Об энергопотреблении серверов в ЦОД

Есть несколько ключевых компонентов, которые влияют на общее количество электроэнергии, потребляемой сервером: источники питания, вентиляторы, процессоры, память, жесткие диски, порты ввода-вывода. Подобные компоненты есть как в обычных, так и в модульных серверах, но в блейд-серверах некоторые из них (например, источники питания, вентиляторы и порты ввода-вывода) совместно используются серверами на одном шасси, в то время как процессоры и другие устройства, относящиеся к системной плате, располагаются на индивидуальных «лезвиях». В зависимости от конструкции модульного сервера жесткие диски могут располагаться либо на шасси, либо на самом «лезвии».

Когда требуется узнать, сколько мощности потребляет сервер, обычно обращаются к его паспортным данным, которые нанесены на специальной плашке. Однако следует иметь в виду, что на ней указаны максимальные значения, т. е. та мощность, которая могла бы потребляться, но в действительности обычно не используется. Чтобы оценить примерные затраты на содержание серверов, напомним, что при определении энергоэффективности типичного центра обработки данных (ЦОД) используется метрика PUE (Power Usage Effectiveness), которая разработана экспертами Green Grid и обычно равна 2–2,5. PUE вычисляется как отношение количества энергии, поступающей в дата-центр, к количеству энергии, расходуемой компьютерной инфраструктурой внутри него. Таким образом, если PUE = 2,5, это значит, что из каждых 2,5 Вт, поступающих в ЦОД, только один попадает на ИТ-нагрузку (остальное – потери, затраты на охлаждение и т.п.). Заметим попутно, что благодаря современным технологиям энергосбережения значение PUE удается снизить до 1,6.

Итак, предположим, что небольшой сервер потребляет 500 Вт, а PUE для данного ЦОД равно 2, т. е. из каждых 2 Вт для сервера остается только 1 Вт. Стало быть, на входе в дата-центр требуемая мощность для одного сервера возрастает вдвое (до 1 КВт), что за один год (7 дней в неделю, 24 часа в сутки, 365 дней в году) составит 8760 КВт. При стоимости электроэнергии 11,5 центов за киловатт-час за год придется заплатить более 1000 долл. Таким образом, при эксплуатации сервера в течение трех лет стоимость счетов за электричество перевалит за 3 тыс. долл. и сравняется со стоимостью самого (небольшого) сервера или даже превысит ее.

Energy Star для серверов

Как известно, с мая этого года начнет действовать новая рейтинговая система Energy Star, которая позволит сравнивать серверы ведущих производителей по энергоэффективности. Ввести эту систему планировалось в начале года, но в управлении по охране окружающей среды EPA (Environmental Protection Agency, http://www.epa.gov) сроки несколько изменили. Спецификация Energy Star for Enterprise Servers будет охватывать серверы с числом процессоров от одного до четырех и определять целевые параметры энергоэффективности при простое и при полной нагрузке. В данной версии стандарта также уделяется внимание эффективности блоков питания и инструментам управления питанием. Последние сейчас используются недостаточно, так как многие компании опасаются их применять, считая, что это увеличивает риск отказа. Блейд-серверы в существующих спецификациях Energy Star пока не рассматриваются.

Последняя, предварительная (draft 4.0) версия доступна сейчас на Web-сайте Energy Star, причем комментарии к ней рассматриваются до 20 марта. Кстати, хорошо известный значок Energy Star на корпусах серверов размещать, скорее всего, не будут.

На прошедшей недавно выставке CeBIT корпорация Fujitsu Siemens уже представила сервер Primergy TX120 S2, построенный на процессорах Intel Core2 Duo, потребление энергии у которого снижено на 25% по сравнению с предыдущей моделью. В результате удалось добиться соответствия требованиям, изложенным в предварительной спецификации Energy Star.

Источники питания

Источники питания преобразуют напряжение 120–240 В переменного тока в постоянный с номиналами 3,3, 5 и 12 В. Для ПК эффективность подобных устройств в соответствии с Energy Star должна быть не менее 80%. Экономия на источниках питания в неменьшей степени касается и серверов. Выбирая между блоками питания с КПД 70 и 87%, за период эксплуатации можно получить экономию до 20%. Стоит еще отметить, что у серверов, работающих с нагрузкой 30–50% по мощности, энергопотери также уменьшаются по сравнению с ситуацией, когда система эксплуатируется с максимальной нагрузкой.

Вентиляторы

Еще один энергопотребляющий компонент серверов — вентиляторы. Все меньшие по размеру серверы, вмещающие несколько многоядерных процессоров, для эффективного охлаждения требуют все более скоростных вентиляторов (чтобы прокачивать все большие объемы воздуха). Эти устройства потребляют до 10–15% электроэнергии, необходимой серверу. Эффективное использование мощности возможно в случае вентиляторов с переменной скоростью, которая зависит от реальной температуры.

Процессоры

Процессор – «сердце» любого сервера и, пожалуй, наиболее энергопотребляющий электронный компонент. Сегодня крупнейшие производители таких микросхем корпорации Intel и AMD предлагают семейства процессоров с высокими показателями производительности на ватт потребляемой мощности. В зависимости от тактовой частоты двухъядерные процессоры Intel Xeon потребляют 40–80 Вт, а четырехядерные – 50–120 Вт. Интересно, что в числе первых проектов исследовательского подразделения Microsoft Cloud Computing Futures (CCF) оказалось тестирование небольшого сервера для «облачных» вычислений на базе процессора Intel Atom. Такой сервер потребляет менее 28–34 Вт, а процессор может переходить в неактивный режим, если его мощности не используются. Так, в режиме простоя энергопотребление процессора составляет всего 3–4 Вт.

Память

При определении конфигурации сервера память часто рассматривается как один из основных компонентов, определяющих реальное энергопотребление. Модули памяти довольно сильно разнятся от производителя к производителю, и их рассеиваемая мощность часто не задокументирована. Общее правило здесь такое: чем больше объем памяти на одном модуле, тем меньше мощности приходится на каждый гигабит хранения, а более быстрая память и энергии потребляет больше. Например, использование 4-Гбайт модулей вместо 1-Гбайт позволяет сэкономить более 40% мощности (22 вместо 64 Вт).

Жесткие диски

Емкость жестких дисков и плотность записи постоянно растет, а по энергетической эффективности они опережают многие другие компьютерные компоненты. Ведь, например, новым дискам в форм-факторе 2,5 дюйма требуется меньшая мощность, чем полноразмерным накопителям с форм-фактором 3,5 дюйма прошлого поколения. Скажем, жесткий диск Seagate Savvio (15 тыс. об./мин) емкостью 72 Гбайт потребляет 10 Вт. При уменьшении скорости вращения шпинделя до 10 тыс. об./мин и одновременном росте емкости до 300 Гбайт такой накопитель потребляет уже всего 7 Вт. Таким образом, показатели эффективности для этих двух устройств составляют соответственно 7,2 и 43 Гбайт/Вт.

Интерфейсы

Разнообразные порты сервера могут быть непосредственно встроены на его системной плате или устанавливаться на нее в виде плат расширения. Диапазон энергопотребления подобных устройств примерно таков: сетевые карты (1 Гбит/с Ethernet) – 3,3–22 Вт, сетевые карты (10 Гбит/с Ethernet) – 10–25 Вт, RAID-контроллер – 10–24 Вт, адаптер Fibre Channel – 5–20 Вт. В общем, на каждом таком компоненте можно при желании сэкономить несколько ватт.

Эксперты отмечают, что, внимательно сравнивая компоненты для серверов и выбирая более энергоэффективные, можно сэкономить до 40% затрат на электричество. Ведь при экономии 200 Вт мощности на один сервер в ЦОД с PUE = 2 в целом экономится уже 400 Вт входной мощности. А каждый ватт, сэкономленный на сервере, за три года эксплуатации этой системы сохранит более 50 КВт электроэнергии.