Энергоэффективность серверов: как снизить затраты на ЦОД

В организации работы серверов и центров обработки данных важнейшей задачей является повышение энергоэффективности. Сократить энергопотребление одним универсальным способом невозможно, необходим комплекс аппаратных и программных решений, а также оптимизация инфраструктуры системы. Конкретное сочетание методик оптимизации выбирают в соответствии с типом сервера, особенностями массивов данных, практическими задачами системы. Подобранные способы повышения энергоэффективности нуждаются в регулярном контроле, со временем неизбежно требуют модернизации.

Значение энергоэффективности в ЦОД

Оптимизация потребления электроэнергии в ЦОД позволяет не только сэкономить на расходе дорогостоящего ресурса, но и достичь других важных целей. Она способствует комплексному улучшению работы системы, благоприятно сказывается на функционировании ПО. С повышением энергоэффективности удается достичь следующих целей:

• снизить тепловую нагрузку на сервер;
• уменьшить нагрузку на систему охлаждения;
• снизить углеродный след;
• продлить срок службы оборудования;
• сократить расходы на аппаратное обновление.

Чем больше электроэнергии потребляет сервер, тем большие нагрузки он испытывает. Чтобы избежать перегрева устройств, важно применение мощных охлаждающих систем. Их подбор и установка всегда сопряжены со значительными материальными затратами, риск перегрева – серьезный фактор, который может привести к поломке сервера.

Если оптимизировать потребление электроэнергии, перегрев можно компенсировать без сложных аппаратных решений. Это позволит сэкономить на установке системы охлаждения, а также снизить углеродный след. Последний показатель особенно важен для ЦОД, которым нужно соблюдать строгие экологические стандарты. Сократив риск перегрева, можно значительно продлить срок службы аппаратных компонентов сервера. Оборудование будет работать надежно, риск внезапных поломок при соблюдении температурного режима минимален.

Повышение энергоэффективности благоприятно влияет на работу центра обработки данных на всех уровнях. Скорость работы, функционирование аппаратных и программных составляющих, увеличение сроков службы оборудования, отсутствие затрат на ремонт и замену компонентов – малая часть преимуществ грамотного управления энергетическими ресурсами.

Ключевые метрики оценки энергоэффективности

Прежде чем приступать к выбору методов оптимизации, стоит оценить основные показатели энергоэффективности ЦОД. Они позволят уточнить, насколько правильной является инфраструктура системы, какие ее части требуют наибольших затрат по потреблению энергоресурсов. Метрики дают общую оценку используемой энергии, конкретизируют затраты на охлаждение, дают оценку углеродного следа. Основными показателями, которые стоит оценивать для всех серверов, являются:

• PUE (Power Usage Effectiveness) – базовый показатель, который отражает эффективность использования энергии в ЦОД. Рассчитать PUE просто, для этого достаточно вычислить отношение общего энергопотребления объекта к энергопотреблению IT-оборудования. Идеальным показателем считают PUE = 1. В этом случае весь объем энергоресурса расходуется непосредственно на оборудование, потери на инфраструктуру равны нулю. Такой показатель в современных дата-центрах встречается редко, хорошим значением считают PUE в пределах от 1,1 до 1,4 единиц. Если показатель превышает значение 1,4 единицы, энергетические потери считают значительными, система нуждается в модернизации.
• DCiE (Data Center Infrastructure Efficiency) – аналогичный основному показатель, который рассчитывается как отношение энергии, которую потребляет IT-оборудование, к общему объему энергии, потребляемой ЦОД. Оптимальным для DCiE считается показатель 100%, но на практике он тоже встречается редко. Хорошим считается значение от 80 до 100%. Повысить показатель можно, модернизировав инфраструктуру, применяя современные аппаратные и программные методы усовершенствования сервера.
• WUE (Water Usage Effectiveness) – этот показатель позволяет оценить затраты, которые идут на охлаждение сервера. Для расчета значения годовой показатель потребления воды (в литрах) необходимо поделить на потребленную за этот период IT-оборудованием энергию (в кВт⋅ч). Одним из обязательных условий правильной оценки WUE является регулярное вычисление показателя, его нужно контролировать в разных условиях нагрузки. На показатель сильно влияет не только загрузка ЦОД, но и внешние условия, поэтому контролировать значение нужно с учетом таких особенностей.
• CUE (Carbon Usage Effectiveness) – с помощью этого показателя оценивают объем выбросов углекислого газа. Метрику оценивают в расчете на единицу энергии, которую потребляет IT-оборудование. Чтобы рассчитать CUE, достаточно разделить общее количество выбросов углеводорода ЦОД на общую энергию. У энергоэффективных дата-центров показатель минимален, он также свидетельствует об энергоэффективности, как и другие метрики. Высокий CUE свидетельствует о том, что система потребляет чрезмерное количество электроэнергии, наносит значительный вред экологии.

Ключевые метрики важно оценивать комплексно, только такой подход позволяет выявить истинные причины чрезмерного потребления энергоресурса, подобрать эффективные способы решения проблемы. Иногда для повышения энергоэффективности достаточно просто модернизировать инфраструктуру, в ряде случаев причиной чрезмерного потребления ресурса становится устаревшее программное обеспечение. В большинстве случаев снизить потребление электроэнергии позволяет правильная замена аппаратных составляющих ЦОД.

Оптимизация аппаратной инфраструктуры

Создание энергоэффективного сервера невозможно без грамотных аппаратных решений. Начать стоит с оптимизации расположения компонентов сервера. От того, как именно они расположены внутри корпуса, зависит правильность циркуляции воздуха. Когда она затруднена, это неизбежно ведет к перегреву системы, повышению энергозатрат на охлаждение. Правильно подобрав компоновку, зоны перегрева можно сократить. Еще несколько важных способов оптимизации аппаратной составляющей сервера:

1. Интеллектуальное управление питанием. Принцип заключается в том, чтобы тактовая частота процессора автоматически снижалась в период, когда нагрузка на ЦОД низкая. Снижение частоты влечет сокращение расходов на питание системы.
2. Установка SSD. Усовершенствовать комплектацию сервера можно, если вместо жесткого диска для хранения данных использовать твердотельные накопители. Они обладают рядом преимуществ в сравнении с HDD: потребляют меньше энергии, отличаются быстродействием, позволяют хранить большие массивы данных без потери комфорта их использования и обработки.
3. Использование надежного блока питания и системы охлаждения.

Важно понимать, что оптимизация аппаратной инфраструктуры сервера заключается не только в правильном выборе оборудования, но и в грамотной настройке компонентов. Не допускается, чтобы отдельные компоненты конфликтовали друг с другом, замедляли быстродействие, нарушали стабильность работы системы.

При выборе и настройке аппаратных компонентов стоит учитывать нагрузку на сервер, правильно оценивать форм-фактор. В ряде случаев целесообразно наличие резервных аппаратных компонентов, например, блока питания или SSD. Если установленный компонент будет работать нестабильно, выйдет из строя, его будет легко заменить.

Настройка и мониторинг аппаратной части

Когда сервер укомплектован, для повышения энергоэффективности следует уделить достаточное внимание настройке. Снизить нагрузку на процессор позволит отключение ненужных служб и процессов, которые потребляют лишний ресурс. Использование ресурсов нужно организовать в соответствии с приоритетами.

Если ЦОД использует RAID-массивы, важно предпринять достаточные меры для обеспечения их эффективной работы. Плановое тестирование дисков, а также резервное копирование данных тоже нуждается в грамотной настройке. Отличный способ повысить эффективность системы и снизить потребление энергоресурса по этому вектору – использовать контейнеризацию и виртуализацию.

Провести оптимизацию аппаратной инфраструктуры с одного этапа и выполнить все должные настройки очень сложно. После каждого этапа нововведений следует проводить мониторинг – оценивать ключевые метрики, которые отражают показатель энергоэффективности, дают сведения о том, какая часть системы требует наибольших энергозатрат. В рамках регулярного мониторинга необходимо:

• отслеживать ключевые показатели;
• анализировать логи, выявлять причины ошибок, отраженных в журналах событий;
• проводить правильную настройку оповещений о сбоях на разных каналах;
• выполнять анализ данных мониторинга, выявлять слабые стороны системы.

Правильная комплектация аппаратной части сервера выступает не как самостоятельный инструмент оптимизации, а как часть сложного комплекса. Она не даст результата без правильных настроек, грамотного мониторинга и профессионального анализа полученных данных. В регулярной модернизации нуждается любой ЦОД, и заключается она не только в замене аппаратных компонентов. Выбор и настройка программного обеспечения не менее важны, ПО следует регулярно обновлять, проверять на соответствие текущим рабочим задачам.

Современные системы охлаждения

Важнейшей составляющей сервера остается эффективная система охлаждения, подобранная в соответствии с типом оборудования, степенью загрузки системы. Одним из лучших современных решений для ЦОД считаются системы охлаждения типа VRF/VRV. Расход хладагента у них переменный, он варьируется в зависимости от степени загрузки сервера. Такая система постоянно подстраивается и корректирует интенсивность действия в соответствии с текущими задачами процессора, подбирает оптимальный охлаждающий режим для каждого этапа работы.

Альтернативой могут стать охлаждающие системы, которые функционируют на основе воды. Жидкость отличается более высокой теплоемкостью, чем воздух, поэтому процесс отведения избыточного тепла происходит быстрее. Такие системы охлаждения я не только эффективные и вносят достойный вклад в экономию электроэнергии, но и отличаются экологической безопасностью. Оба варианта универсальны, могут использоваться для серверов разных типов.

Предпочтение можно отдать гибридным системам охлаждения, которые сочетают в себе воздушный и жидкостный принцип работы. Такие решения стоит дороже, но в перспективе отличаются большим практическим потенциалом, реже требуют замены. Применяя системы с автоматическим мониторингом температуры, можно повысить эффективность контроля работы сервера в целом.

Заключение

Под энергоэффективностью ЦОД понимают оптимизацию потребления электроэнергии серверной системой. Процесс имеет исключительную важность, поскольку позволяет не только сократить затраты на электроэнергию, но и повысить рабочий потенциал оборудования. Добиться оптимизации потребления электроэнергии можно тремя основными способами:

• правильно сформировать аппаратную часть сервера;
• грамотно подобрать программное обеспечение;
• установить эффективную охлаждающую систему.

Чтобы подбирать, отслеживать и корректировать показатель энергоэффективности, нужен регулярный мониторинг основных метрик. Они позволяют отследить эффективность использования энергии в ЦОД, оценить объем энергии, которую потребляет IT-оборудование, вычислить затраты на охлаждение и дать оценку показателю выброса углекислого газа. Даже если все метрики в норме, дальнейший плановый контроль позволит своевременно выявить слабые стороны сервера, скорректировать их и вернуть энергоэффективность.