مدیریت مصرف برق مرکز داده

مراکز داده و اتاق های شبکه یک منبع کلی برق داشته که تمامی برق مورد نیاز برای نصب تجهیزات فاوا را تامین می‌کند. از دیرباز، تغییرات در مقدار برق مصرفی این تجهیزات تنها اندکی به بار محاسباتی یا نحوه عملیات وابسته بوده است.

مطابق الزامات ایجاد شده توسط کامپیوتر های نوت بوک، برق پردازنده ها به گونه ای مدیریت شده که مدت زمان پشتیبانی باتری ها افزایش یابد. تکنولوژی مدیریت برق موجب شده تا در زمان کم باری، مصرف برق پردازنده های لپ تاپ تا 90 درصد کاهش یابد. با رشد و تکامل این تکنولوژی، در طراحی سرور نیز از آن استفاده شد. نتیجه آن را می توان در سرورهای به تازگی توسعه یافته مشاهده کرد که مصرف برق در آن‌ها، متناسب با بارکاری در طول زمان، به طور چشمگیری متغیر است.

زمانی که مصرف برق در طول زمان تغییر کند، مشکلات جدید و متنوعی نیز در طراحی و مدیریت مراکز داده و اتاق شبکه پیش خواهد آمد. این مشکل تا چند سال پیش قابل اغماض و جزیی می نمود. اما در حال حاضر، مشکل قابل توجه بوده و شدت آن نیز رو به افزایش است.

نوسانات در مصرف برق ممکن است به بروز عواقب برنامه ریزی نشده و نا مطلوبی در محیط مراکز داده و اتاق شبکه منجر شود که شامل قطع توسط کلید قطع مدار ، گرمای بیش از حد و کمبود افزونگی در سیستم برق می باشد. این شرایط، چالش های تازه ای را بر سر راه افراد فعال در طراحی یا عملیات مراکز داده و اتاق‌های شبکه، قرار می دهد.

اهمیت تغییرات دینامیکی برق

در طول دهه ی90 میلادی، تقریبا تمامی سرورها مقدار نسبتا ثابتی برق مصرف می‌کردند. عوامل اصلی در تغییرات مصرف برق سرورها مربوط به چرخش در درایور دیسک ها و تغییر سرعت در فن های کنترل حرارت بود. بار محاسباتی اعمال شده بر پردازنده ها و زیر سیستم های حافظه، منجر به تغییرات جزیی در کل برق مصرفی می‌شود. تغییرات کل برق مصرفیِ سرورهای یک کسب و کار یا شرکت کوچک، در بازه‌های 5 درصدی بوده و تقریبا می توان گفت از بار محاسباتی مستقل می باشد.

کاهش قابل ملاحظه در مصرف برق نیازمند هماهنگی بین پردازنده و سیستم عامل مرکزی Mainboard، پردازنده و سیستم عامل اصلی تجهیز می باشد. در چنین سیستم با مصرف برق مدیریت شده‌ای، هر زمان کمتر از 100% پردازنده ها به کار گرفته شوند، سیستم عامل دستوری را به اجرا در آورده که پردازنده ها را در حالت کم‌مصرف قرار می‌دهد. در حالتِ کم‌مصرف، مقدار زمان صرف شده نسبت معکوسی با بار محاسباتی سیستم دارد(به طور مثال پردازنده‌ای که 20% از توان CPU را به خود اختصاص داده، 80% از زمان عملکرد خود را در حالت کم‌مصرف عمل می‌کند).

تکنیک های استفاده شده برای دستیابی به حالت کم‌مصرف، بسته به نوع پردازنده و سازنده، متغیر بوده ولی رایج ترین تکنیک ها همان کاهش یا توقف ساعت و حذف یا کاهش ولتاژ است که در قسمت های مختلف پردازنده، chipset و حافظه اعمال می شود.

اخیرا  سازندگان پردازنده ها تکنیک هایی را ارائه داده اند تا در عین حال که CPU فعالانه در حال کار است، در مصرف برق هم صرف جویی شود. این روش ها شامل تغییر در clock rateها و میزان ولتاژ اعمال شده به پردازنده جهت تطابق با بار کاری پردازنده های فعال است.

لازم به ذکر است هر تکنیکی که تحت شرایطی مصرف برق پردازنده را کاهش دهد، تنها متوسط برق مصرفی سیستم را کاهش داده، در نتیجه حداکثر مصرف بدون تغییر باقی مانده و در هر نسل جدید CPU نیز روند رو به رشدی دارد. همچنین باید توجه داشت در مقایسه‌ی درصدی، هنگامی که برق مصرفی پردازنده قسمت بزرگی از مصرف کلی سرور را به خود اختصاص می دهد، تغییر مصرف کلی ناشی از بار محاسباتی به همان نسبت بزرگتر خواهد شد. در نتیجه سرور های چند پردازند ای و سرور های دارای دیسک درایور های کم (مانند سرور تیغه‌ای) بالاترین درصد از تغییرات دینامیکی در مصرف را خواهند داشت.

در جدول 1، مقادیر واقعی از چند سرور نمایش داده شده است. این جدول نمایانگر تغییرات برق AC در اثر اعمال بار های محاسباتی متفاوت بر کامپیوتر، می‌باشد.

جدول 1: تغییرات دینامیکی برق در سرورهای واقعی

پلتفرم	پردازنده	مصرف بر در کم باری	مصرف برق در پر باری	درصد تغییرات
Dell PowerEdge 1150	Dual Pentium III – 1000	110W	160W	45%
Intel Whitebox	Pentium 4 – 2000	69W	142W	106%
IBM BladeCenter HS20 تمام شاسی- 14 تیغه	Dual Xeon 3.4 GHz	2.16 kW	4.05 kW	88%
HP BladeSystem BL20pG2 تمام شاسی- 8 تیغه	Dual Xeon 3.06 GHz	1.55 kW	2.77 kW	79%

 

مشکلات مرتبط با تغییرات دینامیکی برق

تغییرات دینامیکی در برق منجر به پیدایش گروه جدیدی از مشکلات می شود :

اضافه بار در شاخه شبکه:

بیشترین زمان عملکرد اکثر سرورها، صرف عملیات با بارمحاسباتی کم می‌شود. برای سرورهای با توان مدیریت شده، این بدان معناست که سرور کمتر از پتانسیل خود در حال مصرف برق است. هرچند بیشتر افراد فعال در نصب و نگهداری در مراکز داده و اتاق شبکه، نمی‌دانند که مصرف برق معمولی مشاهده شده در سرور ممکن است بسیار کمتر از پتانسیل آن در مصرف برق تحت بار محاسباتی بالا باشد. این موضوع می تواند موجب شود کارکنان فاوا یا اپراتورهای مرکز داده و اتاق شبکه را به طور تصادفی تعداد زیادی سرور را در یک شاخه شبکه قرار دهند.

وقتی مجموع حداکثر برق مصرفی سرورها در یک شاخه  شبکه از ظرفیت آن فراتر رود، با احتمال بروز اضافه بار روبرو خواهیم بود. در این صورت، تا زمان رسیدن به شرایطی که تعداد مشخصی سرور به طور همزمان با بار سنگین مواجه شوند، گروهی از سرورها با موفقیت عمل می‌کنند. شرایط محاسباتی که می تواند منجر به چنین اضافه باری شود، به ندرت پیش می‌آید و در نتیجه، سیستم قادر است بدون خطا برای هفته ها و حتی ماه ها با موفقیت به عملکرد خود ادامه دهد.

در طول وضعیت اضافه بار ایجاد شده در شرایطی که پیشتر ذکر شد، شاخه شبکه با جریان بالاتری از حد خود عمل خواهد کرد. یکی از مهم ترین پیامدهای این شرایط در محیط مراکز داده یا اتاق شبکه، اینست که ممکن است کلید قطع مدار، برق تجهیزات کامپیوتری را قطع کند. مشخص است که این حادثه بسیار نامطلوب خوهد بود. علاوه بر آن، از آنجا که این اتفاق در زمان بار محاسباتی بالا اتفاق می افتد، به احتمال زیاد چون تجهیزات کامپیوتری در آن واحد به تعداد زیادی تراکنش می پردازد، خطا در زمان های بسیار نامطلوبی اتفاق بیفتد.

گرمای بیش از حد:

در مرکز داده و اتاق‌ شبکه، تمامی برق مصرف شده توسط تجهیزات کامپیوتری به صورت گرمای تلف شده در خواهد آمد(تنها استثنا در این مورد سویچ‌های PoE بوده که قسمت بزرگی از مصرف خود را به کابل های اترنت تلفن VOIP، نقاط دسترسی wifi و بقیه دستگاه های مصرف کننده می فرستند). زمانی که برق مصرفی تجهیزات کامپیوتری به دلیل بار محاسباتی تغییر کند، گرمای خروجی نیز تغییر خواهد کرد.

اگر مصرف برق تجهیزات در یکی از قسمت های مراکز داده به طور ناگهانی افزایش یابد، ممکن است نقطه‌ای پرحرارت ایجاد شود. سیستم سرمایش مرکز داده ممکن است با تکیه بر اتلاف معمول انرژیT تنظیم شده باشد و دوبرابر شدن مصرف در یک ناحیه داخلی منجر به افزایش نامطلوب حرارت شده که سیستم سرمایش قادر به تعدیل آن نخواهد بود.  این امر می تواند به خاموشی تجهیزات به دلیل حرارت بیش از حد، عملکرد غیر معمول آن ها یا ساقط شدن ضمانت نامه های دستگاه ها بیانجامد.

کمبود افزونگی :

بسیاری از سرورها دو ورودی برق افزونه‌ی داشته و اکثر مراکز داده و اتاق های شبکه با دسترسی بالا، از این ویژگی در جهت ایجاد دو مسیر ورودی برق در سرور، بهره می برند. این سیستم ها قادرند با وجود هر نوع خرابیِ کامل در هر نقطه‌ی یکی از این دو مسیر، به عملکرد خود ادامه دهند. کامپیوترها به گونه ای طراحی شده اند که در طول عملکرد عادی، مصرف را به طور مساوی بین دو مسیر تقسیم کنند.

وقتی خرابی در یکی از مسیرهای برق اتفاق می افتد، تمام مصرف سرور به دیگر ورودی برق منتقل می شود. این به معنی دو برابر شدن مصرف در ورودی دیگر است. به همین دلیل، شاخه مدارهای برق AC که تامین کننده‌ی برق تجهیزات در این سیستم دو مسیره هستند، همواره می بایست تا کمتر از 50% ظرفیت جریان بارگذاری شوند تا ظرفیت باقیمانده ی آنها به اندازه ای باشد که در صورت لزوم وارد عمل شود.

وقتی مصارف برق دینامیکی بوده، اطمینان از مصرف ا کمتر از 50% از ظرفیت در شاخه شبکه نیز، کاری بسیار دشوار خواهد بود. ممکن است سیستم در زمان نصب تست شده و عملکرد شاخه شبکه آن در حوزه ی امن کمتر از 50% ظرفیت تایید شود و سپس، در آینده حین مواجهه با بار محاسباتی بالا، در میزان بالاتر از 50 درصد ظرفیتش عمل کند.

اگر در یک سیستم دو مسیره، مصرف شاخه شبکه بالاتر از 50% ظرفیتش شود، در این حالت افزونگی سیستم از دست می‌رود. در این حالت اگر یکی از ورودی‌های برق از کار بیفتد، دیگری سریعا با اضافه بار مواجه شده و کلید قطع کننده‌ی شبکه همان طور که در قسمت قبل توضیح داده شد، وارد عمل خواهد شد. همچنین چون این اتفاق در زمان بار محاسباتی بالا رخ خواهد داد، احتمال زیادی وجود دارد که چون تجهیزات کامپیوتری به تراکنش های بالایی می پردازند، کمبود افزونگی در زمان های مشخصا نامطلوبی پیش بیاید.

رویارویی با مشکل:

تجهیراتی که دارای مصرف دینامیکی برق هستند ممکن است تنها قسمت کوچکی از کل مصرف برق در یک مرکز داده یا اتاق شبکه را تشکیل دهند. اگر 5% از تجهیزات در مرکز داده، مصرف دینامیکی با نسبت 2 به 1 و مابقی مصرف دائم و ثابت داشته باشند، شاخص اندازه گیری مصرف مراکز داده در ورودی برق یا PDU ممکن است تنها تا 2.5% تغییر کند.  این امر ممکن است موجب شود که اپراتورها تصور کنند هیچ مشکل قابل توجهی در تغییرات دینامیکی برق پیش نیامده در حالی که در واقعیت، ریسک بزرگی از نظر بروز قطع شدن توسط کلید قطع مدار، گرمای بیش از حد یا کمبود افزونگی وجود دارد. در نتیجه، احتمال آن بوده که مشکلات وجود داشته ولی توسط اپراتورهای با تجربه درک نشده باشند.

مدیریت تغییرات دینامیکی برق

برای کاهش مشکلات ذکر شده در قسمت قبل، طراحان و مدیران مراکز داده یا اتاق شبکه می بایست با واقعیات جدید در مصرف دینامیکی برق خود را وفق دهند. برای این منظور، راهکارهای متعددی وجود دارد و برخی از آن ها در ادامه بررسی شده است:

شاخه شبکه‌ی جداگانه برای هر سرور:

چنانچه برای هر سرور یک شاخه شبکه جداگانه فراهم شود، دیگر اضافه باری در این شاخه شبکه‌ها اتفاق نخواهد افتاد. این امر ناشی از آنست که هر سرور به گونه ای طراحی شده که  با یک شاخه شبکه اختصاصی کار کند. این شرایط هر دو مشکل اضافه بار شاخه شبکه و کمبود افزونگی را حل می کند. ولی مشکلات ناشی از گرمای بیش از حد همچنان باقی بوده و البته به طور معمول، هیچ یک از این ها، بزرگترین ریسک محسوب نمی‌شوند.

اگرچه در زمانی که سرورهای کوچکی مانند 1U و 2U مورد استفاده قرار گیرند، این راه حل بسیار پیچیده و گران بوده چرا که این امر نیازمند تعداد زیادی شاخه شبکه برای هر رک خواهد بود. در بالاترین حالت، هر رک با سرورهای 1U دو هسته ای پر شده که با 84 شاخه شبکه از دو تابلو توزیع با کلید قطع تغذیه می شود. این راه‌کار در زمان استفاده از سرورهای بزرگتر یا سرور های تیغه‌ای کاربرد بیشتری خواهد داشت.

ایجاد استاندارد حاشیه امن برای بدترین حالت و سنجش انطباق در زمان نصب

بیشتر اپراتورهای مراکز داده یا اتاق شبکه دارای استاندارهایی برای حاشیه بارگذاری بوده که به طور معمول، بخشی از مصرف کلی ظرفیت شاخه شبکه را شامل می شود. مقادیر انتخاب شده معمولا بین 60 تا 80 درصد از ظرفیت اسمی شاخه شبکه بوده که مقدار 75% به عنوان یک تعادل منطقی بین ظرفیت برق، قیمت و دسترسی در نظر گرفته می شود. در اعتبارسنجی انطباق با استاندارد، مصارف واقعی شاخه شبکه جهت اطمینان از انطباق با استانداردها اندازه گیری می شوند. باید توجه شود که وقتی سیستم شاهد تغییرات دینامیکی در مصرف برق بوده، این روش مشکلی اساسی داشته چرا که تعیین بار محاسباتی در زمان اندازه‌گیری دشوار خواهد بود. در حالت ایده آل، یک بار محاسباتی سنگین بر تجهیزات محافظت شده در زمان اندازه گیری اعمال می شود تا از انطباق در بدترین حالت اطمینان حاصل شود.

ایجاد استاندارد حاشیه امن برای بدترین حالت و کنترل انطباق

در حالتی دیگر، فهرستی دقیق از تجهیزات متصل به هر شاخه شبکه نگه داشته شده و حداکثر مصرف اندازه گیری شده یا اعلام شده توسط سازنده ی تجهیزات نیز نگهداری و مجموع آن محاسبه شده تا از عدم بروز اضافه بار در شاخه شبکه اطمینان حاصل شود. اطلاعات مرتبط با مقدار بیشینه‌ی مصرف، در تجهیزات مختلف را می توان از طریق تولید کننده‌ی هر دستگاه (که عموما مصرف اعلام شده بیشتر از حد واقعی عنوان می شود) یا از برنامه های انتخاب UPS مانند www.schneider-ITB.ir ، به دست آورد.

نگهداری فهرست دقیق شاخه شبکه‌ها، رویکرد رایجی در مراکز داده‌ی بزرگ با دسترسی بالاست. هرچند، لازمه‌اش آنست که اپراتورها به دقت بدانند در هر زمانی چه چیزی به هر شاخه شبکه متصل است. برای اکثر اتاق های شبکه و مراکز داده‌ی کوچک‌تر، کنترل کافی بر کاربرها اعمال نشده تا از عدم جابجایی یا تعویض تجهیزات شده یا اتصال به پریزی متفاوت، اطمینان حاصل شود. به همین دلیل این راهکار در بسیاری موارد عملی نمی باشد.

در صورت افزایش برق دینامیکی، این حاشیه ها می توانند کاهش یابند. به طور مثال، مشخصات حاشیه امن ممکن است چنین باشد که در حالت عملکرد بی باری دستگاه ، مصرف سنجش شده‌ی مدار نباید از 35% ظرفیت شاخه شبکه فراتر رود.

ایجاد حاشیه امن در استانداردهای برای بدترین حالت و نظارت برانطباق مداوم

در این حالت، حاشیه امن ایجاد شده و تمامی شاخه مدارها به طور مداوم توسط یک سیستم نظارت اتوماتیک تحت نظر قرار می گیرد. زمانی که مصرف شاخه مدارها به محدوده ی حاشیه امن وارد می‌شود، هشدارهایی فرستاده خواهد شد. به طور مثال، در حالت استفاده از 60% مصرف استاندار شاخه مدار، وقتی مصرف از 60 درصد بیشتر شود، هشدارها می بایست فرستاده شوند.‌ حاشیه امن به گونه ای تعیین شده که اپراتورها پیشاپیش هشدارهای قابل توجهی در مورد محدوده ی مشکل دار دریافت کرده و  قادر باشند پیش از بروز جریان اضافی، اقدامات اصلاحی را آغاز کنند.

این روش می تواند در پیوند با دیگر روش هایی که پیشتر توضیح داده شد، مورد استفاده قرار گیرد. بزرگترین مزیت این روش قابلیت اجرا در شرایطی است که کاربران ممکن است تجهیزات را نصب یا جابجا کرده یا بدون اطلاع مدیر مرکز داده، دستگاه را به پریز متفاوتی متصل کنند، که این امر در اتاق های شبکه، تسهیلات هم مکانی و مرکز داده با امنیت متوسط، بسیار رایج می باشد. این رویکرد همچنین می تواند از احتمال کمبود افزونگی نیز افراد را آگاه سازد. این روش یکی از قدرتمندترین ابزارهایی است که مدیر مراکز داده می تواند برای مدیریت تغییرات دینامیکی در برق، در محیطی که دائما در تغییر است، به کار گیرد.

نتیجه‌گیری

درصد مصارف فاوا در مراکز داده یا اتاق های شبکه، که بیانگر مصرف برقی است که به طور چشمگیری متناسب با بار تغییر می کند، در طول زمان رو به افزایش است. این شرایط منجر به بروز مشکلات غیر قابل پیش بینی برای اپراتورها در زیرساخت های مراکز داده خواهد شد. رویه هایی که پیش از این برای به حداقل رساندن ریسک بروز اضافه بار به کار گرفته می شد، می بایست با این واقعیات جدید مطابقت یابند. در راه اطمینان از دسترسی به تسهیلات موجود و جدید که در آن سرورهای متعددی نصب خواهد شد، برنامه ریزی مناسب و نظارت بر برق شاخه مدار، امری حیاتی خواهد بود.