ИТ-мир становится программно-определяемым (Software-Defined, SD). Свое победное шествие это понятие начало с сетевых инфраструктур, вступивших на путь отделения «перемалывающих» биты трафика коммутаторов от средств контроля и управления этим процессом. После появления программно-определяемых средств хранения (СХД) стало возможным создание полностью программно-определяемых центров обработки данных (Software-Defined Data Center, SD-DC). Если говорить кратко, в таких ЦОД реализован некий уровень абстракции, который позволяет гибко использовать имеющиеся ИТ-ресурсы (серверы, СХД, сеть) в соответствии с текущими потребностями конкретных приложений и бизнес-процессов. При этом ресурсы потребляются максимально эффективно, а приложения получают оптимальные для их работы сервисы, которые адаптируются к изменяющимся задачам.

Вслед за ИТ-инфраструктурой принципы «программной определяемости» начали распространяться и на другие системы. В контексте ЦОД в первую очередь интересно их применение к инженерным системам, обеспечивающим работу ИТ. И вот в профессиональном сообществе все чаще стало упоминаться понятие Software-Defined Power, или программно-определяемое электропитание.

По аналогии с другими системами SD, речь идет о формировании уровня абстракции, который позволяет эффективно управлять имеющимися ресурсами (в данном случае электропитания) в интересах конечных «пользователей», которыми — как и для всего SD-DC — являются различные приложения. Концепция Software-Defined Power реализуется на уровне ПО управления — например, системы класса DCIM, которая способна задействовать имеющиеся системы управления ИТ и инженерным оборудованием, а также автоматизировать операционные процедуры. Главный результат — оптимизация распределения и выделения ресурсов электропитания в одном ЦОД или в сети из нескольких ЦОД с учетом текущих требований и приоритета различных приложений.

Важной особенностью систем Software-Defined Power является координация «действий» ИТ- и инженерной инфраструктур. В случае сети из нескольких территориально распределенных ЦОД такая координация позволяет оперативно переводить ИТ-нагрузку (например, перемещать виртуальные машины) между ЦОД для повышения надежности, экономии электроэнергии или для выполнения плановых или аварийных процедур обслуживания. Это позволяет гарантировать непрерывную (24x7) работу приложений, даже если локальные источники электропитания не самые надежные.

Следуя принципу «вслед за луной», можно достичь существенной экономии. Стоимость электроэнергии в большинстве стран мира зависит от многих факторов, в том числе от времени суток. Так, в России оптовые цены на электроэнергию меняются каждый час: пиковые значения приходятся на период с 9 до 13 ч, а в ночные часы ее стоимость существенно ниже. Поэтому, при наличии технической возможности управлять потреблением ЦОД, можно существенно сэкономить, сократив расходы в часы максимальной стоимости электрической энергии. Для этого можно переводить ИТ-ресурсы из одного ЦОД в другой «вслед за луной»», отключая серверы в местах, где в данный момент наблюдается пиковая стоимость электричества. Такие возможности также относят к функционалу систем Software-Defined Power.

Многие эксперты рассматривают технологии Software-Defined Power как расширение концепции SD-DC для снижения влияния возможных проблем с электропитанием на работу приложений. Задача систем Software-Defined Power заключается в том, чтобы в каждый конкретный момент времени подключать ИТ-нагрузку (приложения) к наиболее надежному и экономически выгодному (опять-таки в данный момент) ресурсу электропитания. Очевидно, этого можно добиться как переключая источники электропитания без физического перемещения ИТ-нагрузки, так и переводя ИТ-нагрузки в оптимальное (с точки зрения обеспеченности электропитанием) место: в другую стойку, в другой зал или ЦОД.

Новое поколение программных средств позволяет профилировать использование ресурсов электропитания и выделять их с учетом приоритетов ИТ-оборудования и приложений. Это дает возможность наращивать системы обработки и хранения данных (серверы и СХД) без увеличения мощности энергоснабжения, что обеспечивает значительную экономию средств за счет отсутствия необходимости поддержки избыточной мощности.

Как показывает анализ доступной в Интернете информации, первой концепцию и решения Software-Defined Power предложила компания Power Assure еще в 2007 году. Однако в 2014 году эта компания закрылась. Впоследствии термин Software-Defined Power применительно к своим разработкам стали использовать многие, включая 3DFS, GridBridge, CUI, Virtual Power Systems и другие. Однако единого определения и набора функциональности для таких систем пока не выработано. Возможно, это связано с тем, что гиганты отрасли, такие как Schneider Electric, пока не замечены в активном продвижении компании Software-Defined Power. Вместе с тем поставляемые крупными компаниями комплексные системы электропитания вкупе с системами управления категории DCIM (Data Center Infrastructure Management) могут многое (а иногда и значительно больше) из того, что провозглашают адепты Software-Defined Power.

Но вернемся к продуктам, позиционируемым как решения Software-Defined Power. Чтобы более детально понять их возможности, рассмотрим в качестве примера аппаратно-программный комплекс ICE — совместное детище компаний CUI и Virtual Power Systems. Как обещают поставщики, за счет оптимизации использования ресурсов электропитания это решение позволяет снизить операционные расходы на 15–25%, но что еще удивительнее — на 40–60% сократить капитальные затраты.

Основой системы является разработанное компанией Virtual Power Systems ПО управления ICE Software Application Suite. Решение предполагает установку в ЦОД и дополнительных аппаратных элементов. Так, в каждой стойке, которая будет охвачена системой Software-Defined Power, устанавливается блок ICE Block высотой 4U (возможна установка таких блоков для всех стоек в отдельном шкафу в конце ряда). Одна из задач ICE Block — снятие пиковых нагрузок без необходимости увеличения общей мощности системы энергоснабжения ЦОД (см. рис. 1). Это достигается благодаря установленным в ICE Block литий-ионным батареям.

Рис. 1. Пример снятия пиковых нагрузок в стойке за счет локальных АКБ при использовании решения ICE
Рис. 1. Пример снятия пиковых нагрузок в стойке за счет локальных АКБ при использовании решения ICE

 

В периоды повышенного потребления со стороны установленного в стойку ИТ-оборудования дополнительную электроэнергию обеспечивают локальные АКБ. Когда же потребление падает, батареи подзаряжаются. Согласно утверждению поставщиков, такое решение способно обеспечить работу ИТ-оборудования суммарной мощностью 16 кВт на стойку, при этом централизованную систему электропитания ЦОД достаточно спланировать из расчета нагрузки всего 8–10 кВт на стойку.

Таким образом, общую мощность подключения к энергосистеме можно снизить более чем в полтора раза. Кроме того, общая мощность, на которую рассчитана электрическая инфраструктура ЦОД, будет ниже, а значит, и затраты на такую инфраструктуру окажутся значительно меньше. На другой чаше весов ­ — необходимость покупки системы ICE, а также выделения четырех юнитов (4U) драгоценного пространства в каждой стойке (или установки дополнительной стойки под устройства ICE Block в конце ряда).

Второй аппаратный элемент системы ICE — небольшой переключатель ICE Switch, который, собственно говоря, и «дирижирует» подключением и отключением различных источников электричества в зависимости от текущих потребностей, стоимости получения энергии от конкретного источника в данный момент и т. д. ICE Switch выполнен в виде компактного устройства (высотой 1U) и состоит из двух идентичных модулей (схема резервирования 2N) с возможностью их «горячего» отключения/подключения.

При повышении потребления в пиковые периоды ICE Switch может, в частности, включать дизель-генераторы. Если обычно ДГУ используются только как резервный источник питания в случае аварии основного, то система ICE задействует их для выработки дополнительной энергии в пиковые периоды. Наряду с использованием АКБ в составе ICE Block это позволяет снизить общую мощность подключения ЦОД.

ICE Switch способен подключать и альтернативные источники электропитания — например, солнечные батареи или ветровые генераторы (конечно, в случае их наличия). Интеллектуальная система управления может прогнозировать, когда оптимально включить тот или иной источник: например, солнечную батарею — в безоблачный летний день, а ветровой генератор — ночью. На данный момент альтернативные источники, конечно, не способны полностью обеспечить энергетические потребности ЦОД, поэтому их использование следует рассматривать только как дополнение к основному энергоснабжению. Кстати, именно в жаркие летние дни повышается потребление системы охлаждения, а в такие дни и солнечные батареи генерируют максимальную мощность, поэтому их помощь будет как нельзя кстати.

Разработчики приводят множество привлекательных сценариев применения системы Software-Defined Power. Один из с них связан с приоритизацией нагрузки. Сегодня большинство крупных ЦОД строят по схеме резервирования 2N, чтобы гарантировать заказчикам высокий показатель доступности. Это значит, что вся инфраструктура системы бесперебойного гарантированного электропитания ЦОД проектируется и строится «с избытком». Однако далеко не всем приложениям требуется столь высокий уровень доступности. Коммутатор ICE Switch, работающий в связке с ПО ICE Software Application Suite, позволяет задействовать избыточные (зарезервированные для обеспечения схемы 2N) ресурсы для поддержки систем, которым достаточно уровня 1N.

Рис. 2. Пример схемы подачи электропитания на нагрузку с различным уровнем приоритета. Штатный режим
Рис. 2. Пример схемы подачи электропитания на нагрузку с различным уровнем приоритета. Штатный режим

На рис. 2 приведен пример ЦОД с критичной нагрузкой (2N) мощностью 400 кВт и менее важной нагрузкой (1N) мощностью 100 кВт. Чтобы реализовать схему 2N, необходимо организовать два независимых луча электропитания, причем на каждом обеспечить возможность подачи 400 кВт для критичной нагрузки. При наличии систем управления электроснабжением часть мощности можно перераспределить для питания нагрузки 1N. Тогда в штатном режиме по каждому лучу будет подаваться по 250 кВт (см. рис. 2).

Рис. 3. Пример схемы подачи электропитания на нагрузку с различным уровнем приоритета в аварийном режиме
Рис. 3. Пример схемы подачи электропитания на нагрузку с различным уровнем приоритета в аварийном режиме

В случае аварии на одном из лучей низкоприоритетную нагрузку придется отключить, но критичная нагрузка будет обеспечена полностью (400 кВт). Такая схема позволяет обеспечить нормальное функционирование ЦОД (с учетом приоритета нагрузки) без излишней избыточности по электропитанию, что опять-таки означает снижение расходов (см. рис. 3).

В целом в концепции Software-Defined Power, конечно, содержится изрядная доля маркетинга. По сути, эта концепция означает дальнейшее развитие систем управления электропитанием с увеличением объема собираемых данных (о текущей ситуации), привлечением более эффективных средств их анализа и прогнозирования. И конечно, как показано на примерах выше, для реализации Software-Defined Power необходимы достаточно «продвинутые» (интеллектуальные) элементы инфраструктуры электропитания, без них никакое ПО не будет способно оптимизировать использование имеющихся ресурсов.