Джоуль правит миром

В 2008 году в структуре исследовательского подразделения HP Labs появилась новая единица – лаборатория по созданию экологичной экосистемы ИТ, которую возглавил почетный сотрудник HP Чандракант Патель. Вопросами энергоэффективности инфраструктуры центров обработки данных Патель занимается в HP Labs с начала 90-х годов, а в 1991 году возглавил работы по изучению особенностей охлаждения и корпусного монтажа микропроцессора Wide Word, результаты которых были использованы при создании Intel Itanium. Патель также стал инициатором исследований в области интеллектуальных ЦОД, в основе которых лежало представление о центре обработки данных как об управляемой вычислительной системе, обеспечивающей динамическое выделение ресурсов по требованию. Эти работы заложили фундамент для разработки продуктов и сервисов HP по реализации предложенной компанией концепции – адаптивной инфраструктуры.

Чандракант Патель является почетным членом Института инженеров по электротехнике и радиоэлектронике (IEEE), автором свыше ста патентов. Весной 2010 года он побывал в Москве и Санкт-Петербурге и принял участие в конференции по облачным вычислениям, организованной в рамках научно-образовательной программы «Университетский кластер».

Что означает понятие экологичная экосистема ИТ?

Экосистема ИТ – это миллиарды портативных устройств, используемых для доступа, и тысячи ЦОД. Создавая два года назад нашу лабораторию, мы ставили перед собой цель понять, как использовать экосистему ИТ таким образом, чтобы минимизировать потребление доступной энергии. Как соединить возможности экосистемы ИТ и других ресурсов: транспортных, промышленных, городской инфраструктуры, чтобы обеспечить меньшее потребление энергии и получить совокупный положительный эффект для окружающей среды.

Использование экосистемы ИТ для управления самыми разными типами ресурсов открывает новые возможности для бизнеса, например развитие новых подходов к развертыванию городской инфраструктуры. Если установить сенсоры по всему городу, то с них можно будет собирать информацию и гарантировать, что мы потребляем не более, чем необходимо, воды, электричества и т.д. Таким образом, задача нашей лаборатории состоит в поиске таких путей использования экосистемы ИТ, которые обеспечат положительное влияние на окружающую среду и предоставят HP новые возможности для развития своего бизнеса.

По каким направлениям идут исследования в сфере экологичной экосистемы ИТ?

Мы развиваем три ключевые области исследований. Во-первых, создание инструментария, который позволяет анализировать экологичность того или иного продукта еще на этапе его проектирования. Это даст возможность понять, откуда приходят исходные материалы, каким образом продукт будет производиться, функционировать и утилизироваться, и исходя из этих данных предложить такой дизайн продукта, который гарантирует наименьшее энергопотребление. В качестве основной метрики для такого анализа используется джоуль – минимум джоулей потребленной энергии определяет лучший дизайн. Например, может быть запланировано, что поставки комплектующих будут идти из Индии, производство размещено в Китае, а использоваться продукт будет в России. Но, возможно, исходя из количества потраченной энергии лучше было бы производить, использовать и утилизировать продукт в России?

Таким образом, мы получаем возможность выявить наилучший вариант построения жизненного цикла продукта с точки зрения энергопотребления еще на этапе проектирования. Сегодня же мы сначала проектируем продукт, а потом изучаем готовое изделие на его «зеленость».

Такой инструментарий в нашей лаборатории уже создан и постепенно находит практическое применение. Например, мы выяснили, что для ноутбука 80% потребляемой энергии как бы уже встроено в него – приходится на производство и утилизацию, и только 20% идет на этап использования. Для сервера в ЦОД ситуация обратная – 80% энергии расходуется в процессе использования и 20% встроено. Мы пытаемся выяснить, какие продукты на каком этапе своего жизненного цикла потребляют больше энергии, и учитывать это при их проектировании.

Вторая область исследований относится к архитектуре центров обработки данных – как спроектировать ЦОД, который будет потреблять наименьшее количество джоулей на этапе создания и в процессе эксплуатации. В HP Labs ведется большой объем работ в этом направлении, в частности исследуются возможности использования собственных локальных ресурсов ЦОД для снабжения его энергией, например, за счет солнца, отработанной воды и т.п., а также разрабатываются средства автоматизации, гарантирующие минимальное потребление энергии.

Мы используем уже упоминавшийся пакет инструментов для анализа того, какая энергия требуется на разных этапах жизненного цикла ЦОД, чтобы спроектировать его с минимальным потреблением энергии. Когда мы переходим с этапа проектирования к этапу функционирования центра обработки данных, нам нужна динамическая система контроля, которая будет предоставлять только действительно необходимые объемы ИТ-ресурсов, электроэнергии и системы охлаждения, ни больше ни меньше. Объединив инструментарий проектирования, позволяющий учесть энергозатраты на протяжении жизненного цикла ЦОД, и динамическую систему контроля за его работой, мы получим полностью управляемый с точки зрения энергосбережения центр данных.

Третья область исследований направлена на изучение возможностей использования той же архитектуры, которую мы получаем для экологичного центра обработки данных, при проектировании новых городов, в управлении энергией и другими ключевыми ресурсами, необходимыми городскому населению в его повседневной жизни: энергетика, транспорт, здравоохранение, водоснабжение, отходы – все это ключевые компоненты городского хозяйства. Мы исходим из предположения, что все то, что мы делаем для центров обработки данных, может быть использовано и для более масштабных экосистем, то есть можно использовать методы проектирования на базе жизненного цикла в строительстве зданий, повсеместно применять сенсоры для управления городским трафиком, водными системами и электроснабжением. Так мы представляем себе создание городов будущего, если бы начинали с нуля или поставили задачу реализации кардинальных усовершенствований городского хозяйства. Эта задача очень актуальна, поскольку многие городские здания, например Москвы, построены 50-100 лет назад, и необходимо думать о том, как их реконструировать для будущих поколений.

На чем больше фокусируются ваши исследования – на разработке программного обеспечения или создании нового оборудования?

Мы занимаемся и тем и другим, но ресурсы распределяются неравномерно. В моей команде 17 человек, из них один или два сотрудника изучают аппаратный дизайн локальных энергетических сетей ЦОД, так называемых «микрогридов». Проектирование центров обработки данных с учетом жизненного цикла и исследования в области повсеместно размещаемых сенсорных устройств относятся к области аппаратного обеспечения. В США очень трудно собрать коллектив специалистов с хорошими знаниями, необходимыми в сфере проектирования оборудования. Очень трудно найти таких специалистов, поскольку большинство предпочитают заниматься программным обеспечением.

Исследования в области программного обеспечения направлены на создание средств обнаружения знаний и системы автономного контроля центра обработки данных. Для решения этих задач мне не нужны люди, которые пишут приложения типа социальных сетей и др., мне необходимы специалисты с образованием в области механического проектирования. Последний сотрудник, которого я принял на работу, является магистром механики и доктором философии в области компьютерных наук. Мы создаем программные системы, которые получают информацию от различных устройств, таких как компрессоры, насосы, и анализируют их поведение, эффективность работы, прогнозируют возможный выход из строя и т.д. То есть мы занимаемся углубленным анализом данных о физических объектах, а не о том, кто что собирается покупать или где проводить отпуск. Поэтому мне нужны смешанные квалификации в области ПО – механическое проектирование, электрическое проектирование, проектирование энергосистем, электроника, компьютерные науки. Для меня самая большая проблема – найти людей с такой синергией знаний. Сегодня очень нужны новые учебные программы подготовки таких специалистов.

Ключевой фигурой в моей команде является также специалист с экономическим образованием – ни один продукт вам не удастся продать просто потому, что он «зеленый», всегда необходимо экономическое обоснование. Наш экономист проводил, например, исследования, как влияет на стоимость конечного продукта налог на выбросы углекислого газа, которым облагается производитель.

Реализует ли ваша лаборатория какие-либо специальные программы сотрудничества с университетами для решения кадровой проблемы?

Мы сотрудничаем со многими университетами в США и других странах мира в проведении исследований, например, в области обнаружения знаний. Но более важно для нас сотрудничество по формированию новых учебных программ — для создания экологичных инфраструктур в центрах обработки данных и в городах нам будут необходимы тысячи специалистов с синергетическими знаниями. Сегодня таких специалистов катастрофически не хватает, и их подготовку необходимо начинать прямо сейчас. Только что мы открыли новый курс в Университете Санта-Клары, и меня очень вдохновляют наши возможности в России, где накоплен гигантский объем знаний в области физики. Необходимо раскрыть этот потенциал, начать создавать сообщество людей, которые обладают такими знаниями и компетенциями в ИТ, привлекать к работе в университетах квалифицированных инженеров и ученых, которые сейчас на пенсии, создавать новые учебные программы в ведущих технических вузах.

Проблема нехватки специалистов для нас самая острая. Если вы умеете программировать, вы выложите свои разработки в Интернет и начнете получать деньги, но если вы специализируетесь в механическим проектировании, понадобится гораздо больше времени, прежде чем вы сможете получать материальную отдачу от своего труда. Поэтому, хотя в университетах учат фундаментальным наукам, выпускники идут заниматься разработкой ПО и забывают основы. В эпоху доткомов множество блестящих инженеров бросились разрабатывать Web-приложения, чтобы быстро получать деньги. Сейчас необходимо вернуть авторитет фундаментальным знаниям. Мы должны постоянно говорить об этом.

Почему энергоэффективность, вопросы экологии приобрели такую актуальность именно сегодня?

Я еще в середине 90-х годов начал говорить о том, что энергия – важнейший ресурс, которым надо управлять, но тогда проблема потерь еще мало кого волновала. Сегодня она стала важней по двум причинам. Во-первых, тема энергосбережения интересует сегодня всех по экономическим соображениям. Во многих местах, например в Индии, Китае, Великобритании, стоимость электроэнергии растет и становится существенной частью общей стоимости владения. В лаборатории HP Labs в Индии мы построили центр обработки данных, который работает на дизельном генераторе, что позволяет значительно снизить потребление дорогой энергии, то есть повысить эффективность ЦОД.

Другая причина – глобальный интерес к окружающей среде. Я не использую слова «зеленый», а предпочитаю ему понятие «дизайн жизненного цикла с минимальным потреблением джоулей». Это универсальная метрика. В мире есть небольшие страны, где ресурсов уже совсем не осталось, поэтому интерес к энергоэффективности будет продолжать расти.

Наша встреча проходит на конференции по облачным вычислениям – что лично вы вкладываете в это понятие?

Для меня облачные вычисления – это возможность решить фундаментальные задачи сообщества по улучшению жизни людей. Возьмем, например, частного торговца овощами в Индии, который сам развозит свой товар. Я пользуюсь его услугами, делая заказ из дома по мобильному телефону. Он конкурирует с большими магазинами, которые используют ИТ для оптимизации своих цепочек поставок. Я с ним беседовал, он тоже хотел бы иметь возможность обращаться к ИТ для этих целей, но не может себе это позволить. Облачные сервисы позволят снизить стоимость подобных услуг, сделать их доступными.

Могут ли облачные принципы реализации инфраструктуры помочь планете стать экологичнее?

Облачные сервисы должны обеспечивать положительный эффект для окружающей среды, а это зависит от центра данных, в котором они поддерживаются. Поэтому мы и создали лабораторию по экологичной экосистеме ИТ, задачами которой являются исследования по созданию ЦОД с наименьшим потреблением энергии и распространение полученных методик на построение глобальных инфраструктур, оказывающих на окружающую среду влияние гораздо большее, чем ИТ.

Среди областей ваших исследований вы назвали обнаружение знаний. Что под этим подразумевается?

Мы можем получать информацию с различных сенсоров, но не знаем, что с ней делать. В ЦОД есть информация о приборах электропитания и охлаждения, в городах мы получаем данные о системе энергоснабжения, дорожном трафике, транспорте, расходе воды. Использовать эту информацию, анализировать ее, чтобы эксплуатировать оборудование более эффективно, продлевать срок его службы – это и есть обнаружение знаний. В эпоху Интернета активно используется наука обнаружения знаний, но для чего? Чтобы узнать, в какой магазин вы ходите, что покупаете, кто ваши друзья, что вы сейчас делаете. Выявляются шаблоны вашего мышления, поведения на основе той массы информации, которую вы сами размещаете о себе на различных сайтах и в социальных сетях.

Обнаружение знаний в области энергоэффективности позволяет исследовать данные, например, о том, как работает насос, все ли с ним нормально или возможна авария. В центре обработки данных HP Labs в Бангалоре установлено пять гигантских охлаждающих установок – три водных и два воздушных чиллера, но вода в Индии является ключевым ресурсом, и нашей задачей было минимизировать ее потребление. Для этого были созданы шаблоны работы чиллеров: собираются и анализируются данные со множества сенсоров (почти с 7,5 тыс.), на основе этих показателей строят шаблоны и ищут наиболее эффективный, который позволяет использовать наименьшее количество воды. Так мы добиваемся продления срока эксплуатации чиллера, который обычно быстро выходит из строя.

Таким образом, обнаружение знаний – это исследование данных и построение шаблонов поведения, направленное на повышение эффективности. Для решения задач энергосбережения нужны исследования данных о насосах, компрессорах, автомобилях, моторах, а не о поведении людей, хотя до сих пор обнаружение знаний использовалось только в этом контексте.

Для исследований в этой области, видимо, необходимы прежде всего математические знания?

Без сомнения, но также знания предметной области. Снова возвращаюсь к механике. Мне нужны люди, которые понимают поведение механических систем. Математики выделят шаблоны поведения, но они не смогут их правильно трактовать. Категоризировать эти шаблоны и выделить наиболее эффективные из них смогут специалисты по механике.

Когда могут появиться продукты НР на базе ваших исследований?

В созданном нами центре обработки данных сегодня используются продукты и сервисы, исследования по которым мы начинали в конце 90-х годов, в частности сервис оценки совокупной стоимости владения экологичным ЦОД. Обычно с момента начала исследовательского проекта до момента появления продукта проходит от трех до пяти лет. Работа над технологиями, о которых я говорил сегодня, была начата совсем недавно, поэтому понадобится примерно такой срок, чтобы реализовать продукты на их основе. Мы сами будем экспериментировать с ними в своих центрах обработки данных и искать заказчиков, которые рискнут попробовать работать с этими решениями раньше остальных.