مطالب ویژه مقاله‌ها

شبیه‌سازی بهره‌وری الکتریکی برای مرکزداده

مقالهٔ شبیه‌سازی بهره‌وری الکتریکی برای مرکز داده
آئین‌نامهٔ مهندسی مرکزداده:
ترجمهٔ فارسی مقالات نیل راسموسن
در APC White Papers
مقاله ۱۱۳: شبیه‌سازی بهره‌وری الکتریکی برای مرکزداده

شبیه‌سازی بهره‌وری الکتریکی برای مرکزداده [1]

مقدمه

بهای تمام‌شدهٔ زیرساخت فیزیکی مرکزداده (DCPI) ـ[2]، در بازهٔ ۱۰ ساله به‌ازای هر رک،  ۸۰ تا ۱۵۰ هزار دلار است. بخش مهمی از این مقدار یعنی تقریبا ۲۰ درصد را هزینهٔ مصرف برق تشکیل می‌دهد. [3] این مقدار چشمگیری است زیرا بیشتر مصرف برق به‌شکل گرما از میان می‌رود؛ در حالی که می‌توان جلوی به‌هدر رفتن آن را گرفت. مصرف برق کل مراکزدادهٔ جهان، در هر سال تقریبا ۴۰ میلیارد کیلووات ساعت است. ازاین‌رو کاهش هدررفت در مصرف برق، به همان اندازه که هزینهٔ مرکزداده را افزایش می‌دهد، از دید منافع عمومی نیز موضوع شایان توجهی به شمار می‌رود. [4]

هزینهٔ مصرف برق، بخش مهمی از بهای تمام‌شدهٔ مرکز داده است
شکل ۱ – مقاله ۱۱۳

شکل ۱: هزینهٔ مصرف برق بخش مهمی از بهای تمام‌شدهٔ مرکزداده است

مدل‌های سادهٔ معمول در سنجش بهره‌وری مرکزداده، هدررفت برق را به‌مقدار زیادی کمتر از اندازهٔ واقعی برآورد می‌کنند. ادعا دربارهٔ بهبود بهره‌وری (Efficiency)، همواره بسیار بیشتر از آن مقداری است که انتظار می‌رود. در این مقاله مدل بهبودیافته‌ای معرفی می‌شود که در تعیین هدررفت مراکزداده، دقت بیشتری دارد و امکانات موجود در بهبود مصرف انرژی را شناسایی می‌کند.

«بهره‌وری مرکزداده» چیست؟

«بهره‌وری» در دستگاه‌ها یا سیستم‌ها، آن مقدار از ورودی است که تبدیل به «نتیجهٔ مطلوب و مفید» می‌شود. «ورودی» در اینجا برق یا سوخت یا هر چیزی است که کارکرد را ممکن می‌سازد. غیر از نتیجهٔ مطلوب هر چیزی که از ورودی‌ها ناشی شود، «هدررفت» محسوب می‌شود. «نسبت مقدار خروجی مفید به کل ورودی» را معمولا با درصد بیان می‌کنند. «مفید» عبارت است از نتایج مطلوبی که برای هر سیستم مشخص در نظر گرفته‌اند. نتایج مطلوب ممکن است هم به ماهیت سیستم و هم به کاربرد آن بستگی داشته باشد. برای نمونه، لامپی را در نظر بگیرید که ۵ درصد نور و ۹۵ درصد گرما تولید می‌کند. بسته به اینکه این لامپ برای نورپردازی به کار می‌رود یا برای گرمایش، می‌توان آن را با ۵ درصد بهره‌وری در روشنایی، یا با ۹۵ درصد بهره‌وری در گرمایش دانست. «خروجی مفید» نتیجهٔ منطقی و مطلوب سیستم است.

در حوزهٔ مرکزداده، بهره‌وری را به‌شکل «نسبت کل مصرف برق بر مجموع مصرف برق تجهیزات فاوا» تعریف و اندازه‌گیری می‌کنند. این روش سنجش را با نام «بهره‌وری مصرف انرژی» (Power Usage Effectiveness) می‌شناسند و یکای آن PUE است. اگر PUE مساوی ۱ باشد، بهره‌وری در مرکزداده ۱۰۰ درصد است. هرچه این عدد بزرگ‌تر باشد، بهره‌وری کلی مرکزداده کمتر است. برای نمونه، PUE مساوی ۲ یعنی مقدار مصرف برق مرکزداده ۲ برابر نیاز کارکرد تجهیزات فاوا است.

در این مقاله، مرکزداده را به‌عنوان سیستم الکتریکی شبیه‌سازی کرده‌ایم. در شرح این شبیه‌سازی اصطلاحاتی به کار رفته که ابتدا مفهوم آن‌ها را بیان می‌کنیم.

  • برق: ورودی زیرساخت‌های فیزیکی مرکزداده
  • برق مصرفی تجهیزات فاوا: خروجی مفید
  • ورودی کل: برق مصرف‌شده از نیروگاه
  • خروجی مفید: مقدار برقی که صرف رایانش می‌شود؛ معادل مقداری که تجهیزات فاوا را تامین می‌کند [5]

شکل ۲ این مدل کلی بهره‌وری مرکزداده را نمایش می‌دهد.

بهره‌وری در مرکز داده به‌عنوان «قسمتی از برق ورودی تاسیسات که به مصرف فاوا می‌رسد» تعریف شده است.
شکل ۲ – مقاله ۱۱۳

شکل ۲: بهره‌وری در مرکزداده به‌عنوان «قسمتی از برق ورودی تاسیسات که به مصرف فاوا می‌رسد» تعریف شده است.

بهره‌وری ۱۰۰ درصد در مرکزداده (PUE برابر ۱)، بدین معنی است که همهٔ برق تامین‌شده به مصرف فاوا رسیده است. ولی در عمل، انرژی الکتریکی در دستگاه‌های غیر از فاوا نیز به‌اشکال گوناگون مصرف می‌شود. چنین مصارفی ضرورت‌های اجرایی را مهیا می‌کنند و در خدمت نگهداری مناسب تجهیزات فاوا، تامین برق و سرمایش، همچنین تامین امنیت هستند تا بدین ترتیب رایانش برنامه‌ریزی‌شده عملی شود. این وظایفی برعهدهٔ زیرساخت‌های فیزیکی مرکزداده (DCPI) است. ترانسفورماتور‌ها، UPSها، کابل‌های برق، فن‌ها، دستگاه‌های تهویهٔ مطبوع، پمپ‌ها، رطوبت‌سازها، همچنین تجهیزات نورپردازی، همگی از جمله مصارف زیرساخت فیزیک هستند. برخی از این دستگاه‌ها مانند UPS و ترانسفورماتور، با مصارف فاوا به‌شکل سری قرار می‌گیرند؛ زیرا شکل‌دهندهٔ مسیر برق این مصارف هستند. برخی دیگر نیز همچون تجهیزات نورپردازی و فن‌ها، با مصارف فاوا به‌شکل موازی قرار می‌گیرند؛ زیرا در مرکزداده کارکردهای دیگری دارند. شکل ۳ اجزای داخلی مصرف‌کنندهٔ برق را در مدل بهره‌وری مرکزداده نمایش می‌دهد.

جزئیات مصرف برق در مدل بهره‌وری مرکز داده
شکل ۳ – مقاله ۱۱۳

شکل ۳: جزئیات مصرف برق در مدل بهره‌وری مرکزداده

مفهوم «مفید» و «هدررفت» در مدل بهره‌وری مرکزداده

در مدل بهره‌وری، هرآنچه بنا به تعریف «خروجی مفید» نباشد، «هدررفت» به شمار می‌رود. روشن است که زیرساخت فیزیکی افزون بر فاوا، برق مصارف دیگری را نیز تامین می‌کند. شکل ۳ آن‌ها را در بخش زیرساخت نشان می‌دهد. برخی معتقدند خروجی مفیدِ زیرسیستم‌های زیرساخت فیزیکی (همچون سرمایش یا نورپردازی) را نیز باید قسمتی از «خروجی مفید» مرکزداده به شمار آورد.

این مسئله را باید در چهارچوب مرجع [6] بررسی کرد. موضوعِ تحلیل ما «بهره‌وری کلی مرکزداده در تولید خروجی مفید» است که همان «رایانش» باشد. مرکزداده را نمی‌سازند تا کارهای مفید زیرساخت فیزیکی را همچون سرمایش یا اطفای حریق انجام بدهد. البته شک نیست که خروجی‌های زیرساخت فیزیکی، در عملی‌شدن امور داخلی مرکزداده برای پشتیبانی از خروجی اصلی یعنی رایانش بسیار مهم هستند؛ ولی به‌خودی‌خود «خروجی مفید» به شمار نمی‌روند. از همین رو است که مصرف برق آن‌ها را ضروری به شمار نمی‌آورند. غیر از آنچه مربوط به مسیر برق فاوا است، همهٔ فعالیت‌های زیرساخت فیزیک را در پشتیبانی رایانش مرکزداده باید نامطلوب شمرد. بدین ترتیب این موارد در مدل بهره‌وری مرکزداده هدررفت محسوب می‌شوند و باید هرچه بیشتر کاهش یابند. برای کاهش مصرف کلی برق در مرکزداده، آن‌ها را باید در موضوع طراحی‌های جایگزین و فناوری‌های جدید بررسی کرد. برای نمونه، برخی از مراکزداده‌ از سرمایش طبیعی استفاده می‌کنند و با روش‌هایی همچون چرخ حرارتی (Heat Wheels) یا صفحه و فریم (Plate and Frame Cooling) از هوای خنکِ بیرون بهره‌ می‌گیرند. با چنین روشن‌هایی می‌توان از مقدار برق مصرف‌شده در بخش سرمایش کاست و بهره‌وری مرکزداده را افزایش داد.

در این مقاله، «خروجی مفید» اجزای زیرساخت فیزیکی را در چهارچوب مرجع کوچک‌تری، به‌شکل یک‌به‌یک و با نگاهی منتقدانه تجزیه‌وتحلیل خواهیم کرد. کاهش ناکارآمدی داخلی مرکزداده (هدررفت) در مدل‌ فراگیر بزرگ‌تر، هدف این بررسی است.

برق مرکزداده کجا مصرف می‌شود؟

اگر برق «مفید» مرکزداده را طبق تعریف PUE، برق تامین‌شده برای مصارف فاوا در نظر بگیریم، بقیهٔ برق در کجا مصرف می‌شود؟ شکل ۴ به همین پرسش پاسخ می‌دهد. توجه کنید که در واقع همهٔ برق مرکزداده در نهایت به گرما تبدیل می‌شود.

مصارف برق در مرکز داده معمول
شکل ۴ – مقاله ۱۱۳

شکل ۴: مصارف برق در مرکزدادهٔ معمول

نمونه‌ای که شکل ۴ نمایش می‌دهد، مرکزداده‌ای است با پایایی (Availability) بسیار خوب، دارای دو مسیر برق که افزونگی N+1 برای دستگاه‌های CRAC دارد. این نمونه با ۳۰ درصد از ظرفیت طراحی عمل می‌کند.

در واقع کمتر از نصف برق ورودی این مرکزداده به مصرف فاوا می‌رسد. با توجه به تعریف PUE و با نظر به اینکه ۴۷ درصد از برق ورودی به مصرف فاوا رسیده است، مرکزدادهٔ شکل ۴، با PUE برابر با ۲٫۱۳ عمل می‌کند.

فرصت‌های افزایش بهره‌وری مرکزداده

از سه روش زیر می‌توان بهره‌وری مرکزداده را افزایش داد:

  1. بهبود دادن طراحی داخلی دستگاه‌های زیرساخت فیزیکی، چنان‌که برق کمتری مصرف کنند.
  2. اجزای زیرساخت فیزیکی هرچه بیشتر به‌اندازهٔ واقعی مصارف فاوا نزدیک باشند (برآورد درست)، تا اجزا با بهره‌وری بیشتری عمل کنند.
  3. از فناوری‌های جدید هرچه بیشتر استفاده شود (همچون شیوه‌های سرمایش طبیعی)، تا نیاز به مصرف برق در کارکردهای پشتیبانی زیرساخت فیزیکی کاهش یابد.
افزایش بهره‌وری مرکز داده با کاهش مصرف برق داخلی
شکل ۵ – مقاله ۱۱۳

در ادامه نشان خواهیم داد، گزینهٔ شمارهٔ ۲ برای افزایش بهره‌وری مرکزداده بهترین فرصت‌های در دسترس را فراهم می‌کند.

شکل ۵ نشان می‌دهد چگونه بهره‌وری مرکزداده با کاهش مصرف برق داخلی افزایش می‌یابد.

شکل ۵: افزایش بهره‌وری مرکزداده با کاهش مصرف برق داخلی

باورهای نادرست دربارهٔ بهره‌وری

بهره‌وری مرکزداده را می‌توان به‌شکل کمّی و با تقسیم‌ کل برق ورودی بر حاصل‌جمع تمامی مصارف تجهیزات فاوا به دست آورد. ولی روش متداول با این شیوهٔ محاسبه، تکیه بر اطلاعاتی دارد که سازندگانِ اجزای اصلی همچون UPS و CRAC، خودشان دربارهٔ بهره‌وری ارائه می‌کنند. این روش ممکن است ساده‌تر باشد؛ اما معمولا برآورد بهره‌وری که از آن به دست می‌آید، بسیار بیشتر از واقعیت است. این مسئله اطلاعات مفید احتمالی را که برای شناسایی فرصت‌های صرفه‌جویی در هزینهٔ برق به کار می‌آید، مبهم می‌کند.

بهره‌وری مرکزداده، آنچه روی «پلاک» بهره‌وری تجهیزات نوشته‌اند نیست

سازندگان برای تجهیزات برق و سرمایش، دادهٔ (Data) بهره‌وری ارائه می‌دهند. برای تجهیزات بخش برق، معمولا بهره‌وری به‌شکل درصدی است که از نسبت برق خروجی به برق ورودی به دست می‌آید. بهره‌وری برای تجهیزات سرمایش، با متغیر «ضریب عملکرد» بیان می‌شود که برابر است با نسبت گرمای دفع‌شده به برق ورودی.

سازندگان عدد واحدی را برای بهره‌وری هریک از اجزای مرکز داده ارائه می‌دهند
شکل ۶ – مقاله ۱۱۳

شکل ۶: سازندگان عدد واحدی را برای بهره‌وری هریک از اجزا ارائه می‌دهند

مقادیر بهره‌وری که سازندگان مختلف برای دستگاه‌های مشابه ارائه می‌دهند، چندان تفاوتی ندارد. بدین ترتیب دیدگاه ساده‌تری به وجود می‌آید که هدررفت کل مرکزداده را به‌معنای جمع هدررفت اجزای آن می‌انگارد. متاسفانه بررسی مراکزدادهٔ واقعی نشان می‌دهد که از این رویکرد نتایج دقیقی به دست نمی‌آید. کاربران یا طراحان با استفاده از مقادیر بهره‌وریِ سازندگان، به برآورد نادرستی از بهره‌وری می‌رسند و هدررفت مرکزداده را کمتر از آنچه هست تخمین می‌زنند.

 فرضیات اشتباه

جدول ۱ سه باور نادرست رایج را نشان می‌دهد که موجب خطای بسیار در مدل‌های بهره‌وری مرکزداده می‌شود.

به‌ویژه در بار فاوای کمتر که اغلب مراکزداده نیز چنین هستند، خطاهای اصلی با یکدیگر ترکیب می‌شوند. بدین ترتیب اشتباه در برآورد هدررفت برق مرکزداده معمولا بیشتر از یک دلیل دارد.

خوشبختانه می‌توان مشکلات پیش‌گفته را با استفاده از مدل ساده‌ای برطرف کرد و تخمین دقیق‌تری از بهره‌وری به دست آورد.

جدول ۱: باورهای نادرست متداول دربارهٔ بهره‌وری مرکزداده
باور نادرست واقعیت
۱ـ بهره‌وری اجزای برق و سرمایش، ثابت و از مصرف فاوا مستقل هستند. هنگامی که بار مصرفی در بخش فاوا کم است، بهره‌وری تجهیزات به‌ویژه دستگاه‌های CRAC و UPS، به‌مقدار زیادی کاهش می‌یابد.
۲ـ تجهیزات برق و سرمایش، مطابق مصرف پیش‌بینی‌شدهٔ طراحی یا نزدیک به آن کار می‌کنند. مصرف معمول در تجهیزات فاوا، بسیار کمتر از ظرفیت طراحی‌شدهٔ تجهیزات زیرساخت فیزیکی است.
۳ـ گرمایی که تجهیزات برق و سرمایش تولید می‌کنند، کم است. گرمای خروجی از تجهیزات برق و سرمایش، بار برودتی زیادی دارد و باید آن را در تحلیل ناکارآمدی (Inefficiency) بهره‌وری سیستم سرمایش در نظر گرفت.

مدل‌های بهبود بهره‌وری

مدل بهبودیافتهٔ بهره‌وریِ کل مرکزداده، به میزان دقت در شبیه‌سازی هریک از اجزا همچون UPS وابسته است. روش رایج این است که هنگام تعیین ویژگی‌های اجزای برق و سرمایش، به‌جای به‌دست‌آوردن بهره‌وری هریک از دستگاه‌ها، یک مقدار واحد را در نظر می‌گیرند. این روش در نصب و اجرای مرکزداده ناکارآمد است. بهره‌وری واقعیِ اجزایی همانند UPS، ثابت نیست و تابعی از مصرف فاوا است. در شکل ۷ منحنی معمول بهره‌وری UPS را مشاهده می‌کنید.

فرض نادرست ۱؛ بهره‌وری اجزای برق و سرمایش ثابت و مستقل از مصرف فاوای مرکز داده هستند.
بهره‌وری معمول UPS مرکز داده به‌عنوان تابعی از مصرف تاثیر هدررفت داخلی UPS مرکز داده بر بهره‌وری
شکل ۷ – مقاله ۱۱۳
بهره‌وری معمول UPS به‌عنوان تابعی از مصرف
شکل ۸ – مقاله ۱۱۳
تاثیر هدررفت داخلی UPS بر بهره‌وری

توجه داشته باشید که بهره‌وری UPS در مصرفِ ناچیز تا حد صفر پایین می‌آید. به این علت که بعضی هدررفت‌ها همانند هدررفت منطق کنترل (Control Logic)، مستقل از مقدار مصرف هستند. این هدررفت‌های ثابت را که از مصرف مستقل هستند، با نام‌های گوناگون می‌شناسند: فاقد مصرف، ثابت، شنت (Shunt)، خالص، هدررفت موازی. در این مقاله به آن «هدررفت فاقد مصرف» (No-load Portion Of Loss) می‌گوییم.

نمودار شکل ۸ همان دادهٔ شکل ۷ را به‌گونهٔ دیگر نشان می‌دهد. می‌بینید که هرچه مصرف کاهش می‌یابد، مقدار برق داخلی UPS (هدررفت) که بخش قرمز هر ستون است، تبدیل به کسر بزرگ‌تری از کل مصرف می‌شود و در نتیجه درصد بهره‌وری نیز کاهش می‌یابد. این مسئله به همان قسمت هدررفت فاقد مصرف باز می‌گردد که از تغییرات مصرف تاثیر نمی‌پذیرد و مقدار آن ثابت باقی می‌ماند.

بهره‌وری آن UPS را که در شکل ۷ و ۸ توصیف شده است، می‌توان ۹۱ درصد در نظر گرفت. اما این اندازه از بهره‌وری، در مصرف کامل یا در بهترین شرایط به دست می‌آید. در مصرف کم که اغلب مراکزداده نیز چنین کار می‌کنند، ادعای بهره‌وری ۹۱ درصدی برای این دستگاه، به‌کلی نادرست است. برای مثال فقط ۱۰ درصد از مصرف UPSهایی که همانند این نمونه هستند، بهره‌وری ۶۰ درصدی دارند. روشن است که با این شرایط، مدل تک‌پارامتری برای تعیین بهره‌وری مناسب نیست.

سه نوع هدررفت داخلی دستگاه

در بازبینی دقیق شکل ۸ می‌بینید که هدررفت دستگاه (بخش قرمز ستون‌ها) با افزایش مصرف بیشتر می‌شود. این به‌دلیل هدررفتی است که متناسب با مقدار مصرف کم‌وزیاد می‌شود و غیر از هدررفت فاقد مصرف است. حتی نوعی از هدررفت نیز هست که با مجذور مقدار مصرف متناسب است. (این نمودار آن را نشان نمی‌دهد.) البته مقدار آن زیاد نیست؛ ولی در تجهیزات پرمصارف، موجب کاهش کلی بهره‌وری می‌شود.

جدول ۲ مقدار معمول این سه نوع هدررفت را در تجهیزات مختلف مرکزداده نشان می‌دهد. ستون آخر حاصل‌جمع این هدررفت‌ها و مقدار هدررفت کلی هر جزء (دستگاه) است.

جدول ۲: هدررفت معمول برق در اجزای زیرساخت فیزیکی که به‌عنوان تابعی از مقدار کامل مصرف اجزاء بیان شده است
اجزای
زیرساخت فیزیکی
(
DCPI)
درصد
هدررفت
فاقد مصرف
درصد
هدررفت نسبی
(متناسب با مصرف)
درصد
هدررفت متناسب با مجذور مصرف
حاصل‌جمع
(درصد هدررفت کلی)
UPS ۴ ۵ ۰ ۹
PDU ۱٫۵ ۰ ۱٫۵ ۳
روشنایی ۱ ۰ ۰ ۱
کابل‌کشی ۰ ۰ ۱ ۱
تابلوی توزیع ۰ ۰ ۰٫۵ ۰٫۵
ژنراتور ۰٫۳ ۰ ۰ ۰٫۳
CRAC ۹ ۰ ۰ ۹
رطوبت‌ساز ۱ ۱ ۰ ۲
چیلر ۶ ۲۶ ۰ ۳۲

چنان‌که در جدول ۲ مشاهده می‌کنید، با به‌کاربردن دو متغیر برای هر دستگاه می‌توان مدلی بسیار کامل‌تر برای اجزای مرکزداده ایجاد کرد. توجه کنید که در این جدول، مقادیر هدررفت به‌عنوان درصدی از مصرف کامل تجهیزات بیان شده است. در مقادیر واقعی که کمتر از مصرف کامل هستند، درصد هدررفت به‌شکل زیر تغییر می‌کند:

  • هدررفت فاقد مصرف: درصد آن با کاهش مصرف افزایش می‌یابد.
  • هدررفت نسبی: درصد آن ثابت و مستقل از مقدار مصرف است.
  • هدررفت متناسب با مجذور مصرف: درصد آن با کاهش مقدار مصرف کاهش می‌یابد.

بهره‌وری معمول در UPSهایی همانند آنچه در نمودارهای ۷ و ۸ دیدیم، اگر فقط از یک متغیر بهره‌وری استفاده بشود، به‌درستی شبیه‌سازی نمی‌شود. ولی جدول ۲ شبیه‌سازی را به‌کمک دو متغیر هدررفت فاقد مصرف (۴ درصد) و هدررفت نسبی (۵ درصد) انجام داده که روش مناسبی است.

تاثیر کم‌باری

پیش‌تر توضیح دادیم که اگر تجهیزات در کمتر از ظرفیت مبنا (Design Capacity) کار کنند، از بهره‌وری سیستم برق و سرمایش به‌شدت کاسته می‌شود. بدین معنی که هر تحلیلی از دادهٔ بهره‌وری در مرکزداده، می‌باید مصرف را به‌درستی به‌عنوان تابعی از ظرفیت مبنا در نظر بگیرد و نمایش دهد.

فرض نادرست ۲؛ تجهیزات برق و سرمایش مرکز داده مطابق مصرف پیش‌بینی‌شده در طراحی یا نزدیک به آن کار می‌کنند.

در مدل‌های سادهٔ بهره‌وری که برای شبیه‌سازی تجهیزات فقط از یک مقدار استفاده می‌کنند، مقدار مصرف بی‌تاثیر است. به‌عبارت دیگر بهره‌وری در این مدل‌ها، با کم‌وزیاد شدن مصرف تغییر نمی‌کند. به هر حال تجهیزات برق و سرمایش در بیشتر مراکزداده، معمولا با ظرفیت بسیار کمتر از توان نامی خود کار می‌کنند. بدین ترتیب چنین مدل‌هایی برآورد را آشکارا بیشتر از بهره‌وری واقعی مرکزداده نشان می‌دهند.

به‌چهار دلیل ممکن است اجزای برق و سرمایش با ظرفیت کمتر از توان نامی به کار روند:

  1. مصرف فاوای مرکزداده، کمتر از ظرفیت مبنای سیستم است.
  2. ظرفیت اجزا به‌شکل هدفمند و برای فراهم‌بودن حاشیهٔ ایمنی، به‌مقداری بیشتر از نیاز واقعی برآورد شده است.
  3. اجزا به همراه اجزای مشابه دیگری در پیکربندی N+1 یا 2N قرار گرفته‌اند و کار می‌کنند.
  4. ظرفیت اجزا برای پشتیبانی از کم‌وزیاد شدن مصرف، به‌اندازهٔ بیشتر از نیاز برآورد شده است.

۱ـ مصرف فاوای مرکزداده، کمتر از ظرفیت مبنای سیستم است: پژوهش‌ها به‌روشنی نشان می‌دهند که مراکزداده به‌طور میانگین، با ۶۵ درصد کمتر از مقدار ظرفیت مبنای خود عمل می‌کنند. این موضوع در مقالهٔ «جلوگیری از هزینهٔ ناشی از برآورد نادرست در زیرساخت مرکزداده» [7] به‌تفصیل بیان کرده‌ایم. در ادامهٔ این مقاله نشان می‌دهیم عامل اصلی و تاثیرگذار در کاستی بهره‌وری مرکزداده، به‌کار نگرفتن بیشینهٔ ظرفیت است.

۲ـ ظرفیت اجزا به‌شکل هدفمند و برای فراهم‌بودن حاشیهٔ ایمنی، به‌مقداری بیشتر از نیاز واقعی برآورد شده است: به‌کاربردن ضریب «افت کارکرد» (Derating) که با آن ظرفیت اجزا را بیشتر از نیاز برآورد می‌کنند، روش متداولی است؛ زیرا معتقدند کارکرد تجهیزات نباید به محدودهٔ بیشینهٔ ظرفیت نزدیک شود. با اینکه تاسیسات بدون درنظر گرفتن افت کارکرد نیز کار می‌کنند، در طراحی تاسیساتی که پایایی بسیار خوب دارند، اعمال ۱۰ تا ۲۰ درصد افت کارکرد از اصول توصیه شده است.

۳ـ اجزا به همراه اجزای مشابه دیگری در پیکربندی N+1 یا 2N قرار گرفته‌اند و کار می‌کنند: معمولا دستگاه‌ها را با پیکربندی N+1 یا 2N به کار می‌گیرند تا اطمینان‌پذیری بهبود یابد و تعمیر و نگهداری اجزا، بدون خاموش‌کردن سیستم ممکن باشد. کار کردن مرکزداده با این پیکربندی، بدین معنی است که مصارف فاوا در میان اجزای بیشتری از زیرساخت فیزیکی گسترده شده‌اند. مصرف هریک از اجزا در این روش، به‌طور موثری کمتر از ظرفیت آن‌ها است. در پیکربندی 2N مصرف اجزا کمتر از نصف ظرفیت مبنا است. بدین ترتیب بهره‌وری مرکزداده به‌شدت وابسته به عملکرد دستگاه‌های با پیکربندی N+1 یا 2N است.

۴ـ ظرفیت اجزا برای پشتیبانی از کم‌وزیاد شدن مصرف، به‌اندازهٔ بیشتر از نیاز برآورد شده است: از آنجا که این موضوع قدری دقیق است با بیان مثال آن را روشن می‌کنیم. مرکزداده‌ای را با مصرف ۱ مگاوات در نظر بگیرید که توسط  UPSـ ۱ مگاواتی پشتیبانی می‌شود. ۱۰ دستگاه PDU (واحد توزیع برق) در میان UPSها و مصارف فاوا هستند که هریک قسمتی از برق فاوا را تامین می‌کنند. اکنون پرسش این است که ظرفیت هریک از این PDUها چقدر است و اینکه به‌طور میانگین هریک از آن‌ها با چه ظرفیتی عمل می‌کنند؟ در نگاه اول چنین به نظر می‌رسد که اگر ظرفیت هر PDUـ ۱۰۰ کیلووات باشد، نیاز طراحی سیستم برآورده شده است. همچنین اگر هر PDU با تمام ظرفیت کار کند، مرکزداده نیز با تمام توان مصرفی خود کار کرده است. اطمینان داشتن از تقسیم بار مصرفی در میان PDUها، بی‌شک در عمل ناممکن است. مقدار مصرف هر PDU را ماهیت تجهیزات فاوایی که در محدودهٔ آن هستند تحمیل می‌کند. در واقع بار مصرفی PDUها اغلب نسبت به هم تا دو برابر متفاوت است. برای نمونه یکی از PDUها را در نظر می‌گیریم. این واحد توزیع برق، فراهم‌کنندهٔ برق بخشی از مرکزداده است که از تمام محیط آن استفاده می‌شود. با این حال هنوز قسمتی از ظرفیت برق این PDU بی‌استفاده مانده است. اکنون حتی اگر همهٔ ۹ دستگاه PDU دیگر با تمام ظرفیت کار کنند، بازهم ظرفیت باقی‌ماندهٔ آن یک PDU بی‌استفاده می‌ماند.

تاثیر تنوع مصارف بر برآورد ظرفیت PDU مرکز داده
شکل ۹ – مقاله ۱۱۳

شکل ۹: تاثیر تنوع مصارف بر برآورد ظرفیت PDU

در این پیکربندی، تنها راه اطمینان از کارکرد ظرفیت کامل مرکزداده آن است که ظرفیت کلی PDUها به‌مقدار چشمگیری بیشتر از نیاز برآورد شود. میزان برآورد بیشتر برای PDUها، معمولا در حدود ۳۰ تا ۱۰۰ درصد است. چنان‌که در مثال بیان کردیم، چنین برآورد نادرستی بهره‌وری سیستم را کاهش می‌دهد. شکل ۹ نشان می‌دهد چگونگی PDUها برای پشتیبانی از تنوع مصرف به برآورد بیشتر نیاز دارند. توجه داشته باشید همانند همین مشکلی که PDUهای سیستم را دچار برآورد بیشتر از نیاز می‌کند، برای دستگاه‌های هواساز نیز وجود دارد.

تاثیر گرما

فرض نادرست ۳؛ گرمای تولیدشده توسط تجهیزات برق و سرمایش مرکز داده کم است.

اشتباه مهم دیگر در شبیه‌سازی بهره‌وری مرکزداده، این فرض است که گرمای ناشی از کار تجهیزات برق و سرمایش (ناکارآمدی) در مقایسه با گرمای تجهیزات فاوا ناچیز است و می‌توان از آن چشم‌پوشی کرد. در حقیقت مقدار گرمایی که تجهیزات برق و سرمایش تولید می‌کنند، تفاوت چندانی با تجهیزات فاوا ندارد و آن هم می‌باید توسط سیستم سرمایش دفع شود. این مسئله بار اضافی بر سیستم سرمایش است که به هدررفت بیشتر و کاهش بهره‌وری می‌انجامد. برای محاسبهٔ درست هدررفت باید بار برودتی، علاوه بر تجهیزات فاوا، هدررفت دستگاه‌های برق و سرمایش محیط را نیز در بر گیرد.

جمع‌بندی قسمت‌ها

با توجه به آنچه گفتیم اکنون می‌توان مدل بهبودیافته‌ای برای بهره‌وری مرکزداده ایجاد کرد. چنین مدلی باید ویژگی‌های زیر را در خود داشته باشد:

  • شبیه‌سازی اجزا، با حاصل‌جمع «هدررفت فاقد مصرف» و «هدررفت نسبی» و «هدررفت متناسب با مجذور مقدار مصرف» انجام شود.
  • برآوردهای بیشتر از نیاز را که ناشی از ضریب افت کارکرد تجهیزات است در نظر بگیرد.
  • ظرفیت بی‌استفادهٔ ناشی از طراحی‌های N+1 یا 2N را در نظر بگیرد.
  • گرمای ناشی از هدررفت دستگاه‌های داخلی برق و سرمایش را نیز همراه با بار سرمایشی مصارف فاوا در نظر بگیرد.
  • در نصب و اجرا، با توجه به اینکه مرکزدادهٔ معمول با ظرفیت کمتر از ظرفیت مبنا کار می‌کند، نمودار گرافیکی از بهره‌وری به‌عنوان تابعی از مصرف ارائه دهد.

اجرای این مدل سرراست است و از روند کلی زیر پیروی می‌کند:

  • برای همهٔ انواع دستگاه‌های برق و سرمایش، مقدار میانگین از برآورد بیشتر از نیاز به دست آورید. با چنین کاری سه فاکتور «افت کارکرد» و «تنوع مصرف» و «افزونگی» محدود می‌شوند.
  • با استفاده از مصرف ورودی، برای هر نوع از اجزا، بخشی از بار را به‌عنوان هدررفت فاقد مصرف تعیین کنید.
  • برای اینکه سیستم سرمایش بتواند گرما را از تجهیزات برق و سرمایش داخل مرکزداده دفع کند، هدررفت اضافیِ نسبی تعیین کنید.
  • مجموع تمامی هدررفت‌ها را محاسبه کنید.
  • هدررفت‌ها را به‌عنوان تابعی از مصرف فاوا در مرکزداده محاسبه کنید و دسته‌بندی‌شده در جدول بیاورید.

برپایهٔ این اصول، مدلی کامپیوتری ایجاد شده است. متدولوژی تحلیل بهای تمام‌شدهٔ مرکزدادهٔ اشنایدر الکتریک، مقدار مصرف انرژی را با به‌کار گرفتن همین مدل محاسبه می‌کند. مقالهٔ «تعیین بهای تمام‌شده (‏‏TCO) برای زیرساخت‌های مرکزداده» [3] آن را توضیح می‌دهد.

شبیه‌سازی دستگاه‌های با چند حالت عملیاتی

برخی از زیرسیستم‌های زیرساخت فیزیکی، دارای چند حالت عملیاتی هستند که هریک بهره‌وری متفاوت و کارایی ویژهٔ خود را دارد. برای نمونه بعضی از سیستم‌های تهویهٔ مطبوع، حالت «بهینه‌ساز» دارند تا در مواقعی که هوای بیرون خنک است، با آن بهره‌وری سیستم را تا حد زیادی افزایش دهند.

چنین دستگاه‌هایی را نمی‌توان با استفاده از یک منحنی بهره‌وری شبیه‌سازی کرد که برپایهٔ مدل سادهٔ سه متغیری، شامل هدررفت فاقد مصرف، هدررفت نسبی، هدررفت متناسب با مجذور مصرف ترسیم می‌شود. ایجاد مدل بهره‌وری برای چنین دستگاه‌هایی، روش متفاوتی دارد. خوشبختانه این روش به‌خوبی تعریف شده و در طراحی و مهندسی رواج یافته است.

برای شبیه‌سازی دستگاه‌هایی که با حالت‌های عملیاتی مختلف کار می‌کنند، می‌توان از دورهٔ زمانی طولانی‌تر و به‌کارگیری روش ساده‌ای به نام «میانگین State-Space» استفاده کرد. این کار را با تعیین مقدار نسبی زمان صرف‌شده در هریک از حالت‌های عملیاتی و سپس محاسبهٔ میانگینِ وزنی (weighted Average) از خروجی سیستم انجام می‌دهند. هم‌اکنون از همین روش برای محاسبهٔ هدررفت و بهره‌وری استفاده می‌شود.

برای به‌کارگیری این مدل بهره‌وری، ابتدا باید برای هریک از حالت‌های عملیاتی هر سه نوع هدررفت را مشخص کرد. سپس با ضرب‌کردن هدررفت هر حالت در ضریب مدت برآوردشده برای همان حالت، می‌توان هدررفت کلی را در طول دورهٔ زمانی مشخص به دست آورد. به‌عنوان مثال برای توضیح کامل سیستمی که دو حالت عملیاتی دارد، به سه منحنی بهره‌وری نیاز است:

  • منحنی بهره‌وری در حالت ۱
  • منحنی بهره‌وری در حالت ۲
  • منحنی بهره‌وری کلی، که با احتساب مدت برآوردشده برای هریک از حالت‌ها به دست می‌آید

بهره‌وری در واقعیت

با در دست داشتن مدل بهتر برای شبیه‌سازی مصرف برق مرکزداده، می‌توان تخمین‌های واقع‌بینانه‌تری از بهره‌وری در اختیار داشت. با به‌کاربردن مقادیر معمول از هدررفت تجهیزات، افت کارکرد، تنوع مصرف، برآورد بیشتر از نیاز، همچنین افزونگی می‌توان نمودار بهره‌وری شکل ۱۰ را به دست آورد.

باید توجه داشت که این منحنیِ بهره‌وری (PUE) و مصرف (ظرفیت برق استفاده‌شده)، با آن تخمین‌هایی که برپایهٔ محاسبات سنتی به دست می‌آیند و از اطلاعاتی که سازندگان ارائه می‌دهند در تعیین بهره‌وری استفاده می‌کنند، بسیار فرق دارد. اگر تخمینِ بهره‌وری برای مرکزداده‌ای که شکل ۱۰ به آن پرداخته است به‌روش سنتی باشد، مستقل از مصرف خواهد بود و مقدار آن را در حدود ۶۰ تا ۷۰ درصد نشان خواهد داد. اما مدل بهبودیافته، به‌ویژه در وضعیت کم‌باری (Lower Loads) که محدودهٔ واقعی عملیات مرکزداده باشد، بهره‌وری را بسیار کمتر پیش‌بینی می‌کند.

بهره‌وری مرکز داده معمول، با استفاده از مدل بهبودیافته
شکل ۱۰ – مقاله ۱۱۳

شکل ۱۰: بهره‌وری مرکزدادهٔ معمول با استفاده از مدل بهبودیافته

این مدل به‌خوبی تاثیر «ناکارآمدی» را در مرکزدادهٔ با مصرف ناچیز آشکار می‌سازد. برای نمونه در مرکزداده‌ای که با ۱۰ درصد از ظرفیت نامی خود کار می‌کند، به‌ازای هر ۱۰ وات برق تامین‌شده، در واقع فقط ۱ وات در تجهیزات فاوا استفاده می‌شود. بدین ترتیب ۹ وات باقی‌مانده در هدررفت زیرساخت‌های فیزیکی مرکزداده از دست می‌رود.

راه دیگر برای بررسی این هدررفت، توجه به هزینهٔ ناشی از آن است. نمودار شکل ۱۱ هزینهٔ سالیانهٔ برق مرکزداده‌ای ۱ مگاواتی را به‌عنوان تابعی از مصرف فاوا نشان می‌دهد. این نمودار مربوط به مرکزداده‌ای است با طراحی معمول، پایایی (Availability) بسیار خوب، دو مسیر برق، همچنین افزونگی N+1 برای دستگاه‌های CRAC. هزینهٔ برق در این تحلیل ۰٫۱ دلار به‌ازای هر کیلووات ساعت فرض شده است.

هزینهٔ سالیانهٔ برق برای مرکز داده معمول ۱ مگاواتی، به‌عنوان تابعی از قسمت استفاده‌شدهٔ ظرفیت مبنا
شکل ۱۱- مقاله ۱۱۳

شکل ۱۱: هزینهٔ سالیانهٔ برق، برای مرکزدادهٔ معمول ۱ مگاواتی، به‌عنوان تابعی از قسمت استفاده شدهٔ ظرفیت مبنا

شکل ۱۱ نشان می‌دهد هزینهٔ کلی برق مرکزدادهٔ ۱ مگاواتی، به نسبت مصرف فاوا، از ۶۰۰ هزار دلار تا ۱٫۷ میلیون دلار در سال تغییر می‌کند. توجه کنید حتی اگر در تجهیزات فاوا هیچ مصرفی نباشند، بازهم به‌دلیل ناکارآمدی و هدررفت سیستم برق و سرمایش، هزینه‌ای بیش از ۵۰۰ هزار دلار در سال وجود خواهد داشت. اگر ۳۰ درصد از ظرفیت مرکزداده به کار گرفته شود، بیش از ۷۰ درصد از هزینهٔ برق به‌دلیل هدررفت تجهیزات برق و سرمایش خواهد بود.

جایگاه بهره‌وری

مدل بهبودیافته به‌خوبی نشان می‌دهد مهم‌ترین عامل افزایش هزینهٔ برق در مرکزداده، همان هدررفت فاقد مصرف در اجزای زیرساخت است که به‌طور معمول از مصرف برق تجهیزات فاوا نیز بیشتر می‌شود. باید توجه داشت که هدررفت فاقد مصرف در تحلیل‌های سنتی لحاظ نمی‌شد. همچنین نگاهی به مشخصات محصولات آشکار می‌کند که سازندگان تجهیزات اغلب، مقادیر مهمی از هدررفت فاقد مصرفِ دستگاه‌های برق و سرمایش را ارائه نمی‌کنند.

با تحلیل داده می‌توان فرصت‌های کاهش هدررفت و بهبود بهره‌وری کارکرد مرکزداده را به‌آسانی شناسایی و اولویت‌بندی کرد:

  • بزرگ‌ترین فرصت برای صرفه‌جویی، کاستن از برآوردهای بیشتر از نیاز است. این کار با به‌کارگیری معماری ماژولار و انطباق‌پذیر ممکن می‌شود که امکان توسعهٔ تدریجی زیرساخت‌های برق و سرمایش را همگام با افزایش مصرف فراهم می‌کند. برآورد کاهش هدررفت: ۵۰ درصد
  • بهبود دادن بهره‌وری سیستم‌های سرمایش؛ برآورد کاهش هدررفت: ۳۰ درصد
  • کاهش هدررفت فاقد مصرف در اجزای برق و سرمایش؛ برآورد کاهش هدررفت: ۱۰ درصد
جایگاه بهره‌وری بهبودیافته در مرکز داده
شکل ۱۲ – مقاله ۱۱۳

شکل ۱۲: جایگاه بهره‌وری بهبودیافته در مرکزداده

نمودار شکل ۱۲ جایگاه بهره‌وری بهبودیافتهٔ اجزا و اثر کاهندهٔ برآوردهای نادرست را نشان می‌دهد. در مقالهٔ «اجرای مرکزدادهٔ بهینه‌مصرف» [8] جایگاه بهره‌وری و فرصت‌های بهبود آن با دقت بیشتر بررسی شده است.

 

 

نتیجه‌گیری

مدل‌های سنتی تعیین بهره‌وری مرکزداده، معمولا مقدار آن را بیشتر از واقعیت نشان می‌دهند. زیرا میزان برآورد بیشتر از نیاز را در تجهیزات به‌درستی درک نکرده‌اند و کاهش بهره‌وری در وضعیت کم‌باری را که عملکرد واقعی مرکزداده است، در نظر نمی‌گیرند. «مدل بهبودیافته» مقادیر عددی بهره‌وری را دقیق‌تر به دست می‌آورد. همچنین دیدگاهی دربارهٔ عوامل ایجاد‌کنندهٔ هدررفت و روش‌های کاهش آن‌ها فراهم می‌سازد.

مصرف نیرو در مرکزدادهٔ معمول، دو برابر بیشتر از مقدار نیاز برق فاوای آن است. بخش بزرگی از بهای تمام‌شدهٔ چنین تاسیساتی، هزینهٔ مصرف برق است. مصرف برق برای هرچه غیر از فاوا باشد، نامطلوب شمرده می‌شود که ممکن است مقدار زیادی از آن قابل پیش‌گیری باشد.

اصلی‌ترین عامل ناکارآمدی مرکزداده، برآورد بیشتر از نیاز است. مهم‌ترین فرصت برای کاهش هدررفت و هزینهٔ برق، همان راهکارهای مقیاس‌پذیر هستند که امکان توسعهٔ تدریجی زیرساخت‌های برق و سرمایش را همگام با افزایش مصرف فاوا فراهم می‌کنند. برآورد صرفه‌جویی هزینهٔ برق، برای مرکزدادهٔ معمول ۱ مگاواتی، در بازهٔ زمانی ۱۰ سالهٔ عمر تاسیسات، تقریبا ۲ تا ۴ میلیون دلار است.

به‌دلیل زیاد بودن مقدار مصرف برق و هزینهٔ ناشی از ناکارآمدی در مرکزداده، کاستن از هدررفت، چه برای صاحبان مراکزداده و چه از دید منافع عمومی می‌باید بسیار مهم تلقی شود.

پانویس

[1] این مطلب بخشی از کتاب «آئین‌نامهٔ مهندسی مرکزداده» و ترجمهٔ فارسی مقالهٔ زیر است:

APC White Paper 113: “Electrical Efficiency Modeling for Data Centers” (Revision 2)

نویسنده نیل راسموسن (Neil Rasmussen) [آشنایی با نویسنده و مطالعه‌ی مقالات فارسی او]، مترجم نازلی مجیدی، بازنویسی و ویراستاری پرهام غدیری‌پور، به‌کوشش دکتر بابک نیکفام، تهیه‌شده در باشگاه مراکزداده

[2] Data Center Physical Infrastructure

[3] APC White Paper 6: Determining Total Cost of Ownership for Data Center and Network Room Infrastructure

[4] eei.org Magazine (accessed June 14, 2006)

[5] بیان ارتباط دقیق میان مصرف برق و حجم داده‌ای که از شبکه عبور می‌کند، موضوع این مقاله نیست. ولی برق مصرف‌شده توسط تجهیزات فاوا، برای این تحلیل معیار مناسبی برای سنجش رایانش است. بهبود بهره‌وری که از کاهش مصرف برق تجهیزات فاوا به دست می‌آید، به‌خودی‌خود مهم است؛ ولی در اینجا بدان نمی‌پردازیم.

[6] Frame Of Reference: دستگاه مختصات برای نسبت‌دادن زمان و مکان به یک رویداد

[7] APC White Paper 37: Avoiding Costs from Oversizing Data Center and Network Room Infrastructure

[8] APC White Paper 114: Implementing Energy Efficient Data Centers

درج دیدگاه

برای درج دیدگاه کلیک کنید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *

سوال امنیتی *