Количество электроэнергии, которая потребляется компьютерными инфраструктурами, в том числе персональными компьютерами, серверами, центрами обработки данных, маршрутизаторами и коммутаторами, стремительно растет.

Ситуация осложняется тем, что высокопроизводительные системы в процессе работы выделяют все больше тепла. Для борьбы с этим производители встраивают в оборудование системы охлаждения, работа которых опять-таки требует все больше электроэнергии. Самые большие вычислительные комплексы, такие как центры обработки данных, теперь потребляют больше энергии, чем некоторые крупные заводы. Например, пять крупнейших поисковых компаний в настоящее время используют около 2 млн. серверов, которые, по словам вице-президента Ask.com Дэйна Сэмпсона, потребляют примерно 2,4 ГВт электроэнергии, что сравнимо с мощностью в 2 ГВт, генерируемой гидроэлектростанцией Hoover Dam. Все это стало поводом для начала строительства компаниями, подобными Ask.com, Google, Microsoft и Yahoo, собственных небольших гидростанций на реках американского Северо-Запада, где они могут получить относительно недорогую электроэнергию.

По словам Марка Миллза, соучредителя Digital Power Capital, а также директора по технологиям и председателя совета директоров ICx Technologies, доля вычислительных систем сегодня составляет 15% общего энергопотребления США, что приводит к увеличению расходов компаний на электроэнергию. «В 2005 году на электропитание и охлаждение компьютеров во всем мире было затрачено 26,1 млрд. долл., что составляет половину от 54,9 млрд. долл., потраченных на закупку новых серверов», — отмечает аналитик IDC Джед Скарамелла. IDC также считает, что затраты на электроэнергию, связанные с электропитанием серверов, отражают рост доли расходов на приобретение серверов (см. рисунок). В то же время некоторые правительственные организации требуют эффективного энергопотребления как от устройств, используемых в составе вычислительных систем, так и от других систем центров обработки данных. Производители, поставщики и пользователи ищут способы сокращения энергопотребления. Например, корпорации AMD и Intel, выпуская новые микропроцессоры, все чаще подчеркивают не рост производительности, а энергетическую эффективность. Однако, по словам Миллза, растущее число используемых микросхем, мощность которых становится все выше, по-прежнему приводит к повышению потребления электроэнергии, даже при более эффективном ее применении. Более того, ИТ-инфраструктура будет продолжать наращивать вычислительные и сетевые ресурсы, а следовательно, потреблять все больше электроэнергии. Поэтому исследователи ищут возможности сокращения энергопотребления в областях, не относящихся к микропроцессорам. Это технологии электропитания, архитектуры центров обработки данных и термоинтерфейсы.

Электропитание

Самые распространенные блоки питания для компьютеров основаны на технологии ATX (Advanced Technology Extended), которая используется в системных платах и корпусах компьютеров. Компьютерные блоки питания преобразуют входящий переменный ток (в США это ток с напряжением 120 В, в других странах — 220 В; для центров обработки данных используется ток более высокого напряжения) в постоянный ток низкого напряжения (от 1,25 В до 12 В), который требуется для питания процессора и других подсистем. По данным Electric Power Research Institute (EPRI), доля блоков питания составляет менее 2% общего энергопотребления США.

Большинство современных блоков питания, основанных на технологии АТХ, построены на простых схемах, которые позволяют экономить место при производстве блоков, но не обеспечивают более эффективного использования электроэнергии. Таким образом, блоки питания обычно имеют среднюю эффективность, за которую принимается та часть поступающей в блок электроэнергии, которая в действительности доходит до устройства. По словам менеджера Ecos Consulting Джейсона Белке, при малых нагрузках она составляет 50%, а при высоких — 67%. По мнению специалистов EPRI, более эффективная конструкция могла бы вдвое снизить расход электроэнергии.

Простой стандарт электропитания

Большинство системных плат персональных компьютеров преобразует ток различных напряжений, поступающий от блока питания, до различных значений, соответствующих требованиям отдельных компонентов компьютера. Следовательно, производители должны изначально проектировать блоки питания АТХ для поддержки различных уровней выходного напряжения, а не просто оптимизировать их для поддержания одного постоянного уровня напряжения. Это приводит к неэффективному использованию электроэнергии.

В этой связи компания Google призывает компьютерную индустрию разработать более простой и эффективный стандарт, который требовал бы преобразования переменного тока только до 12 В. Напряжение, необходимое отдельным подсистемам, обеспечивалось бы расположенными на системной плате оптимизированными (а следовательно, более продуктивными) трансформаторами.

«Единый уровень напряжения 12 В позволил бы блоку питания повысить эффективность преобразования напряжения до 92%, а трансформаторам на системной плате — до 95%», — замечает Билл Уайл, директор по энергетической стратегии Google. По оценкам Уайла, если 100 млн. персональных компьютеров будут работать по такому стандарту, за три года будет сэкономлено 40 млрд. кВт/ч электроэнергии. Однако Крис Колуэлл, вице-президент Ecos, предупреждает, что такая экономия возможна лишь при условии, что трансформаторы на системной плате будут правильно преобразовывать напряжение.

Улучшение электроснабжения центров обработки данных

Чтобы обеспечить заданную мощность, необходимо повысить силу тока при падении напряжения. Следовательно, при питании током низкого напряжения выделяется больше тепла, что приводит к потере электроэнергии, которую можно было бы использовать для питания серверов. Поэтому ученые ищут возможность распределения электроэнергии при более высоких уровнях напряжения.

Сегодня центры обработки данных обычно распределяют между серверами переменный ток с напряжением 12 В или 240 В (в США) или 415 В (в Европе). Билл Чуди, главный научный сотрудник Национальной лаборатории Лоуренса в США, отмечает, что в процессе экспериментов с постоянным током напряжения 380 В в пределах центра обработки данных специалистам лаборатории удалось сократить потерю мощности на 10-15%. Он объяснил, что такое сокращение потерь мощности не только могло бы сократить потери энергии, связанные с нагревом, но и сократило бы расход энергии на преобразование переменного тока в постоянный. По мнению директора компании APC по управлению продуктами Билла Карлини, используя переменный ток напряжения 480 В, можно сократить потери энергии от нагрева на 8%. По его словам, оборудование для распределения переменного тока 480 В уже выпускается в больших количествах, поэтому его цена ниже, чем у аналогичных изделий, рассчитанных на постоянный ток.

Внешние стимулы

В 2004 году Ecos и Northwest Energy Efficiency Alliance (www.nwalliance.org) начали внедрение инициативы «80+», призванной дать компаниям, использующим блоки питания с продуктивностью не менее 80%, различные стимулы, например скидки.

Лоран Женк, директор Power Supply System Engineering Group, входящей в состав производственной компании ON Semiconductor, отмечает, что сейчас высокопроизводительные блоки питания выпускаются в меньших количествах, поэтому цена такого блока примерно на 15% выше, чем у обычного блока питания. Кэтрин Каплан — сотрудник американского Агентства по защите окружающей среды (Environmental Protection Agency, EPA), отвечающий за стандарт Energy Star, — сообщила, что 20 июля 2007 года Министерство энергетики США включит стандарты «80+» в состав требований для сертификации Energy Star. На изделия, отвечающие требованиям стандарта, DoE разрешает ставить маркировку Energy Star. Эта маркировка была создана для привлечения покупателей, серьезно подходящих к проблеме экономии электроэнергии. EPA заявляет, что компьютерное оборудование с маркировкой Energy Star на 65% более продуктивно, чем аналогичные модели без такой маркировки, и что использование оборудования с маркировкой Energy Star позволяет американским компаниям в течение срока службы оборудования сэкономить в сумме до 1,2 млрд. долл.

В Японии центральные и региональные власти обязаны предоставлять экономические льготы для продвижения идеи снижения энергопотребления. В дополнение к этому, Еврокомиссия в рамках плана эффективного использования электроэнергии и правительство Китая планируют предоставлять организациям соответствующие налоговые льготы.

Усовершенствование систем охлаждения

По словам аналитика Gartner Майкла Белла, современный сервер потребляет около 300 Вт. Следовательно, массив из 40 серверов-лезвий потребляет около 12 кВт. В процессе работы серверы выделяют значительное количество тепла, что приводит к необходимости охлаждения, которое само по себе требует дополнительных затрат энергии. В массивах средней плотности (которым требуется менее 6 кВт на разъем) большинству серверов на один затраченный ватт требуется ватт на охлаждение, а в массивах самой высокой плотности эта величина вдвое выше. Таким образом, уменьшение нагрева серверов играет важнейшую роль в снижении общего энергопотребления.

Динамическое охлаждение. Недавно компания Hewlett-Packard объявила о грядущем выпуске интеллектуальной системы динамического охлаждения Dynamic Smart Cooling. Эта система использует локальные датчики температуры, чтобы задавать направление охлажденному воздушному потоку и оптимизировать охлаждение наиболее интенсивно работающих компонентов компьютера.

«Избавляя от необходимости столь же сильного охлаждения внутри системы, такой подход позволил сэкономить до 40% расходов на электроэнергию в системе серверов-лезвий», — говорит Рон Манн, директор направления разработки инфраструктурных решений компании HP.

Системы жидкостного охлаждения. Компания Emerson Network Power разработала систему охлаждения, в которой к каждому серверу-лезвию по специальным каналам подается охлаждающая жидкость, а наиболее разогретые области система обнаруживает с помощью датчиков. Таким образом, можно эффективно использовать энергию, которая расходуется на охлаждение. «Компания SprayCool разработала технологию, позволяющую использовать непроводящую жидкость (fluorinert), которую можно непосредственно подавать к электронным компонентам сервера. Для экономии электроэнергии эту технологию можно использовать с датчиками температуры, чтобы охлаждающая жидкость использовалась только там, где она больше всего нужна.

Нанопокрытия. В мощных компьютерах обычно используются специальные материалы, которые обеспечивают отвод тепла от электрической цепи и уменьшают необходимость использования охлаждающего оборудования. Ученые из Университета Пердью разрабатывают новый термоизоляционный материал, состоящий из углеродных нанотрубок. Его структура напоминает застежку-«липучку», которая крепится на поверхность микросхемы и обеспечивает ее охлаждение. По словам возглавляющего проект профессора Тимоти Фишера, состав и структура этого материала должны гарантировать более эффективный отвод тепла от микросхемы, чем используемые для этого традиционные материалы, такие, как медь и алюминий, и, следовательно, обеспечить снижение температуры еще на 10°.

«Предыдущие попытки создать подобную систему охлаждения сталкивались с трудностями — высокие температуры, необходимые для выращивания нанотрубок на поверхности микросхем, вызывали повреждение микропроцессоров», — сказал Фишер. Технология, созданная в университете Пердью, позволяет выращивать нанотрубки при более низких температурах.

Виртуализация

Традиционно компании использовали для каждой задачи отдельный сервер, например почтовый сервер или Web-сервер, что позволяло упростить настройку, управление и работу с операционной системой.

«Таким образом, каждый сервер в центре обработки данных часто простаивал и фактически был загружен всего лишь на 5-20%», — замечает Богомил Балкански, иенеджер по маркетингу компании VMware. Но при этом, по мнению вице-президента Sun Microsystems по экологии Дэйва Дугласа, независимо от уровня загрузки, энергопотребление серверов остается на уровне 80% от пикового значения. Виртуализация позволяет одновременно запускать на одном сервере разные операционные системы или версии одной ОС, давая ему возможность выполнять сразу несколько задач. Это позволяет выключить другие серверы и, таким образом, значительно сократить расход электроэнергии. По словам Балкански, некоторые владельцы систем виртуализации уже стали использовать меньше серверов. Таким способом любой центр обработки данных мог бы экономить на электропитании и охлаждении серверов по 560 долл. в год на каждый сервер.

Другие подходы

Некоторые компании и группы начинают предлагать свои решения для значительного сокращения энергопотребления центров обработки данных.

Отраслевые и правительственные организации. Различные компании, в том числе APC, Dell, HP, IBM и Sun Microsystems, основали открытую некоммерческую организацию Green Grid (www. thegreengrid.org), чтобы выработать лучшие практики и подходы к управлению центрами обработки данных с целью снижения их энергопотребления. DoE недавно выпустила протокол измерения энергопотребления серверов (Server Energy Measurement Protocol, www.energystar.gov) и сейчас совместно с другими компаниями работает над его тестированием и принятием.

«Этот протокол устанавливает процедуру подключения средств измерения энергопотребления к уже имеющимся инструментам измерения производительности серверов», — сказал научный сотрудник Национальной лаборатории Лоуренса Джонатан Куми.

«Это важно, поскольку сегодня пока не существует стандартного способа измерения производительности серверов, связанной с энергопотреблением, — заметил он. — Возможность точного измерения энергопотребления крайне важна для определения эффективности усилий по экономии электроэнергии».

Авторитетная некоммерческая организация Standard Performance Evaluation (www.spec.org), разработчик популярных стандартных методик тестирования производительности, сейчас работает над созданием критериев оценки энергопотребления серверов.

Модульные системы. Компании APC и Emerson Network Power разрабатывают модульные системы электропитания и охлаждения серверов. Как объяснил вице-президент Emerson Питер Пэнфил, эти системы должны позволить добавлять модули — относительно небольшие питающие и охлаждающие мощности — по мере роста центров обработки данных.

«Как результат, предприятия будут использовать только то, что им необходимо в определенное время, причем наиболее эффективно», — отметил он.

APC назвала свою систему Infrastruxure. Продукт Emerson получил название Adaptive Architecture.

Project Blackbox. Недавно компания Sun представила результаты реализации проекта Project Blackbox, в которой полнофункциональный центр обработки данных помещен в стандартный контейнер длиной 6,1 м, оборудованный системой охлаждения и имеющий множество разъемов для подключения электропитания и высокоскоростного доступа в сеть. Серверы разработаны таким образом, чтобы более эффективно использовать электроэнергию и уменьшать нагрев: эффективность использования электроэнергии у такой системы на 20% выше, чем у стандартных центров обработки данных, занимающих по 3000 м2 площади.

Кен Брил, глава консалтинговой организации Uptime Institute, специализирующейся на способах сокращения простоев центров обработки данных, уверен, что, прежде чем потратить время на принятие мер по экономии электроэнергии и деньги на новое энергосберегающее оборудование, компании могли бы предпринять ряд менее дорогостоящих мер, а именно: выключать неиспользуемые серверы и улучшать вентиляцию центров обработки данных. Однако в будущем, по прогнозам Скарамеллы, компании будут обращаться к новым подходам по мере роста энергопотребления и увеличения счетов за электроэнергию.

«Парадоксально, но повышенная эффективность использования электроэнергии компьютером может привести к увеличению энергопотребления элементов его внутренней инфраструктуры, — отметил Миллз. — Эффективность энергопотребления снижает расходы на электроэнергию, что делает компьютеры и другие устройства более привлекательными для широкого круга потребителей, а следовательно, увеличивая потребность в электроэнергии. Даже несмотря на то, что оборудование могло бы быть более продуктивным, с точки зрения экономии электроэнергии компании будут закупать его в таких количествах, что общее энергопотребление будет расти».

«Возможно, однажды эффективность станет расти быстрее потребности, и тогда мы покончим с сокращением энергопотребления», — заключил Миллз.

George Lawton. Powering Down the Computing Infrastructure. IEEE Computer, February, 2007. IEEE Computer Society, 2007. All rights reserved. Reprinted with permission.