Быть или не быть энергоэффективности?!

Строили, строили и, наконец, построили…

Чтобы построенный ЦОД помогал вашему бизнесу, а не тормозил его развитие, дата-центр должен обладать определенным набором характеристик. Если об этом не задумываться, то вскоре вы вернетесь к тому уровню развития своей ИТ-инфраструктуры, который был в самом начале вашей деятельности, – простому набору оборудования.  И первое, о чем стоит позаботиться,  – это возможность масштабирования. С ростом компании появится необходимость наращивания мощности, поскольку неприменно возникнет необходимость запускать новые приложения для выполнения большего объема задач.

Допустим, с первым требованием к дата-центрам вы разобрались. И вроде бы все неплохо. Но…. Растет количество процессов – растут мощности. Увеличение мощности означает, что количество потребляемой электроэнергии начинает «ползти»вверх. Если площадь помещения или количество оборудования/процессов еще можно масштабировать, то расход электроэнергии – довольно проблематично. Помимо того, что это приведет к увеличению операционных расходов (OPEX), количество энергии на единицу площади в каждом конкретном случае фиксировано и довольно быстро выбирается большим ее потреблением. Как избежать существенного увеличения накладных расходов и довольно быстрого истощения источника энергии? Нетривиальная задачка, не правда ли?! И поэтому второй характеристикой дата-центра должна предусмотрительно стать энергоэффективность. Дело в том, что помочь реализовать все ваши стратегические планы по развитию компании, а, следовательно, и масштабированию ИТ-систем смогут энергосберегающие решения.

Снизить эксплуатационные расходы, если что-то уже построено, с технологической точки зрения очень сложно. А если говорить об энергопотреблении – почти невозможно, поскольку этот вопрос лежит в сфере установки более технологичных систем, а значит, придется менять оборудование, останавливать функционирование ЦОД и как результат – бизнес-процессы компании. Все это крайне нецелесообразно. Есть шанс значительно снизить расходы на персонал, автоматизировав некоторые процессы, уменьшить стоимость аренды, но вот вопросом энергоэффективности следует озаботиться еще на этапе подготовки ТЗ.

Не стоит забывать и про соответствие решения принятым в этой области стандартам, а также параметрам отказоустойчивости и надежности, которые также существенным образом влияют на дальнейшее функционирование вашего дата-центра. Согласно стандарту TIA-942 все ЦОД могут быть отнесены к одному из четырех TIER (TIER 4 – самый высокий уровень надежности). И так как все организации играют на одном из внутренних или мировых рынков, для успешной и эффективной деятельности они должны принимать правила игры, в том числе и на соответствие нормативным требованиям технологических стандартов ЦОД. Это позволяет подтвердить надежность своих ИТ-систем и непрерывность работы сервисов, что, безусловно, важно для партнеров компании и бизнеса в целом. Именно поэтому при разработке решения нельзя допускать грубых несоответствий требованиям, которые впоследствии приведут к приостановке работы систем, и вы начнете терять деньги и, возможно, репутацию надежного партнера.

Таким образом, получается, что развитие ЦОД зависит от возможности масштабирования, которая в свою очередь напрямую связана с количеством доступной электроэнергии. К тому же, любая компания старается оптимизировать свои расходы вне зависимости от экономической ситуации в целом. По статистике, большую часть эксплуатационных расходов составляют затраты на электроэнергию (см. рис. 2 ). Можно сократить затраты на аренду, автоматизировать процессы, тем самым уменьшив расходы на персонал, а вот тарифы на электричество фиксированы, мощности конечны.

Поэтому сегодня все больше говорят о применении энергоэффективных систем, которые дают возможность не только масштабировать, а значит развиваться, но и позволяют минимизировать расходы на содержание ЦОД. Все время приходится балансировать – увеличивать мощности, но при этом экономить. Решение такой задачи может состоять из двух частей. Первая – снижение потребление энергии за счет более рационального использования пространства (оптимальное расположение пространства), уменьшения потерь тепла, холода. Вторая – применение энергоэффективных решений, активное использование окружающей среды (энергия солнца, волн, ветра, реверсивные технологии – отопление близстоящих зданий теплом, которое вырабатывает ЦОД). К тому же более рационально использовать вычислительные мощности, а значит, и оптимизировать затраты на их обслуживание, помогает эффективный мониторинг. ЦОД – не статичный организм, это постоянная динамика, которая подразумевает периодическое изменение каких-либо параметров и характеристик. В процессе эксплуатации, мы можем нарушить определенный баланс системы, как следствие – появляется оборудование, которое перестает быть задействованным в тех или иных процессах, но при этом оно продолжает потреблять энергоресурсы. Узнать об этом можно только с помощью мониторинга, который позволяет отследить такие моменты и помочь исправить ситуации, сэкономив при этом средства на «холостые патроны».

«Гори, гори ясно, чтобы не погасло…»

Итак, каковы же основные потребители энергии, оптимизацией работы которых стоит заниматься в первую очередь? Системы кондиционирования из них самые прожорливые, поскольку расход электричества на них составляет большую часть из всего оборудования дата-центра (см. рис. 2 ). В ряды активных потребителей стоит также отнести освещение и системы ИБП, которые являются токообразующими и имеют свой КПД. Часть энергии в таких системах «теряется»за счет работы трансформаторов, а также заряда батарей, в которых происходят химические процессы. Причем на циклы зарядки/разрядки тоже расходуется энергия. КПД всего устройства в итоге составляет процентов 80%.

Освещение

Начинать рассмотрение вариантов энергоэффективных решений правильнее всего с простых систем, например, освещения. Надо сказать, что, в целом, в вопросах энергосбережения существуют два направления: первое – технологические решения, второе – источники дешевой энергии. Применительно к системам освещения отметим следующее, что согласно стандарту TIA-942, освещенность на высоте 0,8 м должна составлять 400 люкс – меньше нельзя. Поэтому заниматься сбережением энергии за счет сокращения количества источников света – неправильно. Для энергосбережения в данном случае используются диодные светильники, с помощью которых можно сэкономить довольно весомое количество энергии. А вот использование энергосберегающих ламп нежелательно, поскольку они газоразрядные, а значит, не так безопасны. К тому же, применение схем дежурного и рабочего освещения также позволяют снизить энергопотребление. А зонирование машзала позволяет с помощью датчиков включать рабочее освещение только там, где в данный момент находится операционист, что также экономит столь дорогую энергию.

Источники бесперебойного питания

Следующая система, которой стоит уделить внимание – это UPS (ИБП). Как уже говорилось, ЦОД должен иметь возможность масштабирования, как в целом, так и относительно отдельно взятых систем. Если это системы UPS, то в идеале хотелось бы плавно наращивать мощность внутри одного ИБП. Правда не стоит забывать, что это не бесконечный процесс – у этого устройства есть вполне определенный предел, за который выйти пока технологически невозможно. Поэтому существует второй способ масштабирования – наращивание количества UPS в системе. До 2008 года вендоры занимались развитием лишь одного из этих направлений, и мало кто прорабатывал оба. Наш опыт показал, что наиболее эффективным, как с точки зрения масштабирования, так и энергосбережения, является возможность сочетания этих двух вариантов. И сегодня уже есть подобные примеры. Например, продукты компании Chloride, которые позволяют проводить масштабирование как внутри блока, так и во всей системе.

Второе, что стоит учитывать при использовании UPS – КПД самого устройства, т.е. то количество энергии, которое получаешь на выходе. Дело в том, что часть поступающего электричества тратится на преобразовательные процессы, а значит, происходят его потери. КПД  – абсолютно не статичная величина и может меняться, например, в зависимости от нагрузки: чем меньше ток, тем больше потерь. Большинство вендоров указывает КПД своих решений, исходя из максимальной нагрузки, но при этом никто не гарантирует, что при меньшей нагрузке показатели сохранятся. Так как мало кто работает на максимуме, КПД таких решений почти всегда меньше заявленного (см. рис. 3 ).

Перечисленные выше особенности работы ИБП относятся к его архитектурно-техническим особенностям, но в этих устройствах есть еще и химические процессы – батареи. На их работу (зарядку/разрядку) тратится большое количество энергии, при этом химические реакции нельзя оптимизировать с точки зрения энергопотребления. Поэтому сегодня вовсю развивается направление по исключению этих процессов из UPS, например, использование динамических ИБП с применением кинетической энергии, которые вместо батареи используют маховик, вырабатывающий необходимую для работы системы энергию механическим, а не химическим способом. Конечно, у таких устройств нет большой автономии, как в случае с батареями, но за ними будущее.

Кондиционирование

Еще пару-тройку лет назад никто сильно не задумывался над распределением воздуха внутри ЦОД – дата-центры были маленькие. А ведь грамотная воздухораздача во многом экономит и без того немалый расход энергии на работу систем кондиционирования. Вообще все решения по энергоэффективности можно разделить на архитектурно-технологические (динамические UPS, значения КПД) – замена элементов аппаратной базы и структурно-организационные топологические параметры (например, расположение кондиционеров, схема холодных и горячих коридоров).

С точки зрения оптимального расхода энергии на системы кондиционирования применяется локализация воздуха в холодных и горячих коридорах, при этом забор холодного воздуха происходит из мест его концентрации. Смысл в том, что повышается эффективность использования холодного воздуха, а значит происходит экономия на кондиционировании. Существуют три способа воздухораздачи с различными комбинациями этих вариантов (см. рис. 4 ): горячие и холодные коридоры (повышают эффективность использования хол.воздуха, но происходит частичное смешивание); изолированные коридоры (высокая эффективность холодного воздуха и возможность масштабирования: комбинация оборудования с высоким и низким тепловыделением, что позволяет оптимально охлаждать наиболее «горячие» элементы ); охлаждение самой стойки (внутри стойки расположены радиаторы, которые охлаждают забранный воздух). Благодаря всему этому экономится электроэнергия, поскольку охлаждается ровно столько воздуха, сколько нужно, и в той зоне, в которой требуется. Не тратится энергия на охлаждение неиспользуемого воздуха.

К тому же, тема разделения воздушных потоков настолько развита и применима в мире, что фактически вошла в обязательные рекомендации стандарта TIA-942. Таким образом, косвенно энергосберегающие решения уже получили «прописку» в нормативных требованиях, которым придется соответствовать.
Второй вариант энергоэффективности систем кондиционирования – использование современных высокотехнологичных средств и окружения (внешней среды). Например, применение технологий free cooling, реверсивных технологий (использование тепла, выделяемого ЦОДом, для отопления рядом стоящих помещений), использование энергии ветра, солнца, волн, температуры земли. Так компаниям, которые находятся в средней полосе и севернее, можно смело рекомендовать решения по энергосбережению, связанные с охлаждением ЦОД за счет низкой температуры воздуха в зимний период (системы free cooling). Технология основана на том, что при нулевых температурах чиллеры полностью отключаются, а охлаждение происходит благодаря циркуляции воды, которая успевает охладиться снаружи и «перенести» этот холод в ЦОД. В этом случае экономия на системе охлаждения доходит до 30%. Компанией «Инфосистемы Джет» уже реализовано несколько подобных проектов, при этом результаты даже превзошли ожидания заказчика. В настоящее время появились технологии, которые позволяют функционировать таким системам при небольших плюсовых температурах, что существенно расширяет возможности по их применению.

Помимо этого совершенствуется само оборудование – производители работают над повышением КПД своих решений. А также идет активный поиск вариантов наиболее точного позиционирования холода.

Тенденции

Подвести итог разговору об энергоэффективных решениях можно, отметив тенденции развития этого направления.

Если в начале 2000-х годов необходимость услуг дата-центров была вызвана скорее безысходностью, то сегодня – критичностью непрерывности бизнес-процессов. Зависимость качества услуг бизнеса от качества сервисов ЦОД стало прозрачным. Поэтому вопрос: внедрять или нет более технологичные энергоэффективные решения просто не ставится. Если раньше компании отдавали предпочтение традиционным системам, то сегодня энергоэффективным. Это направление развивается, мы уже далеко не в начале пути. Компания «Инфосистемы Джет» начала реализовывать подобные проекты с 2004 года. Почти во всех ЦОД, которые строят наши специалисты, применяются энергоэффективные системы.

На мой взгляд, такие технологии нужны, во-первых, ИТ-ориентированным компаниям, которые зависят от своей ИТ-инфраструктуры. Поскольку сбой в работе информационных систем ведет к остановке бизнес-функций. Во-вторых, тем организациям, бизнес-задачи которых могут динамично меняться. Примером тому может служить ситуация поглощения одной финансовой организации другой. При этом построенный ранее под определенные объемы электроемкости ЦОД будет подвержен лавинообразному всплеску дополнительных прикладных сервисов и увеличению количества оборудования  – мощность потребляемой энергии вырастет. Энергоемкость превысит допустимый лимит, и как следствие, компания будет вынуждена ограничить себя в определенных сервисах и бизнес-приложениях. Именно для таких случаев нужны энергоэффективные решения, позволяющие в рамках выделенных ресурсов построить масштабируемый ЦОД, повысить его эффективность и обеспечить бесперебойный режим работы в случае форс-мажорных обстоятельств, влияющих на энергоемкость всего решения.

Есть ли спрос на такие системы? Стоит учесть следующее. Существует статистика, которая показывает соотношение капитальных (CAPEX) и операционных затрат (OPEX) на строительство и эксплуатацию ЦОД. При этом электричество в операционных затратах составляет существенную часть. Если расходы на аренду и на персонал можно оптимизировать, то затраты на электричество – никак нельзя. Именно поэтому энергоэффективные решения – панацея для снижения этой статьи расходов. Выбирая между стандартным и энергоэффективным решением, всегда стоит обращать внимание на соотношение тех капитальных затрат, которые будут заложены «сверх» для построения энергоэффективного решения, к сэкономленным операционным затратам. По статистике, после 9-го года эксплуатации при использовании стандартных технологий сумма OPEX начинает превышать заложенный CAPEX. Применяя новые энергоэффективные решения, это время можно увеличить, таким образом сэкономив свои средства. При этом срок окупаемости построенного ЦОД наступает гораздо раньше (см. рис. 5 ).

Конечно, применение энергоэффективных решений – это всегда удорожание проекта. И каждый раз необходимо просчитывать не только сегодняшние затраты, но и перспективу эксплуатационных расходов на ближайшие года 4. Если посчитать окупаемость ЦОД без операционных расходов (как это часто и происходит) и без применения энергосберегающих решений и сравнить с показателями окупаемости энергоэффективного ЦОД, но с учетом эксплуатационных расходов, получится, что сроки окупаемости одинаковы. Просто нужно очень внимательно просчитывать все варианты и менять свое отношение к подобным системам. В России, к сожалению, все еще не привыкли относить энергопотребление к критериям надежности всего решения. Хотя во всем мире энергоэффективный подход стал нормой. Если компания хочет развиваться, участвовать в крупных проектах и работать с западными партнерами, придется принимать условия игры и соответствовать мировым требованиям.