнергии, потребляемой в Соединенных Штатах. По некоторым оценкам, если бы центры обработки данных рассматривались как отдельная отрасль, то такие центры в США вошли бы в первую пятерку отраслей с точки зрения использования энергии. Между тем в США до 15-20 процентов эксплуатационных затрат центра обработки данных предприятия приходится на электроэнергию.

В исследовании, проведенном Национальными лабораториями Лоуренса в Беркли для Американского совета по рациональному использованию энергии, было выяснено, что некоторые центры обработки данных в 40 раз превышают энергоемкость обычных офисных зданий. В данном исследовании подробно обсуждаются возможности повышения энергетической эффективности с точки зрения технических средств (см. eetd.lbl.gov/emills/PUBS/PDF/ACEEE-datacenters.pdf). Имеет смысл начать с определения того, в какой степени ваш центр обработки данных использует оптимальные методики, изложенные в этом исследовании.

Без сомнения, существует множество точек зрения, исследований и цифр, относящихся к энергопотреблению. Однако в том, что энергия используется расточительно, разногласий нет. Просто представьте, какое множество серверов было приобретено с намерением получить максимум — т.е. купить настолько мощный центральный процессор, емкую оперативную память и запоминающее устройство и резервные источники питания, насколько позволяют бюджетные рамки. В последние 3-5 лет множество этих серверов эксплуатируются в среднем на 10-15 процентов. Хотя основное внимание уделяется центральным процессорам, в этом вопросе играют важную роль другие компоненты — память, диски и сетевые интерфейсы забирают значительную часть мощности и, в целом, их энергопотребление превышает потребление энергии центральным процессором.

Тем временем чрезмерная мощность оборудования (во всем — от процессоров до резервных источников питания) приводит к существенным избыточным затратам. При стремлении в большинстве отделов ИТ к снижению возможных рисков избыточная мощность является нормой. Самым надежным является решение, при котором обеспечивается избыточная мощность оборудования, даже если оно не будет оптимальным с финансовой точки зрения. Но, хотя энергия является решающим фактором, им обычно пренебрегают при вычислении затрат на обеспечение эксплуатационного цикла. К несчастью, отсутствуют стимулы для приобретения эффективных решений, и для тех, кто делает выбор, не существует финансовых льгот по результатам развертывания решения.

Однако существует промежуточное решение. Маятник отклоняется в другую сторону, когда руководство осознает, какая незначительная часть возможностей центра обработки данных используется в действительности, и рассматривает консолидацию серверов как способ снижения затрат. Гораздо проще заранее оценить необходимость в серверах, чем пытаться консолидировать их после того, как они развернуты.

С достижением отраслью ИТ нового уровня развития приоритетной становится задача оптимизации посредством снижения затрат. Потребление энергии является одним из показателей, которым руководство может пользоваться для измерения эффективности решений принятых относительно цикла эксплуатации аппаратного оборудования ИТ. AMD, Intel и изготовители серверов и других компьютерных компонентов — все они сообщают производительность своих платформ, приходящуюся на один ватт. Цифры, выражающие производительность на один ватт, можно использовать для расчета эксплуатационных затрат, применяя обратную формулу: число ватт на единицу производительности. С учетом людских ресурсов, вовлеченных в разработку решений ИТ, — сотрудников технических отделов, отделов по разработке приложений, архитектурных, эксплуатационных и производственных отделов, показатель, выражающий производительность на один ватт, дает ответ на вопрос «что будет получено взамен», и это дает возможность сравнить решения в терминах энергетической эффективности.

Почему повсеместно игнорируют энергетические затраты и пренебрегают решениями, оказывающими влияние на эксплуатационные затраты и затраты на ресурсы? Много ли вы видели центров обработки данных, работающих на полную мощность благодаря ограничениям на потребление мощности и применение охлаждения? Были времена, когда наличие достаточного физического пространства для центра обработки данных представляло проблему. Сегодня, однако, проблемой является наличие возможностей, достаточных для подачи питания и охлаждения всего имеющегося оборудования и то, как скоро эти возможности будет исчерпаны.

Важность систем текущего контроля использования энергии

Точные измерения энергопотребления выполнить трудно. Как упоминалось ранее, большинство компаний предпочитает учитывать энергетические затраты по предприятию в целом, а не анализировать потребление энергии конкретными подразделениями. Такой метод подхода к энергии как общим накладным расходам создает впечатление, что энергетические затраты не поддаются управлению в рамках подразделения. Однако это неверно.

Центр обработки данных может использовать в десятки раз больше энергии на квадратный метр, чем обычное офисное помещение, и, следовательно, даже незначительное повышение эффективности в центрах обработки данных может привести к значительной экономии. Не удивительно, что снижение затрат является основной причиной внедрения программ экономии энергии в центрах обработки данных. Проблема состоит в том, что метод минимизации затрат используется обычно для оплаты за потребление энергии, и ежемесячные затраты на ресурсы, необходимые для эксплуатации центра обработки данных, представляются одной цифрой. Затем затраты разносятся по группам исходя из занимаемого ими пространства и/или порта связи — такой подход обеспечивает далеко не точный анализ реальных затрат, необходимых для эксплуатации конкретного оборудования центра обработки данных.

В организациях редко устанавливается решение для измерения реального уровня потребления энергии конкретными устройствами центра обработки данных — главным образом из-за того, что установка системы измерения и учета потребления энергии требует значительных первоначальных вложений. Однако вложение средств в такую систему может привести к дальнейшему снижению затрат.

Конечно, сама по себе система текущего контроля потребления энергии не решит задачу — потребуется разработать план использования собранных данных для улучшения управления потреблением энергии и, в конечном итоге, добиться рентабельности капиталовложений. Обратимся к опыту канадской компании Abitibi Consolidated, крупнейшего мирового производителя газетной и бумажной продукции. В 2001 г., когда было прекращено регулирование рынка электроэнергии в Онтарио, компания Abitibi Consolidated испытала влияние колебаний цен и доступности электроэнергии. Для оптимизации своих закупок электроэнергии компания внедрила систему текущего контроля и измерений. Новая система окупилась в течение нескольких месяцев благодаря 1 проценту экономии, достигнутому компанией всего лишь вследствие более эффективных закупок электроэнергии.

Какое количество электроэнергии необходимо сэкономить, чтобы оправдать модернизацию текущего контроля энергопотребления в вашем центре обработки данных? Бил Лэинг (Bill Laing), главный управляющий по разработке Windows Server® 2008 в корпорации Майкрософт, сказал в недавнем интервью, что новый выпуск Windows Server при использовании режима энергосбережения по умолчанию позволит снизить потребление на 20 процентов, что является значительной экономией. (На рис. 1 показаны некоторые параметры электропитания, доступные в версии бета 3 платформы Windows Server 2008.) Отметим, однако, что экономию невозможно рассчитать в виде непосредственного снижения затрат на энергопотребление. Экономия определяется целым рядом других факторов, таких как стоимость создания нового центра обработки данных и ряда других систем, которые в текущее время поддерживают менее эффективные конфигурации.

Рис. 1** Параметры электропитания в версии бета 3 платформы Windows Server 2008 **(Щелкните изображение, чтобы увеличить его)

Уже сейчас в Windows Server 2003 с пакетом обновления 1 (SP1) имеется возможность выбрать параметр «Серверная балансировка питания процессора и его производительности». Но без установки измерительной системы вам не удастся получить количественные показатели экономии или каких-либо других факторов, повлиявших на создание и поддержку этих изменений.

Стоит также отметить, что во многих центрах обработки данных энергопотребление, как правило, в течение 24-часового периода испытывает колебания только в пределах 4 процентов, указывая на то, что энергопотребление не зависит от загрузки системы. Благодаря последним новшествам, введенным поставщиками оборудования, эта ситуация изменилась для нового оборудования, и при более низкой загрузке количество потребляемой энергии уменьшается.

Определение экологичного центра обработки данных

Я мог бы продолжать перечисление критериев и характеристик, обеспечивающих экологичность центра обработки данных. Конечно, объем этой статьи не позволяет охватить проблему в целом, но я хочу выделить некоторые важнейшие характеристики, о которых следует помнить, если вы всерьез относитесь к реализации экологичного центра обработки данных. Даже если в настоящий момент вы находитесь только на этапе планирования, можно провести сравнение с этим списком, чтобы определить, в каком состоянии находится ваш центр обработки данных в настоящее время.

1. Счетчики используются для анализа использования энергии на уровне отдельных компонентов (например, сервер 2U, сервер 4U, коммутатор, SAN и UPS) и определения подразделений, которые должны расплачиваться за электроэнергию, используемую этими компонентами.
2. Использование энергии постоянно контролируется для определения уровня пиковой и низкой потребности в энергии.
3. Энергетическая емкость контролируется на уровне всего центра обработки данных вплоть до отдельных цепей, чтобы убедиться в том, что все цепи соответствуют допустимым пределам.
4. План энергосбережения документируется и вознаграждается.
5. План энергосбережения регулярно пересматривается, и для устранения сбоев выполняются корректирующие действия.
6. Определение убытков подразделений, порождаемых затратами, используется для корректировки поведения и стимулирования энергосбережения независимыми подразделениями. Этот пункт должен выполняться на уровне руководства.
7. На серверах разрешается регулировка подачи энергии на ЦП, а эксплуатационная лаборатория измеряет диапазон потребления энергии при различных нагрузках.
8. Для выявления горячих точек и чрезмерного охлаждения используются температурные кривые.
9. Управление производительностью системы ИТ включает в себя проведение измерений эффективности использования энергии.
10. Отдельным организациям предоставляется доступ к оперативным данным, что позволяет им реагировать надлежащим образом. (Организация ISO в Калифорнии пошла дальше и на своем веб-узле предоставляет общественности данные в режиме реального времени, как показано на рис. 2.)

Рис. 2** Веб-узел организации ISO в Калифорнии предоставляет оперативный моментальный снимок, отражающий текущую потребность и текущий уровень экономии энергии, запрашиваемый у потребителей **(Щелкните изображение, чтобы увеличить его)

Чем большее число этих характеристик внедрено в вашей организации, тем ближе вы к успешной эксплуатации современной системы текущего контроля энергопотребления. Прилагается карточка показателей (см. рис. 3), содержащая восемь вопросов, ответы на которые помогут оценить текущий уровень вашего центра обработки данных: базовый, промежуточный или передовой.

Figure 3 Насколько экологичен ваш центр обработки данных?

Знание — залог успеха

Еще одна проблема, с которой вы столкнетесь, — необходимость введения стандартов в рамках всей организации. Реализация такого изменения, как описанное в этой статье, — изменение принципа измерения энергопотребления, требующее участия всех подразделений организации, влечет необходимость четкого взаимодействия групп технического обслуживания во всех центрах обработки данных, работающих с многочисленными группами ИТ. Организационные проблемы такого рода являются основным препятствием для внедрения программы энергосбережения.

Важно обеспечить, чтобы за анализ потребления в центрах обработки данных отвечал один сотрудник или одна группа сотрудников. Этот аналитический центр (отсутствующий в большинстве компаний, когда речь идет об энергопотреблении) имеет большое значение. Важно также, чтобы используемое с собирал данные на самых разных технических средствах одинаковым способом и возвращал согласованные отчеты в каждое из подразделений (на рис. 4 показан пример инструментальной панели для формирования отчетов с данными).

Рис. 4** Пример инструментальной панели для текущего контроля всех данных (любезно предоставлен OSIsoft) **(Щелкните изображение, чтобы увеличить его)

Не имея подходящих инструментов, невозможно оценить эффективность эксплуатации, и конкретные подразделения не смогут понять, достигают ли их усилия результата. Если вы действительно намерены изменить поведение сотрудников, вам потребуется в режиме реального времени предоставлять пользователям информацию с тенденциями в изменениях журнальн данных, чтобы они могли наглядно увидеть результаты своих действий. Невозможно эффективным образом вознаграждать рабочие группы за их достижения в эффективном использовании энергии, если для составления отчетов о достигнутых результатах во всех подразделениях не будут использоваться одинаковые системы, одинаковые наборы инструментов и выполняться одинаковые измерения.

Силы отрасли

Вы не одиноки в своих усилиях сделать вашу компанию более экологичной. Лидеры других рынков — от таких компаний, как Boeing и Toyota и до правительственных агентств, например, штата Калифорния, — делают серьезные финансовые вложения, чтобы их производственная деятельность и готовая продукция стали более экономными с точки зрения энергопотребления.

Что касается мира ИТ, то в 2006 г. палата представителей США приняла законопроект —H.R. 5646, являющийся в настоящее время общественным законом 109-431, призывающий Агентство по охране окружающей среды (EPA) исследовать энергетические затраты и потребление электроэнергии серверами и центрами обработки данных и потенциальный эффект от перехода на системы, более эффективно использующие энергию. В исследовании, проведенном в рамках ENERGY STAR, программы EPA, представлен краткосрочный прогноз роста использования в США энергии компьютерами-серверами и центрами обработки данных; проведена оценка потенциальных затрат и энергосбережения, связанных с усовершенствованиями, влияющими на эффективное энергопотребление компьютерами-серверами и центрами обработки данных, и оценены возможные стимулы и благотворительные программы, направленные на продвижение компьютеров-серверов и центров обработки данных, эффективно использующих энергию. Окончательные результаты данного исследования были представлены Конгрессу в августе 2007 г. Более подробную информацию об этом исследовании см. на веб-узле по адресу energystar.gov.

Разрабатываются также новые стандарты строительства экологичных зданий. Эти стандарты предусматривают такие критерии, как средства дополнительных почасовых измерений для цепей в зависимости от их назначения и энергопотребления; счетчики для зданий, передающие данные о потреблении энергии в систему управления данными от счетчиков; и системы управления данными счетчиков для хранения данных и создания пользовательских отчетов, отражающих почасовое, ежедневное, ежемесячное и ежегодное потребление энергии, фиксируемое каждым счетчиком. Соблюдение многих из этих критериев требуется системами контроля, если вы подписываетесь на программы энергосбережения, в которых требуется доказать, что внесенные изменения дали результат (например, программы кредита возобновляемой энергии, углеродных кредитов и программы пониженного энергопотребления).

Некоторые пользователи интересовались тестированием технических характеристик, но представить полный перечень применений затруднительно. Делались попытки стандартизации тестов, но такие тесты, как и большинство тестов производительности, используются для оптимизации «наблюдаемых» результатов, которые не отражают фактического использования. Рассмотрим, например, мили на галлон (MPG). Нормативы EPA оценивают мили на галлон, характерные для типичного водителя при движении в обычных городских условиях и условиях движения по скоростной магистрали, однако большинство водителей и условий вождения отличаются от типичных, и факторы, влияющие на эффективность использования горючего, могут существенно различаться. Это же правило применимо к энергосбережению в центре обработки данных. Точные результаты для вашей организации могут быть получены только в результате измерения показателей энергосбережения в вашей собственной рабочей среде.

Как достигается экономия?

При определении показателей экономии следует учитывать множество факторов. Известна ли вам стоимость увеличения потребления энергии на конкретном участке? Есть ли у вас стратегия для минимизации ограничений на мощность? Нельзя ли решить задачу, разместив центр данных в каком-нибудь месте с более дешевой энергией, или же следует сосредоточиться на усовершенствовании производственного процесса в существующих условиях?

Для некоторых компаний оптимальным способом снижения затрат может оказаться перемещение центров данных в области с более дешевыми источниками электроэнергии. Виртуализация серверов предлагает другой подход к снижению энергопотребления. Фактически, некоторые энергетические компании (PG&E, SoCal Edison и SDG&E – только часть из них) предлагают финансовые стимулы потребителям, реализующим проекты виртуализации серверов, которые приводят к сокращению серверного оборудования.

Но можно предпринять и более простые, менее радикальные действия. В настоящее время большинство отделов ИТ не имеют представления о том, какое количество энергии потребляют их системы, и это означает, что у них имеются широкие возможности для потенциальной экономии. Для начала можно оценить энергопотребление, связанное с отдельными устройствами, а затем посмотреть, нельзя ли провести какие-либо изменения на уровне устройств. Большое число небольших изменений может внести существенный вклад в экономию.

Для сравнения представим себе типичное домашнее хозяйство, хозяин которого не имеет понятия о том, какое количество энергии в их доме использует каждое устройство — они просто платят по общему ежемесячному счету. Можно приобрести простое и недорогое устройство, например, Kill A Watt, измеряющее энергопотребление отдельных устройств. Сколько вы тратите на поддержание микроволновой печи во включенном состоянии в то время, когда не пользуетесь ею? Какое количество энергии потребляется подключенным к розетке зарядным устройством для телефона? Пользуясь этим же подходом, можно установить измерители мощности на стойках и собирать данные с различных устройств. Инструменты управления можно использовать для сбора данных непосредственно с некоторых серверов с ловушками SNMP энергопотребления.

Начало работы

На рис. 5 представлена схема оптимальных методик, рекомендуемых для использования на начальном этапе планирования. На этом этапе важно понимать, что вы не ограничены выбором из двух крайностей. Можно предпочесть более сбалансированный подход, который, возможно, бол ее реалистичен. Начните действовать «снизу», выяснив, кто в вашей компании увлечен идеей энергосбережения. Начните с измерений на некоторых устройствах подразделения, чтобы сделать проблему наглядной. Создание некоторого импульса и демонстрация поддающихся количественному определению результатов поможет получить поддержку, необходимую для увеличения инвестиций компании в решение задачи перехода к экологичному производственному процессу.

Figure 5 Решающие факторы для внедрения плана энергосбережения

Кто будет продвигать идею эффективности энергопотребления в вашей компании? Руководители высокого уровня, средний уровень управления или лица, которых просто заботит влияние, оказываемое вашей компанией на окружающую среду. В любой компании есть увлеченные люди. Одним из первых следует принять решение относительно попытки использования метода «снизу» и вовлечения этих людей с самого начала.

В конечном счете, какое бы направление вы ни выбрали, планирование программы эффективного использования энергии для вашего центра обработки данных потребует сотрудничества всех групп в отделе ИТ. До недавнего времени типичный подход к планированию решений по ИТ заключался в игнорировании энергетических затрат на раннем этапе проекта и концентрации усилий на приобретаемом оборудовании и программном обеспечении наряду с затратами на решение, приходящимися на оплату труда и размещение. Когда в центре обработки данных энергетические затраты оказываются скрытыми в накладных расходах действующих решений, эффективности использования энергии не придается большого значения. Выявление фактических данных об энергии, потребляемой решениями, является первым важным шагом при изменении поведения вашей организации.

За плечами Дейва Охара (Dave Ohara) 26-летний опыт работы с технологиями таких компаний как Майкрософт, Apple и Hewlett-Packard. Занимавшийся в прошлом разработками, маркетингом, просвещением в области техники, архитектурой инфраструктур, разработкой технологических цепочек обработки данных, решением задач по обеспечению надежности работы систем и логистикой оптовой торговли, в настоящее время Дейв работает с множеством компаний, сосредоточившись на реализации «зеленых» инициатив.

© 2008 Корпорация Майкрософт и компания CMP Media, LLC. Все права защищены; полное или частичное воспроизведение без разрешения запрещено.