Neil Rasmussen 2011-01-18

Ulepszona architektura centrów danych o wysokiej sprawności i gęstości (Część 2)

Ulepszona architektura centrów danych o wysokiej sprawności i gęstości (Część 2)

Zapraszamy do drugiej części artykułu.

Większość użytkowników zdaje sobie sprawę, że obniżenie sprawności związane z zasilaniem, chłodzeniem i oświetleniem to strata energii, jednak inne elementy z listy, które w większym stopniu decydują o obniżeniu sprawności, nie są do końca znane. Analizę pięciu powyższych czynników można znaleźć w dokumencie White Paper 113 firmy APC: Modelowanie sprawności elektrycznej centrów danych, a charakterystykę zużycia energii opisano poniżej.

1. Obniżenie sprawności związane ze sprzętem zasilającym
Urządzenia takie jak zasilacze UPS, transformatory, przełączniki źródeł zasilania czy okablowanie zużywają podczas pracy pewną ilość energii elektrycznej (wydzielanej w postaci ciepła). Chociaż na tabliczkach znamionowych takich urządzeń podawane są wysokie współczynniki sprawności (sięgające 90% lub więcej), te informacje są mylące i nie można ich używać podczas obliczania strat energii w rzeczywistych instalacjach. Gdy stosuje się dwukrotnie więcej sprzętu w celu uzyskania nadmiarowości lub gdy sprzęt działa przy zastosowaniu mocy niższej od znamionowej, sprawność ulega znacznemu zmniejszeniu. Co więcej, ciepło powstające z tej energii „traconej” w sprzęcie zasilającym musi zostać przyjęte przez układ chłodzenia, co powoduje jeszcze większe zużycie energii elektrycznej w systemie klimatyzacji.

2. Obniżenie sprawności związane ze sprzętem chłodzącym
Urządzenia takie jak uzdatniacze powietrza, wytwornice wody lodowej, chłodnie kominowe, skraplacze, pompy i suche chłodnice zużywają podczas chłodzenia pewną ilość energii elektrycznej (tzn. pewna część mocy wejściowej jest rozpraszana w postaci ciepła zamiast wykorzystania do pracy mechanicznej związanej z chłodzeniem). W rzeczywistości obniżenie sprawności (nadmiarowe ciepło) związane z urządzeniami chłodzącymi zwykle znacznie przekracza obniżenie sprawności (nadmiarowe ciepło) związane z urządzeniami zasilającymi. Gdy stosuje się dwukrotnie więcej urządzeń chłodzących w celu uzyskania nadmiarowości lub gdy sprzęt działa przy zastosowaniu mocy niższej od znamionowej, sprawność ulega znacznemu zmniejszeniu. Z tego względu zwiększenie sprawności urządzeń chłodzących powoduje bezpośrednie zwiększenie sprawności całego systemu.

3. Zużycie energii przez oświetlenie
Oświetlenie powoduje pobór mocy i wydzielanie ciepła. Ciepło generowane przez oświetlenie musi zostać przyjęte przez układ chłodzenia, co powoduje jeszcze większe zużycie energii welektrycznej w systemie klimatyzacji, nawet jeśli temperatura zewnętrzna jest niska. Pozostawienie włączonego światła w centrum danych po opuszczeniu go przez pracowników lub w nieużywanym obszarze centrum danych oznacza nieuzasadniony pobór energii elektrycznej. Z tego względu zwiększenie sprawności oświetlenia lub włączanie go tylko w razie potrzeby powoduje bezpośrednie zwiększenie sprawności całego systemu.

4. Nadmierna rozbudowa
Nadmierna rozbudowa to jeden z najważniejszych czynników strat energii elektrycznej, który jednocześnie jest dla użytkowników najtrudniejszy do rozpoznania i oceny. Nadmierna rozbudowa urządzeń zasilających i chłodzących ma miejsce, gdy projektowana wartość obciążenia systemu zasilania i chłodzenia przekracza moc obciążenia generowanego przez urządzenia komputerowe. Może to mieć miejsce w wyniku wystąpienia wszystkich lub niektórych z następujących czynników.
• oszacowano zbyt duże obciążenie generowane przez urządzenia komputerowe i do takiego obciążenia dostosowano systemy zasilania i chłodzenia;
• obciążenie generowane przez urządzenia komputerowe jest zwiększane stopniowo, ale systemy zasilania i chłodzenia dostosowano do przyszłego, większego obciążenia;
• konstrukcja systemu chłodzenia jest niewystarczająca i wymaga zastosowania nadmiarowej architektury w celu zapewnienia właściwego chłodzenia urządzeń komputerowych.

Zrozumiałe jest, że instalowanie zbyt dużej liczby urzą dzeń zasilających i chłodzących jest marnotrawstwem z punktu widzenia inwestycji, jednak nie zawsze zdajemy sobie sprawę, że taka nadmiarowość może znacznie obniżyć sprawność elektryczną całego systemu i powodować nadmierne zużycie energii elektrycznej.

Powodem obniżenia sprawności elektrycznej przez nadmiarową architekturę urządzeń zasilających i chłodzących w centrach danych jest znacznie obniżona sprawność urządzeń przy niskim obciążeniu. Niektóre urządzenia elektryczne, na przykład okablowanie, charakteryzują się większą sprawnością przy niższych obciążeniach, ale większe urządzenia, takie jak wentylatory, pompy, transformatory czy inwertery mają przy niższych obciążeniach mniejszą sprawność (spowodowaną „stałymi stratami” występującymi nawet bez obciążenia generowanego przez urządzenia komputerowe). Informacji o tym pogorszeniu sprawności nie można bezpośrednio znaleźć w specyfikacjach producenta, ponieważ zawierają one przeważnie dane dotyczące sprawności przy optymalnym (zwykle wysokim) obciążeniu.

Więcej szczegółowych informacji technicznych dotyczących wpływu nadmiernej rozbudowy na zużycie energii elektrycznej można znaleźć w dokumencie White Paper 113 firmy APC Modelowanie sprawności elektrycznej centrów danych.

5. Obniżenie sprawności, którego powodem jest konfiguracja

Konfiguracja fizyczna urządzeń komputerowych ma duży wpływ na zużycie energii przez system chłodzenia. Niewłaściwa konfiguracja powoduje, że system chłodzenia musi przesyłać do urządzeń komputerowych większą niż wymagana ilość powietrza. Źle zaprojektowana konfiguracja powoduje także, że system chłodzenia wytwarza chłodniejsze powietrze, niż wymagają tego urządzenia komputerowe. Ponadto konfiguracja fizyczna może powodować konflikt w działaniu różnych urządzeń chłodzących, z których jedno osusza, a drugie nawilża powietrze. Taki stan znacznie obniża sprawność systemu i trudno go zidentyfikować. Obecny trend polegający na zwiększaniu gęstości mocy w nowych i istniejących centrach danych powoduje zintensyfikowanie strat. Powyższe problemy z konfiguracją występują w prawie wszystkich działających obecnie centrach danych i powodują niepotrzebne straty energii elektrycznej. Z tego względu zastosowanie architektury umożliwiającej optymalizację konfiguracji fizycznej urządzeń komputerowych może znacznie zmniejszyć zużycie energii.

W poprzedniej sekcji opisano pięć najważniejszych czynników wpływających na obniżenie sprawności centrum danych. Z omówienia wynika, że czynniki te są wzajemnie powiązane. Z tego względu właściwe podejście do zagadnienia optymalizacji musi uwzględniać centrum danych jako całość — próby osobnego zoptymalizowania strat sprawności są mniej efektywne. Szczegółowa analiza czynników strat energii elektrycznej (obniżenia sprawności) prowadzi do wniosku, że straty centrum danych można znacznie ograniczyć, jeśli zintegrowany system zostanie opracowany zgodnie z następującymi zasadami:
- Urządzenia zasilające i chłodzące, które nie potrzebują zasilania, nie powinny być zasilane.
- Tam, gdzie jest to możliwe, należy eliminować nadmiarowość, tak aby urządzenia mogły działać w optymalnym obszarze krzywej sprawności.
- Urządzenia systemu zasilania, chłodzenia i oświetlenia powinny korzystać z zalet najnowszej technologii, która umożliwia minimalizację zużycia energii elektrycznej.
- Podsystemy, które muszą działać przy mocy niższej od znamionowej (w celu obsługi nadmiarowości), muszą być zoptymalizowane pod kątem sprawności uzyskiwanej przy obciążeniu częściowym, a nie całkowitym.W celu wykorzystania „niewykorzystanych” zasobów należy korzystać z narzędzi do zarządzania wydajnością centrów danych. Umożliwiają one zainstalowanie maksymalnej liczby urządzeń komputerowych w systemie zasilania z nadmiarowością i chłodzenia oraz pracę w najwyższym punkcie krzywej sprawności.
- Zoptymalizowana, zintegrowana konfiguracja fizyczna powinna być dostosowana w ramach systemu, a nie do charakterystyki pomieszczenia, w którym znajduje się system — na przykład system chłodzenia rzędowego powinien być zintegrowany z szafami IT, niezależnie od systemu chłodzenia całego pomieszczenia.
- System powinien być wyposażony w urządzenia rozpoznające i ostrzegające o nieoptymalnym zużyciu energii elektrycznej, tak aby można było skorygować to zużycie.
- System powinien obejmować instalację i narzędzia umożliwiające pracę przy najwyższej sprawności oraz minimalizujące lub eliminujące możliwość nieoptymalnej konfiguracji lub instalacji.

Na rysunku 3 przedstawiono dostępny w sprzedaży zintegrowany system centrum danych, który skonstruowano zgodnie z powyższymi zasadami.



System centrum danych przedstawiony na rysunku 3 charakteryzuje się niższym o 40% zużyciem energii elektrycznej w porównaniu do tradycyjnej konstrukcji. Ograniczenia strat opisanych w dalszej części dokumentu przedstawiono na rysunku 4.



Przyrost sprawności udoskonalonego systemu przekłada się na znaczne obniżenie kosztów energii elektrycznej. Przy mocy obciążenia 1 MW i przeciętnym koszcie energii elektrycznej wynoszącym 0,10 USD/kWh oszczędności energii elektrycznej mogą wynieść nawet 9 000 000 USD w ciągu dziesięciu lat.

Powyższe usprawnienia obliczono na podstawie następującej konfiguracji centrum danych:
• Moc projektowa: 2 MW
• Rzeczywiste obciążenie generowane przez urządzenia: 1 MW
• Zainstalowana i uruchomiona infrastruktura zasilania i chłodzenia: 2 MW
• Dwutorowy system zasilania od punktu doprowadzenia zasilania do urządzeń
• Uzdatniacze powietrza w systemie N+1
• System wody lodowej z chłodnią kominową
• Średnia gęstość mocy: 7 kW na szafę
• Układ szaf z gorącymi/zimnymi przejściami
• Krzywe sprawności dla wszystkich urządzeń na podstawie rzeczywistych danych podanych przez producenta

Zużycie i oszczędność energii są podane przy powyższych założeniach. Na przykład eliminacja nadmiarowości dwutorowego systemu zasilania lub uzdatniaczy powietrza w układzie N+1 może zwiększyć sprawność i zmniejszyć oszczędności. W pozostałej części tego dokumentu znajduje się szczegółowy opis oszczędności oraz związanych z nimi założeń.

Wyrażając przyrost sprawności jako sprawność infrastruktury centrum danych (DCiE), dla konstrukcji opisanego powyżej tradycyjnego centrum danych przy obciążeniu rzędu 50% obciążenia znamionowego sprawność DCiE wynosi 39,8%, natomiast sprawność DCiE systemu o udoskonalonej architekturze wynosi 67,8% w identycznych warunkach działania.

Opisane w poprzedniej sekcji ograniczenie strat (czyli zwiększenie sprawności) ma ogromny wymiar. We wcześniejszej części tego dokumentu określono pięć głównych czynników obniżenia sprawności występujących w tradycyjnych konstrukcjach. W jaki jednak sposób za pomocą zaproponowanej udoskonalonej architektury można osiągnąć znaczący wzrost sprawności? Jakie nowe technologie, konstrukcje i techniki przyczyniają się do tego? Jakie rodzaje danych mają wpływ na takie wyniki? Aby odpowiedzieć na te pytania, przyjrzymy się bliżej najważniejszym elementom, których połączenie stanowi o jakości nowej architektury:

• Skalowalne systemy zasilania i chłodzenia — uniknięcie nadmiernej rozbudowy
• System chłodzenia rzędowego — zwiększona wydajność chłodzenia
• Zasilacze UPS o wysokiej sprawności — zwiększona sprawność energetyczna
• Układ dystrybucji zasilania 415/240 V (prąd przemienny) — zwiększona sprawność energetyczna
• Napędy o zmiennej prędkości w pompach i wytwornicach wody lodowej — zwiększona sprawność przy częściowym obciążeniu oraz podczas chłodnych dni
• Narzędzia do zarządzania wydajnością — lepsze wykorzystanie mocy, chłodzenia i szaf
• Narzędzia do projektowania układu pomieszczenia — optymalizacja układu pomieszczenia w celu poprawienia wydajności chłodzenia

Niektóre z tych elementów można wdrożyć pojedynczo w celu podwyższenia sprawności. Warto jednak pamiętać, że integracja tych elementów z całą architekturą odpowiada za znaczną część wzrostu sprawności. Na przykład technologia chłodzenia rzędowego jest bardziej wydajna od tradycyjnego chłodzenia pomieszczeń, jednak aby wykorzystać jej potencjał, bardzo ważne jest wdrożenie z narzędzi do projektowania układu pomieszczeń, narzędzi do zarządzania wydajnością i skalowalnego systemu chłodzenia.

Architekturę opisaną w tym dokumencie można wdrożyć w każdym centrum danych w dowolnym regionie geograficznym. Aby dodatkowo podnieść sprawność centrum danych, można zwiększyć wydajność układu chodzenia przez wykorzystanie niskich temperatur zewnętrznych w ramach „chłodzenia z ekonomizerem” lub „darmowego chłodzenia”. Powoduje to zwykle zwiększenie kosztów, które jednak zwracają się przy odpowiedniej temperaturze i wilgotności zewnętrznej. Technologie „darmowego chłodzenia” stanowią uzupełnienie podejścia opisanego w tym dokumencie, polegającego na korzystaniu z powietrza zewnętrznego w celu zmniejszenia nakładów energii elektrycznej w przypadku chłodzenia, co zwiększa sprawność centrum danych. W tym dokumencie „bezpłatne chłodzenie” nie jest uwzględniane w obliczeniach dotyczących zwiększenia sprawności czy oszczędności energii.

Ilościowy udział poszczególnych elementów w zwiększaniu sprawności opisano w poniższych sekcjach.



Neil Rasmussen

Zapraszamy do skomentowania artykułu

Treść opini 
Popis 

Pozostałe artykuły z tej kategorii