Răcirea computerelor ce comandă centrele noastre de date costă bani. Operatorii se străduiesc să minimizeze costurile cu utilităţile asociate cu funcţionarea ventilatoarelor de răcire şi a sistemelor de aer condiţionat, ce reprezintă partea leului din aceste costuri. Pe vreme călduroasă, sarcina suplimentară a acestor sisteme poate adăuga un plus de până la 50% la factura de electricitate a centrului de date.
S-a încercat un număr de soluţii, căutând minimizarea consumului energetic al sistemelor de răcire, care, se poate argumenta că adaugă costuri de operare fără o creştere directă a valorii pentru clienţi. Aceste soluţii pot fi împărţite la modul general în două categorii: acelea care încearcă să schimbe obiectivele şi cele care tratează simptomul.
Figura 1: Blocurile funcţionale pentru o arhitectură tipică de distribuţie de energie pentru aplicaţii de centre de date.
Schimbarea obiectivelor
Costurile de operare şi capital pentru sistemele de răcire pot fi reduse prin acceptarea unor temperaturi de operare mai mari pentru echipamente. Cercetarea cu privire la stabilirea şi reevaluarea temperaturilor de operare acceptabile a fost o sarcină foarte importantă în vederea atingerii unei siguranţe de funcţionare acceptabile. “Mai rece este mai bine” este o zicala bine cunoscută în industria electronicii, iar acest lucru se aplică şi centrelor de date.
În momentul în care costul răcirii în centrele de date este luat în considerare, “Mai rece este mai bine” devine mai puţin tentantă, fiind mai degrabă agreată o limită acceptabilă. Domeniul de temperatură ambientală tipic acceptat pentru centrele de date s-a situat în zona 68-72°F. Unele au operat la temperaturi semnificativ mai reduse, în jurul valorii de 55°F, iar răcitoarele cu apă sunt adesea utilizate în centrele de date pentru a păstra temperatura scăzută. Aceste răcitoare au o funcţionare costisitoare.
Cercetările cu privire la valorile temperaturilor de operare acceptabile ale echipamentelor şi a centrelor de date au permis industriei să-şi schimbe noţiunile cu privire la temperatură. S-a observat că se poate reduce costul energiei cu 4% pentru fiecare creştere de un grad acceptată. Intel a descoperit că efectul nu este aşa de grav precum se aşteptau, atunci când temperatura de operare a fost crescută în teste. Intel şi alte câteva companii şi-au crescut valorile stabilite de temperatură de la convenţionalul domeniu de 68-72 grade Fahrenheit pentru a face economii în ceea ce priveşte costurile de răcire, fără un impact semnificativ asupra siguranţei de funcţionare sau asupra frecvenţei de înlocuire a echipamentelor.
Figura 2: Modulele de putere digitale controlate prin instrucţiuni livrate prin conexiune PMBus.
Tratarea simptomului
Permiterea unor temperaturi de operare mai ridicate poate fi văzută ca o schimbare, sau cel puţin o optimizare a obiectivelor. O abordare alternativă este de a trata simptomul prin alegerea unei locaţii în care temperatura ambientală este mai mică, reducând astfel efortul sistemului de răcire de a păstra temperatura de operare ţintă. Unele centre de date au fost stabilite în zone cu climă mai rece, precum în Scandinavia sau nord-vestul SUA, în vederea reducerii costurilor de energie asociate cu răcirea serverelor. În unele dintre aceste locuri, precum Norvegia sau Suedia în particular, se întâmplă adesea să existe surse de energie hidroelectrice sau regenerabile, cu emisii reduse de carbon. Operarea în asemenea locaţii nu numai că reduce consumul energetic, prin reducerea eforturilor solicitate de la sistemele de răcire pentru limitarea creşterii temperaturii echipamentelor, ci aduce economii suplimentare dacă sursele de energie permit costuri reduse de utilităţi.
Există şi o a treia cale. Tratarea oricărei probleme la sursă este uzual văzută ca răspunsul cel mai inteligent, iar în contextul răcirii centrelor de date aceasta înseamnă ca centrele să genereze mai puţină căldură de gestionat pentru sistemele de răcire. În practică, aceasta înseamnă un randament energetic îmbunătăţit prin sistemele electronice. Acestea conţin nu numai servere, ci şi infrastructura de distribuire a energiei. Creşterea randamentului energetic al serverelor este deja bine înrădăcinat, cu tehnici precum virtualizarea serverelor, ajutând la minimizarea numărului de servere alimentate, dar neutilizate la capacitate maximă. Managerii centrelor de date sunt familiarizaţi cu Power Utilization Index ca măsură ce exprimă eficienţa virtualizării.
Progresul surselor de alimentare abordează cauza
Operatorii înţeleg că modulele de putere cu randament mai ridicat furnizează o proporţie mai mare din energia achiziţionată de la furnizorul de utilităţi pentru a alimenta serverele, scăzând în acelaşi timp pierderile ce sunt convertite în căldură nedorită.
Această abordare conduce la o economie iniţială, dar care este mărită prin faptul că, reducând căldura disipată, este redus şi consumul energetic al sistemelor de răcire necesare pentru îndepărtarea căldurii. Economiile energetice pot fi obţinute prin îmbunătăţirea modului în care energia este furnizată serverelor.
Figura 1 prezintă o infrastructură tipică de distribuţie de energie conectată la un server din centrul de date, ce conţine o sursă AC-DC, ce poate alimenta un convertor intermediar de magistrală (DC -DC) conectat la matricea de convertoare de tensiune puncte de sarcină alimentând circuitele de server la nivel de placă. În unele sisteme, sursa AC-DC poate alimenta direct convertoarele puncte de sarcină, după cum se poate observa.
Cererea de energie a plăcilor de servere este în creştere cu fiecare generaţie de echipament, crescând de la câteva sute de Watt pentru serverele “pizza boxes” de acum câţiva ani, la mai mult de 2kW în cazul multora dintre serverele de astăzi, iar creşterea continuă. Apar astfel două implicaţii pentru componentele de distribuţie a energiei. Prima se referă la creşterea cererii de energie de vârf la nivelul plăcii de server care face ca diferenţa dintre randamentul actual al convertorului şi neatinsul 100% să reprezinte o cantitate de energie semnificativ mai mare ce urmează să fie disipată sub formă de căldură. Menţinerea la minim a acestei disipări necesită un randament de operare mai mare. A doua implicaţie este faptul că sursele de energie convenţionale pot fi optimizate numai pentru un domeniu de sarcină redus. La ieşirea din acest domeniu, în particular la sarcini mici, randamentul energetic cade mult sub maxim.
Introducerea Energiei definite software
Proiectele de surse de alimentare au avansat rapid la ora actuală, cu ajutorul dat de aşa numita putere digitală. Spre deosebire de sursele de alimentare convenţionale analogice, al căror comportament este determinat de valori fixe ale componentelor precum cele ale condensatoarelor alese pentru a asigura un răspuns stabil şi predictibil al tensiunii de ieşire la alimentarea cu energie a circuitului de control, caracteristicile surselor de alimentare digitale sunt determinate de firmware. Valorile regiștrilor ce guvernează parametrii de operare pot fi schimbate mai rapid şi mai uşor prin comparaţie cu utilizarea unor componente precum condensatoarele care au valori fixe.
Puterea digitală a adus economii la scară pentru vânzătorii de surse de alimentare, care pot crea platforme de surse ce pot fi configurate pentru multiple aplicaţii sau care se pot potrivi unor cerinţe individuale ale unui utilizator final sau unei varietăţi de condiţii de operare. Într-o aplicaţie de centru de date, de exemplu, o sursă de alimentare digitală poate fi programată cu un anumit set de valori pentru a maximiza randamentul la / aproape de sarcina maximă, cu flexibilitatea de a trece pe parametri de sarcină redusă, cu scopul de a menţine randamentul ridicat. Acest lucru contrastează cu randamentul unei surse analogice, care va fi semnificativ mai redus la sarcină mai mică.
Modulele de putere digitale sunt în mod uzual reglate de către un controler central, care comunică cu regiștrii modulului prin conexiune la magistrala de management energetic (PMBus), după cu se poate observa în figura 2. PMBus este un standard industrial dezvoltat din specificaţiile SMBus (System-Management Bus), şi care defineşte o conexiune fizică şi un protocol pentru schimb de date între module de putere. Suplimentar, sursele de alimentare digitale pot fi realizate utilizând mai puţine condensatoare, lucru care permite module de putere mai mici, eliberând spaţiu pe placă pentru a găzdui o putere de procesare mai mare, de unde şi servicii mai rapide şi mai bune pentru utilizatorii finali.
Puterea digitală a fost adoptată entuziast de pieţele de telecomunicaţii, reţelistică şi echipamente pentru centre de date. Flexibilitatea puterii digitale permite modulelor să fie configurate pentru randament optim într-o varietate de condiţii de operare. Proiectele de surse de alimentare se află într-un proces de tranziţie chiar şi mai interesant, construit pe avantajele puterii digitale şi introducând adaptabilitate în timp real, gestionată de o aplicaţie ce rulează pe software-ul controlerului central. Această evoluţie, cunoscută ca arhitectură de putere definită software SDPA (Software Defined Power Architecture), aduce o flexibilitate şi mai mare, precum şi oportunitatea de a regla fin în mod automat sursa de alimentare, ca răspuns la schimbările de sarcină, sau pentru a se acomoda la variaţiile lente cauzate de îmbătrânirea componentelor.
Puterea definită software, şi în particular proiectul aplicaţiilor SDPA, este la începutul unei curbe de dezvoltare, care va conduce la o creştere semnificativă a performanţelor şi randamentului, făcând în acelaşi timp mai exact răspunsul şi permiţând o densitate mai mare de putere, conducând astfel la o reducere şi mai mare a dimensiunilor modulelor şi creând loc suplimentar pe placă.
Implicaţii pentru operatorii centrelor de date
În ceea ce îi priveşte pe proprietarii şi operatorii centrelor de date, strategiile cu privire la sursele de alimentare şi componenţa de pe placă sunt în mare parte neobservabile. Totuşi, printr-o perspectivă asupra subsistemelor de distribuţie energetică din prisma serverelor de lucru, se poate ajuta la înţelegerea modului prin care, îmbunătăţirea proiectelor poate contribui la un randament global mai bun şi poate creşte performanţele de calcul. Puterea digitală reprezintă, Digital, tehnologia de ultimă oră, iar puterea definită software este gata de a determina şi mai multe avantaje legate de flexibilitate şi configurabilitate digitală.
Puterea definită digital este la începutul curbei sale de dezvoltare, fiind foarte probabile îmbunătăţiri rapide ale programelor. OEM-urile de servere se pot aştepta la actualizări de software frecvente în ceea ce priveşte aplicaţiile de putere, încă de timpuriu pe durata de viaţă a unui produs, actualizări ce pot fi aplicate de la distanţă şi transparent, atâta vreme cât utilizatorii sunt îngrijoraţi: singurul efect vizibil este o scădere a sarcinii sistemelor de răcire şi o reducere corespunzătoare a facturii de utilităţi.
Sumar
Operatorii centrelor de date care doresc reducerea costurilor la utilităţi, au la dispoziţie o serie de opţiuni, inclusiv găsirea unor surse de energie mai ieftine acolo unde este posibil, combinat cu diverse tehnici de a reduce povara sistemelor de răcire. Acestea includ creşterea limitelor acceptabile de temperatură de operare acolo unde este posibil fără a afecta siguranţa de funcţionare, iar în unele cazuri, prin mutarea facilităţilor în locaţii geografice în care temperatura ambientală joasă oferă răcire gratuită. Mai recent, modulele configurabile de putere digitală au crescut potenţialul de obţinere a unor randamente mai mari şi de reducere a costurilor de răcire.
După cum puterea digitală conduce natural la putere definită software, randamentele mai mari pot fi menţinute pentru un set mai larg de condiţii de operare. Noile echipamente server, caracterizate de putere definită software, pot ajuta la reducerea imediată a facturilor la utilităţi, şi este foarte posibil ca în viitor să ofere mai multe economii, odată cu maturizarea tehnologiei.
Autor: Bob Cantrell, Senior Application Engineer, la Ericsson Power Modules
Ericsson Power Modules | www.ericsson.com
