Określanie całkowitego kosztu posiadania infrastruktury centrum obliczeniowego i serwerowni

Oszacowanie całkowitego kosztu posiadania (TCO, ang. Total Cost of Ownership) infrastruktury fizycznej serwerowni i centrów obliczeniowych jest niezbędne podczas analizy zwrotu z inwestycji oraz w innych procesach decyzyjnych. Ponadto ustalenie głównych czynników kosztotwórczych wpływających na TCO pozwala określić obszary, w których możliwe jest lepsze kontrolowanie kosztów. Dla wielu użytkowników zaskakujący jest fakt, że całkowity koszt posiadania infrastruktury fizycznej może być porównywalny lub większy niż całkowity koszt posiadania obsługiwanego przez tę infrastrukturę sprzętu informatycznego.

W niniejszym artykule opisana została metoda określania całkowitego kosztu posiadania infrastruktury fizycznej centrum obliczeniowego i serwerowni. W tym kontekście przez infrastrukturę fizyczną rozumie się elementy wyposażenia budynku niezbędne do zapewnienia zasilania, chłodzenia i ochrony fizycznej sprzętu informatycznego, nie zaś sam sprzęt informatyczny.
Nie istnieją powszechnie przyjęte standardy miary całkowitego kosztu posiadania fizycznej infrastruktury centrów obliczeniowych. Proste metody oparte na sumowaniu różnych wydatków inwestycyjnych i operacyjnych pozwalają uzyskać obraz poniesionych wydatków bezpośrednich, jednak nie uwzględniają one poziomu faktycznego wykorzystania środków.

Weźmy pod uwagę dwa identycznie zbudowane centra obliczeniowe, każde o mocy 100 kW; w pierwszym przypadku wykorzystane jest 100% przestrzeni fizycznej i mocy zasilania centrum obliczeniowego; w drugim przypadku centrum mieści zaledwie jedną szafę ze sprzętem pobierającym moc 2 kW. Choć suma bezpośrednich kosztów eksploatacji obu tych centrów przez cały okres ich użytkowania będzie porównywalna, użyteczny zwrot z obu tych inwestycji będzie diametralnie różny. W przypadku pełnego wykorzystania całkowity koszt posiadania centrum obliczeniowego rozkłada się na liczne urządzenia informatyczne wykonujące użyteczną pracę. W wariancie z minimalnym wykorzystaniem całe wydatki na utrzymanie fizycznego centrum obliczeniowego sumują się z kosztami eksploatacji jednej szafy. Gdy całkowity koszt posiadania fizycznej infrastruktury centrum danych lub serwerowni mierzyć będziemy w kontekście wykonanej użytecznej pracy, a w szczególności ilości obsługiwanego sprzętu informatycznego, niepełne wykorzystanie infrastruktury może generować gigantyczne koszty.

W niniejszym artykule wykażemy, że gdy całkowity koszt posiadania rozpatrywany jest w kontekście wykonanej użytecznej pracy, największym czynnikiem kosztotwórczym wpływającym na TCO infrastruktury fizycznej centrum obliczeniowego i serwerowni jest niezaabsorbowany koszt ogólny nie w pełni wykorzystanej infrastruktury. Chcąc uzyskać jak najwyższy zwrot z inwestycji, operator lub podmiot zamawiający typowe centrum danych powinien przede wszystkim zapewnić jego prawidłowe zwymiarowanie. W artykule dokonano kwantyfikacji możliwego do uzyskania zwrotu z inwestycji przy założeniu, że przyjęta zostanie strategia optymalnego doboru wielkości infrastruktury.

Powiązanie całkowitego kosztu posiadania z wykonaną użyteczną pracą

Efektem większości prób kwantyfikacji całkowitego kosztu posiadania jest wyrażenie TCO przypadającego na całe centrum obliczeniowe, na metr kwadratowy centrum obliczeniowego lub na kW mocy zasilania centrum obliczeniowego. Miary te nie są użyteczne w kontekście faktycznie wykonanej użytecznej pracy i nie ułatwiają ustalania zwrotu z inwestycji w projekty informatyczne. Są całkowicie nieprzydatne przy określaniu TCO powiązanego z wdrożeniem nowej aplikacji w istniejącym centrum obliczeniowym lub serwerowni.

Jednostką infrastruktury fizycznej, którą mogą posługiwać się zarówno pracownicy odpowiedzialni za infrastrukturę centrum, jak i informatycy, jest jedna szafa. Zasilanie, chłodzenie i przestrzeń zajmowana przez szafę to elementy infrastruktury stosunkowo dobrze ujęte w standardy. Informatycy z reguły dość dobrze orientują się w ilości sprzętu mieszczącego się w jednej szafie i funkcjonalności tego sprzętu. Stąd zrodził się pomysł, by wielkość infrastruktury wyrażać w jednostkach równych „jednej szafie” – metoda ta zaczyna obecnie zdobywać szerokie uznanie. Na potrzeby niniejszego omówienia przyjmujemy, że określenie „szafa” oznacza szafę stelażową, obudowę lub niestandardowe typy szafek i obudów, np. obudowy komputerów klasy mainframe lub dużych systemów pamięci dyskowych.

Jak wykazują badania, typowe centrum obliczeniowe wykorzystuje zaledwie 30% dostępnej mocy zasilania. Choć niektóre centra obliczeniowe wykorzystują 90% lub więcej mocy, podobna ich liczba wykorzystuje zaledwie 10%. Co więcej, wykorzystanie centrum obliczeniowego w całym okresie użytkowania zmienia się według stosunkowo powtarzalnego wzorca. Stopień wykorzystania oraz jego zmienność w czasie to ważna zmienna modelu obliczeniowego TCO. W niniejszym artykule przyjęto typowy model, przedstawiony na Rysunku 1. Pełniejsze omówienie tego zagadnienia można znaleźć w raporcie White Paper nr 37, „Avoiding Costs from Oversizing Data Center and Network Room Infrastructure” (Jak uniknąć kosztów wynikających z przewymiarowania infrastruktury centrum obliczeniowego i serwerowni).



Jeśli wyrazimy całkowity koszt posiadania jako kwotę przypadającą na jedną szafę, całkowity koszt centrum obliczeniowego lub serwerowni rozłoży się na szafy faktycznie wykorzystane. W ten sposób nie powstaną żadne niezaalokowane koszty ogólne, zaś koszty związane z infrastrukturą fizyczną centrum obliczeniowego lub serwerowni będzie można z większą dokładnością powiązać z infrastrukturą IT.

Typowy przykład obliczania całkowitego kosztu posiadania
Do obliczenia całkowitego kosztu posiadania i wyrażenia go w kwocie przypadającej na jedną szafę potrzebne są liczne dane wejściowe, w tym nakłady inwestycyjne, koszty projektowania, instalacji oraz eksploatacji poszczególnych elementów infrastruktury fizycznej centrum obliczeniowego lub serwerowni, a także parametry techniczne, takie jak powierzchnia zajmowana przez jedną szafę, moc pobierana przez jedną szafę, harmonogram wykorzystania, przewidywany czas eksploatacji, opcje zapewniające nadmiarowość itp.

Obliczenia na danych prezentowanych w dalszej części niniejszego opracowania wykonano przy użyciu programu APC TCO Calculator, opracowanego i rozwijanego przez Ośrodek Badań nad Zapewnieniem Dostępności (Availability Science Center) firmy APC2. www.apcc.com/tools/isx/tco Program TCO Calculator skonfigurowano w taki sposób, by bazował na przeciętnych kosztach wyposażenia zasadniczego, instalacji, projektowania i eksploatacji. Przedstawione wyniki uzyskano na podstawie wartości przeciętnych dla branży i ośrodka. Założono, że wykorzystanie zmienia się w funkcji czasu wg profilu przedstawionego wcześniej na Rysunku 1.

Aby określić całkowity koszt posiadania typowego centrum obliczeniowego, przyjęto, że centrum, którego dotyczą obliczenia, ma następujące parametry:

• Moc znamionowa: 100 kW
• Gęstość zasilania: 50 W/stopę kwadratową
• Okres eksploatacji 10 lat
• Średnia moc szafy: 1500 W
• Nadmiarowość: 2N

Testy potwierdziły, że zmiana tych parametrów w typowych zakresach nie zmienia w sposób istotny wyników ani wniosków z niniejszego opracowania.

Wyniki

Całkowity koszt posiadania szafy w centrum obliczeniowym wynosi w przybliżeniu 120 000 USD za cały okres eksploatacji. W wielu przypadkach koszt ten jest porównywalny z kosztem sprzętu informatycznego, który będzie w niej zainstalowany. Około połowa ze 120 000 USD całkowitego kosztu posiadania szafy w całym okresie eksploatacji przypada na nakłady inwestycyjne, a druga – na wydatki eksploatacyjne. Rozbicie kosztów na poszczególne kategorie przedstawiono na Rysunku 2.



Analiza składników kosztowych TCO pozwala określić obszary, w których możliwe jest ograniczenie lub lepsze
kontrolowanie kosztów.

Możliwe obszary kontroli TCO

Wskazać można szereg różnych strategii kontroli całkowitych kosztów posiadania w całym okresie eksploatacji. Należą do nich strategie poprawy wydajności, jakości planowania, optymalizacja wymiarowania systemu, negocjowanie kosztów, serwis we własnym zakresie itp. Program TCO Calculator umożliwia badanie wpływu różnych strategii na całkowity koszt posiadania, a tym samym określenie dziedzin, na których warto skupić zainteresowanie i inwestycje. Poniżej przedstawiono zestawienie oszczędności w całkowitych kosztach posiadania przypadających na jedną szafę w typowym centrum obliczeniowym lub serwerowni z nadmiarowością 2N, biorąc pod uwagę różne strategie kontroli kosztów:


Kwoty podane w tabeli to oszczędności przypadające na jedną szafę; a zatem oszczędności kosztów posiadania centrum obliczeniowego lub serwerowni dowolnej wielkości obliczyć można, mnożąc podane kwoty przez liczbę szaf. Należy zauważyć, że w każdym przypadku możliwe jest uzyskanie znacznych oszczędności w porównaniu z rozwiązaniami starego typu, jednak możliwość faktycznego uzyskania realnych korzyści nie jest pewna. Prawidłowe zwymiarowanie systemu zapewnia największe potencjalne oszczędności spośród wszystkich powyższych strategii. Wynika to z opisanego wcześniej i przedstawionego na Rysunku 1 wpływu przewymiarowania. Optymalne zwymiarowanie pozwala uzyskać duże oszczędności, gdyż: A) pozwala uniknąć budowania infrastruktury, która nie będzie nigdy wykorzystania oraz B) infrastruktura centrum obliczeniowego lub serwerowni jest rozbudowywana w miarę potrzeb.

Praktyczne korzyści z optymalnego zwymiarowania infrastruktury

Jak wykazaliśmy w poprzednich rozdziałach, strategia wdrożenia zapobiegająca przewymiarowaniu infrastruktury teoretycznie pozwala na ograniczenie kosztu jej posiadania o 60%. Idealna architektura centrum obliczeniowego lub serwerowni powinna być optymalnie zwymiarowana, pochłaniając tylko te koszty, które są w danym momencie niezbędne. Aby faktycznie można było uzyskać tę teoretyczną stopę oszczędności, idealne centrum obliczeniowe lub serwerownia powinny być wyposażone tylko w taką infrastrukturę zasilania i chłodzenia, jaka jest niezbędna w danym czasie, powinny zajmować tylko tyle miejsca, ile w danym momencie jest potrzebne, zaś koszty serwisu powinny odpowiadać wielkości infrastruktury, która faktycznie jest wykorzystywana. Idealna architektura powinna być w pełni swobodnie skalowalna. Choć nie jest obecnie możliwa praktyczna realizacja tak zdefiniowanej architektury idealnej, celowe i opłacalne jest wzięcie pod uwagę takiej strategii budowy centrum obliczeniowego i serwerowni, która zapewni skalowalność i modularność, a tym samym pozwoli na uzyskanie znaczącej części z teoretycznie możliwych oszczędności.

Dostępne obecnie technologie pozwalają na zastosowanie metody modularnego i skalowalnego wdrażania wielu elementów centrów obliczeniowych i serwerowni, takich jak zasilacze UPS, urządzenia do dystrybucji zasilania i urządzenia klimatyzacyjne. Jako przykład takiej skalowalnej architektury wskazać można architekturę InfraStruXure firmy APC Corp. Stopniowe instalowanie podzespołów w miarę, jak stają się potrzebne, pozwala ograniczyć nie tylko nakłady na sprzęt, lecz także koszty serwisu i energii elektrycznej. Istnieje szereg składników całkowitego kosztu centrum obliczeniowego, które bardzo trudno byłoby skalować w czasie, i które zwykle stanowią wydatki ponoszone z góry, takie jak adaptacja pomieszczeń, aparatura rozdzielcza w budynku oraz koszty projektowania. Na podstawie obliczeń wykonanych w programie TCO Calculator można oszacować, że zastosowanie modularnej, skalowalnej technologii w zakresie, w jakim jest to możliwe już dziś, pozwoli na uzyskanie około 50% teoretycznie dostępnych oszczędności związanych z prawidłowym zwymiarowaniem infrastruktury. Wyniki przestawiono na Rysunku 3.



Oszczędności w przypadku „realnie skalowalnym” na Rysunku 3 są mniejsze od teoretycznych oszczędności (architektura „idealnie skalowalna”), ponieważ obecnie nie istnieje jeszcze technologia pozwalająca na skalowalną i modułową rozbudowę niektórych składników centrum obliczeniowego, takich jak systemy przeciwpożarowe, podwyższone podłogi, przestrzeń fizyczna lub rozdzielnica budynku. Ponadto niektóre elementy, takie jak zasilacze UPS, nie mogą być instalowane w konfiguracjach minimalnych, idealnie odpowiadających zapotrzebowaniu, ponieważ wymagana jest instalacja w krokach pozostawiających niezbędny margines bezpieczeństwa. Mimo tego istnieje możliwość bardzo istotnego zmniejszenia całkowitego kosztu posiadania w całym okresie eksploatacji. 65% oszczędności z architektury „realnie skalowalnej” na Rysunku 3 to ograniczenia nakładów inwestycyjnych, a 35% to ograniczenia kosztów operacyjnych. Strategia zakładająca skalowalność pozwala z roku na rok ograniczać wydatki bezpośrednie, przy czym największe oszczędności uzyskuje się w roku 1. W przypadku stosowania przestarzałych strategii projektowania centrów obliczeniowych zwykle inwestor ponosi aż 90% nakładów w pierwszym roku, mimo że na tym etapie poziom wykorzystania centrum może być najniższy, a wiedza na temat przyszłych wymagań jest ograniczona. W rezultacie wskaźnik zwrotu z inwestycji może być tak niski, że podważy zasadność całego przedsięwzięcia. Oszczędności uzyskane w konkretnej sytuacji zależeć będą od przyjętych w konkretnym projekcie założeń i ograniczeń; aby uzyskać bardziej dokładne oszacowanie całkowitego kosztu posiadania, należy do programu TCO Calculator wprowadzić dane właściwe dla konkretnej inwestycji.

Wnioski

Wyrażenie całkowitego kosztu posiadania infrastruktury centrum obliczeniowego i serwerowni jako kwoty przypadającej na jedną szafę pozwala na znormalizowanie miary tego kosztu; tak znormalizowana miara może posłużyć do porównywania centrów obliczeniowych / serwerowni i różnych strategii ich projektowania. W artykule opisano zastosowanie narzędzia do obliczania całkowitego kosztu posiadania (programu TCO Calculator) oraz metodę obliczeń. Narzędzie to umożliwia ocenę różnych strategii redukcji kosztów oraz oszacowanie całkowitego kosztu posiadania konkretnych instalacji.
Całkowity koszt posiadania jednej szafy w całym okresie eksploatacji dla centrum obliczeniowego o wysokiej dostępności wynosi około 120 tysięcy USD. Przewymiarowanie infrastruktury to główny składnik tego kosztu, zaś wdrażając w praktyce odpowiednie techniki projektowania modularnej i skalowalnej infrastruktury centrum obliczeniowego można uzyskać średnio 30-procentowe oszczędności.