اجرای مرکزدادهٔ بهینه‌مصرف (Energy Efficient) ـ[1]
مقدمه
متاسفانه چون مقدار مصرف برق از جمله معیارهای طراحی مرکزداده نیست، همچون دیگر عوامل هزینه‌بر به‌خوبی مدیریت نمی‌شود. با اینکه هزینهٔ مصرف برق در طول عمر مفید مرکزداده، ممکن است از هزینهٔ سیستم برق‌رسانی شامل UPS و هزینهٔ تجهیزات فاوا بیشتر بشود، اوضاع همچنان بر همان منوال است. دلایل این وضعیت موارد زیر هستند:
- قبض برق (هزینه) پس از مصرف ارائه می‌شود. ازاین‌رو هزینهٔ برق را نمی‌توان به‌روشنی به تصمیمی خاص یا عملیاتی مشخصی ربط داد. بدین ترتیب این هزینه اجتناب‌ناپذیر به نظر می‌رسد.
- ابزار شبیه‌سازیِ هزینهٔ برق مرکزداده، همه‌جا در دسترس نیست. به‌کاربردن این ابزارها هنگام طراحی مرکزداده متداول نیست.
- قبض برق (هزینه) مرکزداده، اغلب در حوزهٔ مسئولیت یا در بودجهٔ گروه عملیات قرار ندارد.
- هزینهٔ برق مرکزداده خود ممکن است زیرمجموعهٔ قبض برق کلی‌تری باشد که نتوان آن را جداگانه مشخص کرد.
- اطلاعات کافی دربارهٔ پیامدهای هزینهٔ برق، در هنگام برنامه‌ریزی و خرید در اختیار تصمیم‌گیرندگان قرار نمی‌گیرد.
در این مقاله نشان خواهیم داد همهٔ دلایل پیش‌گفته اصلاح‌پذیر هستند و می‌باید اصلاح بشوند؛ زیرا عموم کاربران با صرفه‌جویی مالی چشمگیر از آن بهره‌مند می‌شوند. بزرگ‌ترین فایدهٔ این کار در طراحی تجهیزات جدید به دست می‌آید. ولی برای تجهیزات موجود و در حال توسعه نیز صرفه‌جویی بسیاری را ممکن میکند. در مرحلهٔ طراحی مرکزدادهٔ جدید می‌توان با تصمیم‌های ساده و بدون هزینه، به ۲۰ تا ۵۰ درصد صرفه‌جوییِ هزینهٔ برق دست یافت. با تلاش روشمند حتی تا ۹۰ درصد نیز می‌توان از هزینهٔ برق کاست.
هزینهٔ مصرف برق چیست؟
هزینهٔ مصرف برق مرکزداده به‌ازای هر کیلووات‌ساعت، معمولا ۰٫۱۲ دلار است که سالیانه تقریبا ۱٬۰۰۰ دلار و در ده سال عمر هر مرکزدادهٔ معمول حدود ۱۰ هزار دلار می‌شود.
مطابق قاعدهٔ کلی، کمابیش نیمی از انرژی هر مرکزداده را بخش فاوا مصرف میکند. هزینهٔ مصرف انرژی هر کیلووات‌ساعت بار فاوای مرکزداده، طی ده سال ۱۰ هزار دلار است که با درنظرگرفتن تقریبا نیم دیگر از مصرف انرژی در تجهیزات زیرساخت فیزیکی (DCPI)، عملا در هر سال ۲۰ هزار دلار می‌شود. [2] برای نمونه، برآورد هزینهٔ مرکزدادهٔ ۲۰۰ کیلوواتی در ده سال حدود ۴ میلیون دلار است. این هزینه در هر سازمان، قسمتی از هزینهٔ ناپیدای تجهیزات است. همگی خبرگان فاوا باید به‌خوبی این دو مسئله را درک کنند: اینکه هزینه کجا می‌رود و اینکه قابل پیش‌گیری است.
انرژی کجا مصرف می‌شود؟
در مرکزداده تقریبا نیمی از انرژی یا کمتر را بخش فاوا مصرف میکند. نیم دیگر در تجهیزات زیرساخت‌های فیزیکی (DCPI) شامل بخش‌های برق و سرمایش و نورپردازی استفاده می‌شود. شکل ۱ جریان برق را در مرکزدادهٔ معمول با پایایی (Availability) بسیار خوب نشان می‌دهد. توجه داشته باشید که همهٔ انرژی مصرف‌شده، در نهایت به‌شکل گرمای هدررفته به محیط بیرون مرکزداده رانده می‌شود [مطالعهٔ بیشتر]. شکل ۱ نمایشگر مرکزدادهٔ معمول است که تاسیسات آن با برق 2N و تجهیزات سرمایش با افزونگی N+1 کار میکند. این مرکزداده تقریبا با ۳۰ درصد از ظرفیت خود بارگذاری شده است.
شکل ۱: نمودار جریان برق در مرکزدادهٔ معمول
مرکزدادهٔ نمودار شکل ۱ بر اساس آن بخشی از برق ورودی که فاوا مصرف میکند، ۴۷ درصد بهره‌وری دارد. برای درک دقیق‌تر از محل مصرف و انواع مختلف تخصیص‌دادن برق به تجهیزات، به مقالهٔ «شبیه‌سازی بهره‌وری الکتریکی برای مرکزداده» [3] را مراجعه کنید.
«بهره‌وری» معیار روشنی نیست
در بسیاری از مطالب مرتبط با مصرف برق، از کلمهٔ «بهره‌وری» (Efficiency) استفاده می‌شود. در حالی که مفهوم پنهان در اصطلاحی همچون «بهبود بهره‌وری» به‌درستی درک شده است، استفادهٔ فنی از کلمهٔ «بهره‌وری» برای ارزیابی‌های کمّی مرکزداده، به سردرگمی می‌انجامد. اگر برای اندازه‌گیری مصرف برق به‌جای معیارهای سنجش بهره‌وری از معیار کیلووات استفاده کنیم، این موضوع بسیار روشن‌تر خواهد بود. برای نمونه اگر دو دستگاه مختلف در یک مرکزداده به‌ترتیب ۵۰ و ۸۰ درصد بهره‌وری داشته باشند، روشن نیست ترکیب بهره‌وری این دو چقدر است و در نتیجه نمی‌توان بهره‌وری کلی را به هزینه ربط داد. در واقع هزینه بستگی دارد به مقدار جریان برق در هر دستگاه. از سویی بهره‌وریِ برخی از دستگاه‌ها همچون کامپیوتر‌ها یا روشنایی‌ها، صفر درصد است. این مفهوم گیج‌کننده‌ای است و هیچ اطلاعات کمّی دربارهٔ مصرف برق آن‌ها ارائه نمی‌دهد.
استفاده از «مصرف برق» به‌عنوان معیار سنجش برخلاف بهره‌وری، ساده و روشن است. مقدار کل برق مصرف‌شده به‌سادگی از حاصل‌جمع مصرف همهٔ دستگاه‌های مرکزداده به دست می‌آید. اگر دستگاهی ۱۰ دلار در ماه و دیگری ۲۰ دلار برق مصرف کند، به‌آسانی می‌توان این اعداد را با هم جمع کرد. ما در این مقاله، اصطلاح کمّی «مصرف برق» را به‌جای واژهٔ رایج‌تر ولی مبهم «بهره‌وری» به کار می‌بریم. مقالهٔ «شبیه‌سازی بهره‌وری الکتریکی برای مرکزداده» [3] شبیه‌سازی مصرف انرژی را همه‌جانبه بررسی کرده است.
مقدار یک وات (Watt)
انرژی برق با «کیلووات‌ساعت» محاسبه می‌شود. این یکا (واحد اندازه‌گیری) مقداری از انرژی است که دستگاهی با توان ۱ کیلووات در ۱ ساعت دریافت میکند. تفاوت میان «برق» و «انرژی» در تحلیل‌های اقتصادی بسیاری اهمیت دارد. «بهای ظرفیت برق» هزینهٔ تجهیزات سیستم‌های تامین‌کنندهٔ انرژی است که با افزایش ظرفیت بیشتر می‌شود. بهای UPSها، ژنراتورها، تهویهٔ مطبوعِ سیستم برق، همچنین تجهیزات توزیع برق، نمونه‌هایی از هزینهٔ ظرفیت برق هستند. این همان بهای تمام‌شدهٔ زیرساخت برق‌رسانی است. از سویی «هزینهٔ انرژی» همان است که در قبض برق می‌بینیم و آن را با کیلووات‌ساعت می‌سنجند.
یک اصل مهم برای درک موضوع این است که کاستن از مصرف انرژی، هر دو هزینهٔ ظرفیت برق و هزینهٔ انرژی را کاهش می‌دهد. این بدان معنا است که در بسیاری از موارد، صرفه‌جویی برق به صرفه‌جوییِ هزینهٔ بخشی از زیرساخت‌های فیزیکی می‌انجامد که از تقاضای مصرف برق، بیشتر تاثیر می‌پذیرند. اصل اساسی دیگر، توجه به تفاوت موقت‌بودن و دائمی‌بودن (ساختاری‌بودن) کاهش مصرف انرژی است. صرفه‌جویی‌های موقت، مانند آنچه از سرورها با اِعمال مدیریت برق یا کاهش مصرف به دست می‌آید، با اینکه از هزینهٔ برق می‌کاهد الزاما مصرف برق سیستم‌های زیرساخت فیزیکی و هزینهٔ زیربنایی آن‌ها را کاهش نمی‌دهد. ولی تغییرات ساختاری و دائمی، مانند به‌کار گرفتن سرورهای پربازده یا استفاده از سیستم‌های UPS که بهره‌وری زیاد دارند، هزینهٔ هر دوی برق و زیرساخت را کاهش می‌دهد.
جدول شمارهٔ ۱ این اصول را با نمونه‌هایی از صرفه‌جویی در مقادیر ارائه کرده است. توضیح اینکه، «کاهش مصرف موقتی» شامل سه مورد است: مدیریت برق، کاهش مصرف، حالت بهینه‌ساز. «کاهش مصرف ساختاری» نیز شامل سه مورد است: سرورهای با بهره‌وری زیاد، UPS با برآورد درست، بهره‌وری زیاد.
| روش صرفه‌جویی | کاهش مصرف ساختاری (به‌دلار) |
کاهش مصرف موقتی (به‌دلار) |
یادداشت |
| صرفه‌جویی برق در یک سال | ۹۶۰ | ۹۶۰ | با فرض ۰٫۱۲ دلار برای هر کیلووات‌ساعت |
| صرفه‌جویی برقِ بخش فاوا در ۱۰ سال | ۹٬۶۰۰ | ۹٬۶۰۰ | طراحی عمر معمول مرکزداده |
| صرفه‌جویی برق DCPI در ۱۰ سال | ۹۶۰ | ۱۳٬۷۶۰ | کاهش ساختاری مصرف باعث کاهش مصرف برق مرتبط با ظرفیت می‌شود |
| صرفه‌جوییِ سرمایه‌گذاری اولیهٔ DCPI | ۰ | ۱۳٬۳۰۰ | کاهش ساختاری مصرف باعث کاهش ظرفیت تجهیزات می‌شود |
| صرفه‌جویی هزینه جاری DCPI | ۰ | ۶٬۶۰۰ | کاهش تجهیزات باعث کاهش هزینهٔ عملیاتی مانند نگهداری می‌شود |
| صرفه‌جویی کلی کیلووات در ۱۰ سال | ۱۰٬۵۶۰ | ۴۳٬۲۶۰ | ـ |
مرکزدادهٔ نمونهٔ بالا دارای افزونگی 2N است و به‌طور معمول با ۳۰ درصد از ظرفیت کار میکند. توجه کنید که صرفه‌جویی در مرکزدادهٔ بدون افزونگی، به‌مقدار زیادی کاهش می‌یابد و تا نصف مقداری می‌رسد که دیدیم. همچنین باید دانست که در شرایط معمول، با تغییر در ساختار نمی‌توان تمامی الزامات ظرفیت برق و سرمایش نصب‌شده را کاهش داد؛ یعنی در عمل ممکن است صرفه‌جویی کمتر از این مقدار باشد. اگرچه به‌طور کلی تخمین منطقی چنین نشان می‌دهد که اثربخشی به‌دست‌آمده از کاهش مصرف ساختاری، تقریبا دو برابر تاثیر کاهش موقتی است.
کاهش مصرف انرژی تجهیزات فاوا
روشن است مقدار مصرف برق تجهیزات فاوا در مقدار کلی مصرف برق بسیار تعیین‌کننده است. مصرف تجهیزات فاوا به‌شکل مستقیم بر رقم قبض برق تاثیر می‌گذارد. افزون بر این، تجهیزات برق و سرمایش فاوا نیز به‌طور غیرمستقیم اثر دارند زیرا برق زیادی مصرف می‌کنند. بدین ترتیب همگی کارکنان بخش فاوا باید در مهار مصرف برق تجهیزات فاوا، مشارکت داشته باشند و به آن توجه کنند.
روش‌های مهار مصرف برق فاوا در گذشته بسیار ناکارآمد بودند. برای نمونه، سازندگان تجهیزات فاوا اطلاعات کافی ارائه نمی‌دادند و در نتیجه بهره‌برداران در تصمیم‌گیری‌های خود، برق مصرفی را یکی از معیارها در نظر نمی‌گرفتند. اغلب حتی معلوم نبود کدام‌یک از گزینه‌های فاوا بر مصرف برق تاثیر می‌گذارند. به هر حال اکنون این وضعیت بهبود یافته و بهره‌برداران می‌توانند تدابیری در حوزهٔ برنامه‌ریزی و عملیات به کار برند که به‌شکل روشمند مصرف برق را کاهش می‌دهد.
کاهش مصرف برق سیستم‌های فاوا روش‌های گوناگونی دارد:
- در بخش اقدامات عملیاتی: کنار گذاشتن سیستم‌های فرسوده و قدیمی، به‌روزآوری و کارآمد کردن سیستم‌های موجود، مهاجرت به پلتفرم‌های با بهره‌وری انرژی بیشتر
- در بخش اقدامات برنامه‌ریزی: مجازی‌سازی و استانداردسازی
در ادامه هریک از این روش‌ها را به‌ترتیب بررسی می‌کنیم.
اقدامات عملیاتی: کنار گذاشتن سیستم‌های فاوای فرسوده و قدیمی
در بیشتر مراکزداده از فناوری پلتفرم‌هایی که قدیمی شده‌اند، هنوز برای اهداف آرشیوی یا پژوهشی استفاده می‌شود. این‌ها در واقع سرورهایی فعال هستند که هیچ کاربر ندارند. تهیهٔ سیاهه‌ای از این سیستم‌ها و کنار گذاشتن برنامه‌ریزی‌شدهٔ آن‌ها، کار بسیار سودمندی است. حتی اگر نشود چنین سیستم‌هایی را به‌شکل فیزیکی از مرکز بیرون برد، در بسیاری از مواقع می‌توان آن‌ها را خاموش کرد تا دیگر مصرف نکنند.
کار مفید دیگری که می‌توان انجام داد این است که عملیات پلتفرم‌های با فناوری قدیمی را به سرورهای جدید انتقال داد. با این کار در نهایت تعداد سرورها نیز کاهش می‌یابد. همچنین با این کار، دیگر به مجازی‌سازی که در ادامه خواهیم گفت نیازی نخواهد بود.
کاهش مصرف برق در موارد معمول تا ۲۰ درصد امکان‌پذیر است. حتی اگر سطح اشغال‌شدهٔ کف کاهش نیابد، این بهبود در ظرفیت برق بسیار ارزشمند و موثر خواهد بود؛ زیرا کاربران می‌توانند تجهیزات فاوایی را اجرا کنند که ظرفیت بیشتری دارند.
اقدامات عملیاتی: کارآمد کردن سیستم‌های موجود
بیشتر سرورها امروزه امکانات و تنظیمات ویژه‌ای برای مدیریت برق دارند که مقدار مصرف و هدررفت را در ساعت‌های کم‌باری فاوا کاهش می‌دهد. چنین امکانی تا چند سال پیش وجود نداشت؛ یعنی تا وقتی‌که مصرف برق تجهیزات فاوا، در پرکاری و کم‌کاری تقریبا ثابت و مستقل از بار محاسباتی بود. بهره‌برداران باید از چنین پیشرفتی در فناوری بخش فاوا آگاه باشند. همچنین باید وضعیت تنظیمات این امکانات را در مدیریت برق سیستم‌های فاوای خود بدانند. مدیریت برق در همهٔ دستگاه‌هایی که چنین قابلیتی دارند، باید فعال باشد. توجه کنید که محصولات بسیاری از تولیدکنندگان با این ویژگی تولید می‌شود؛ ولی این قابلیت به‌طور پیش‌فرض در آن‌ها غیرفعال است. برای اطمینان از استفادهٔ حداکثری از امکانات مدیریت برق، ممکن است ارتقای نرم‌افزاری ضرورت پیدا کند. اجرای مدیریت برق باعث کاهش مصرف کلی می‌شود؛ اما الزامات ظرفیت برق را کاهش نمی‌دهد.
اقدامات عملیاتی: مهاجرت به پلتفرم‌های با بهره‌وری انرژی بیشتر
مهاجرت به پلتفرمی که بهره‌وری الکتریکی بیشتری داشته باشد، روش موثر دیگری است که از مصرف برق می‌کاهد. در بیشتر مراکزداده هنوز سرورهای به‌اصطلاح «کم‌ظرفیت» فعال‌اند که ۳ تا ۵ سال از عمرشان می‌گذرد. مصرف برق این سرورها به‌طور معمول هم‌اندازهٔ سرورهای خشابی امروزی و حتی کمتر است؛ ولی از نظر حجم از سرورهای خشابی بسیار بزرگ‌تر هستند. مهاجرت‌کردن از سرورهای قدیمی به سرورهای پیشرفتهٔ خشابی با روش سرور به‌سرور، اغلب مصرف کلی برق را کاهش نمی‌دهد و حتی ممکن است مصرف را افزایش نیز بدهد. این کار باعث فشرده‌سازی سرورها می‌شود. تولید گرمای سرور خشابی نسبت به سرورهای همسان 1U بیشتر نیست؛ ولی در محیط کوچک‌تر گرمای بیشتری تولید می‌کنند. این مسئله مشکلات دفع گرمای مرکزداده را افزایش می‌دهد و به همین دلیل نیز چنین به نظر می‌رسد که سرورهای خشابی گرمای زیادی تولید می‌کنند.
هنگام نصب سرورهای جدید اگر از نوع خشابی باشند، در مقایسه با سرورهای رایجی که میزان پردازش برابر دارند، ۲۰ درصد کمتر برق مصرف می‌کنند. دلیل بهینه‌بودن مصرف سرورهای خشابی، اغلب بهره‌مندی از منبع تغذیه و فن‌های کارآمدتر است. توجه داشته باشید که هنگام اجرای تجهیزات جدید، به‌کاربردن RU از نوع خشابی به‌جای دیگر RUهای سرور، مصرف برق را کاهش می‌دهد؛ ولی مصرف برق سرورهای خشابی لزوما کمتر از سرورهای قدیمی نیست.
این مقاله چنین فرض میکند که مهاجرت سرور به‌سرور و کنار گذاشتن فناوری‌های قدیمی، همیشه باعث کاهش چشمگیر مصرف برق نمی‌شود. برای به‌دست‌آوردن برآورد از مقدار صرفه‌جویی مصرف برقی که از مهاجرت به سرورهای خشابی به‌روش سرور به‌سرور به دست می‌آید، لازم است مصرف سرورهای موجود را با سرورهای خشابیِ جایگزین مقایسه کنید. همچنین عملکرد آن‌ها باید با یکای وات مقایسه شود. امروزه تولیدکنندگان تجهیزات اصلی بزرگ (OEM) ـ[4] مانند Dell و HP و IBM، ابزارهای پیکربندی در اختیار کاربران قرار می‌دهند که مقدار مصرف واقعی برق سرورهای خشابیِ مختلف را به‌دقت گزارش می‌کنند. برای تعیین مقدار مصرفِ برق سرورهای قدیمی نیز تنها راه واقع‌بینانه، اندازه‌گیری مصرف سرورهای نمونه با استفاده از وات‌متر [5] است. پس از به‌دست‌آوردن مقادیر می‌توان با مقایسه‌کردن آن‌ها، صرفه‌جویی حاصل از مهاجرت بزرگ را تخمین زد. راهبردهای زیر در چنین ارتقای زیرساختی اغلب بسیار موثرند:
- جایگزین‌کردن سرورهای دوطرفه یا سرورهای دو هسته‌ای تک‌پردازنده، به‌جای دو یا چند سرور قدیمی
- جایگزین‌کردن سرور خشابی دارای پردازندهٔ ولتاژ ضعیف یا متوسط، به‌جای سرور قدیمی
- برای سرورهای با درایو دیسک‌های اختصاصی، استفاده از هارد کم‌مصرف ۲٫۵ اینچی به‌جای ۳٫۵ اینچی
- جایگزین‌کردن سرور یک‌پردازنده‌ای تک‌هسته‌ای، به‌جای سرور دو پردازنده‌ای
- جایگزین‌کردن سرور دو پردازنده‌ای دو هسته‌ای، به‌جای سرور چهار پردازنده‌ای
از آنچه گفتیم می‌توان نتیجه گرفت ارتقای تجهیزات همیشه موثرترین راهکار برای کاهش مصرف برق نیست. برای این منظور، تجمیع برنامه‌ها و سامانه‌های کاربری در تعداد سرور کمتر، همچنین مجازی‌سازی روش‌های بهتری هستند.
اقدامات برنامه‌ریزی: مجازی‌سازی
با مجازی‌سازی سرورها، بخش فاوا به برق بسیار کمتری نیاز خواهد داشت. مجازی‌سازی تقریبا همیشه تعداد سرورهای نصب‌شده را کم میکند. کنار گذاشتن هر سرور بسته به فناوری به‌کاررفته در آن، به‌معنی کاهش ساختاریِ نزدیک به ۲۰۰ تا ۴۰۰ وات از مصرف برق است. بدین ترتیب به‌ازای هر سروری که حذف می‌شود، صرفه‌جویی در هزینهٔ مصرف برق در یک سال حدود ۳۸۰ دلار است. این صرفه‌جوییِ بهای تمام‌شدهٔ مرکزداده (TCO) در مدت ۱۰ سال تقریبا برابر ۷٬۶۸۰ دلار خواهد بود. چنین مبلغی از قیمت خود سرور بسیار بیشتر است.
اقدامات برنامه‌ریزی: استانداردسازی
استانداردسازیِ بهره‌وری انرژی سرورها، بدون اجرای مجازی‌سازی نیز روش بسیار موثری است. امروزه سرورهای خشابی را از نظر مصرف انرژی کارآمدترین سرورها می‌شناسند. البته انواع گوناگونی از تیغهٔ سرورهای خشابی در دسترس است که هریک ویژگی و کاربرد متفاوتی دارند. به‌دلیل اینکه برآورد دقیق از کیفیت سرورها برای سامانه‌های نرم‌افزاری اغلب کار دشواری است، کاربران با آگاهی از هدررفت منابع و برق، معمولا سرورها را با بهترین مشخصات موجود سفارش می‌دهند.
بهترین روش برای کمینه‌سازی مصرف در هنگام مجازی‌سازی، استفاده از سرورهایی است که بهترین کارایی را دارند. از سویی وقتی روی یک سرور چندین سامانهٔ نرم‌افزاری نصب شده باشد، امکان توزیع منابع مطابق با نیاز واقعی سامانه‌ها مهیا می‌شود.
کاربرانی که می‌خواهند مرکزداده را با سرورهای خشابی یکسان‌سازی کنند، به‌گونه‌ای که روی هر تیغه فقط یک سامانه نصب شده باشد (یعنی اصلا مجازی‌سازی نکنند!)، باید از دو مدل تیغه استفاده کنند: یکی کم‌ظرفیت و دومی پرظرفیت تا دو برابر آن دیگری. همگی سامانه‌های نرم‌افزاری می‌باید به‌طور پیش‌فرض روی سرور خشابی با عملکرد ضعیف نصب شوند و فقط هنگامی که مشخص شود توان بیشتری برای سامانهٔ خاص نیاز هست، همان را به سرور خشابی پرظرفیت انتقال دهند. با این روش انتظار می‌رود در مصرف زیرساخت فاوای مرکزدادهٔ معمول، تا ۱۰ درصد یا بیشتر صرفه‌جویی شود.
کاهش‌دادن مصرف انرژیِ تجهیزات زیرساخت فیزیکی (DCPI)
کاستن از مصرف انرژی تجهیزات زیرساخت فیزیکی، با این سه راهکار به دست می‌آید: برآورد درست متناسب با مصرف فاوا، استفاده از دستگاه‌های کارآمد، طراحی سیستم انرژی کارآمد. چنین به نظر می‌رسد که کاربران هنگام خریدن دستگاه‌های زیرساخت فیزیکی، از بهره‌وری آن‌ها آگاه می‌شوند. ولی در حقیقت داده‌ای که تولیدکنندگان ارائه می‌دهند، معمولا برای مشخص‌کردن تفاوت‌های واقعی مصرف برق کافی نیست. از سویی تاثیری که دو عامل «برآورد درست» و «طراحی سیستم» بر مصرف برق دارند، بسیار بیشتر از انتخاب دستگاه‌های زیرساخت فیزیک است.
برآورد درست
از میان روش‌هایی که در دسترس است، «برآورد درست متناسب با مصرف» بیشترین نقش را در کاهش مصرف برق زیرساخت فیزیکی دارد. بیشتر کاربران نمی‌دانند در سیستم‌های برق و سرمایش، همواره مقداری هدررفت ثابت وجود دارد که به بود و نبود مصرف فاوا وابسته نیست. این هدررفت ثابت کسری است از کل مصرف سیستم که بیشترین مصرف برق زیرساخت فیزیکی مرکزدادهٔ معمول را تشکیل می‌دهد. در تاسیساتی که بخش فاوای آن‌ها پرمصرف نیست، معمولا این مقدار ثابتِ هدررفت از مصرف خود فاوا نیز بیشتر می‌شود. چنانچه برآورد سیستم زیرساخت فیزیکی بیشتر از نیاز فاوا باشد، هدررفتی که از آن ناشی می‌شود، بخش بزرگی از قبض برق را تشکیل می‌دهد. برای مرکزدادهٔ معمول که عموما با ۳۰ درصد از ظرفیت نامی خود کار میکند، هزینهٔ برق هر کیلووات از مصرف فاوا در سال، تقریبا ۲٬۳۰۰ دلار می‌شود. اگر زیرساخت فیزیکیِ همین سیستم با مصرف فاوای آن متناسب باشد، هزینهٔ برق هر کیلووات از مصرف فاوا تا حدود ۱٬۴۴۰ دلار در سال کاهش می‌یابد. این مقدار ۳۸ درصد صرفه‌جویی در هزینهٔ برق است. دراین‌باره جدول شمارهٔ ۲ را مطالعه کنید.
| موارد | نمونهٔ پایه (Baseline case) به‌دلار |
اجرا با برآورد درست به‌دلار | یادداشت |
| برق فاوا | ۹٬۶۰۰ | ۹٬۶۰۰ | با فرض بهای برق ۰٫۱۲ دلار در هر کیلووات‌ساعت |
| هدررفت زیرساخت فیزیکی | ۹۶۰ | ۹۶۰ | ـ |
| هدررفت ثابت زیرساخت فیزیکی | ۱۲٬۸۰۰ | ۳٬۸۴۰ | کاهش ساختاری از مصرف برقِ مرتبط با ظرفیت نیز می‌کاهد |
| هزینهٔ سرمایه‌ای زیرساخت فیزیکی | ۱۳٬۳۳۰ | ۴٬۰۰۰ | کاهش ساختاری از ظرفیت تجهیزات نیز می‌کاهد |
| هزینهٔ عملیاتی زیرساخت فیزیکی | ۶٬۶۶۷ | ۲٬۰۰۰ | کاهش تجهیزات باعث کاهش هزینهٔ عملیاتی همانند نگهداری می‌شود |
| هزینهٔ کلی برق زیرساخت فیزیکی | ۱۳٬۷۶۰ | ۴٬۸۰۰ | تمام هدررفت ثابت یا بخشی از آن |
| کل هزینهٔ برق (زیرساخت بعلاوهٔ فاوا) | ۲۳٬۳۶۰ | ۱۴٬۴۰۰ | ـ |
| کل بهای تمام‌شده در ۱۰ سال | ۴۳٬۳۶۰ | ۲۰٬۴۰۰ | شامل برق زیرساخت فیزیکی و ظرفیت و هزینهٔ مصرف برق بخش سرمایش |
باید توجه داشت که از به‌کاربردن برآورد درست، افزون بر صرفه‌جویی در مصرف برق فاوا همچنین می‌توان به‌اندازهٔ ۱٬۴۰۰ دلار به‌ازای هر کیلووات در سال، از هزینهٔ عملیاتی و هزینهٔ سرمایه‌ای زیرساخت فیزیکی کاست که مقدار آن با صرفه‌جویی در مصرف برق برابری میکند. اعداد در اینجا بیانگر صرفه‌جویی احتمالی در نمونه‌ای مشخص است؛ توجه کنید که مقدار صرفه‌جویی در واقعیت فرق دارد و ممکن است در سیستم‌های بدون افزونگی کمتر باشد.
برآورد درست قابلیت آن را دارد که هزینهٔ قبض برق را در عمل تا ۵۰ درصد کم کند. مزایای اقتصادی منطقی که از برآورد درست به دست می‌آید، از انگیزه‌های مهمی است که صنعت مرکزداده را به‌سوی راهکارهای ماژولار و توسعه‌پذیرِ زیرساخت فیزیکی پیش می‌راند.
طراحی سیستم انرژی کارآمد
بسیاری از کاربران بر این باورند که مصرف برق هر سیستم، از بهره‌وری تک‌تک اجزای آن تاثیر می‌پذیرد. آنگاه با این فرض نتیجه می‌گیرند که بهترین روش برای کاهش مصرف برق، توجه به بهینه‌بودن بهره‌وری تک‌تک دستگاه‌ها است. این باور کاستی‌های بسیاری دارد. «طراحی سیستم» در مصرف برق مرکزداده بسیار موثر است؛ چنان‌که دو مرکزداده‌ای که دستگاه‌های همانند دارند، ممکن است قبض برق بسیار متفاوتی دریافت کنند. ازاین‌رو طراحی سیستم، در بهره‌وری مرکزداده حتی از انتخاب دستگاه‌های برق و سرمایش نیز مهم‌تر است.
در اینجا نمونه‌هایی از مشکلات طراحی سیستم را بیان می‌کنیم که بهره‌وری مرکزداده را بسیار بیشتر از جمع هدررفت هریک از اجزا کاهش می‌دهند:
- واحدهای توزیع برق (PDU) و ترانسفورماتورهایی که با ظرفیت بسیار کمتر از توان خود کار می‌کنند.
- دستگاه‌های تهویهٔ مطبوع که هوا را با دمای کمتر از توان خود دریافت می‌کنند؛ در آن‌ها پیوسته رطوبت هوا از بین می‌رود و دوباره با دستگاه رطوبت‌ساز جبران می‌شود. [مطالعهٔ بیشتر: تنظیمات سرمایش]
- دستگاه‌های تهویهٔ مطبوع داخل اتاق که برای گرمایش تنظیم شده‌اند؛ در حالی که هم‌زمان در همان محیط، دستگاه‌های دیگر سرما تولید می‌کنند.
- دستگاه‌های تهویهٔ مطبوع که باید برق زیادی مصرف کنند تا با دمیدن بیشتر بتوانند بر طبیعت بالاروندهٔ هوای گرم چیره شوند و آن را دور کنند.
- دستگاه‌های تهویهٔ مطبوع که حجم هوای برگشتی آن‌ها، از مقدار هوای تخلیه‌شده از تجهیزات فاوا کمتر است؛ به همین دلیل کارکرد ظرفیت و بهره‌وری‌شان کاهش یافته است.
- پمپ‌های سرمایش که نرخ جریانِ [6] آن‌ها با دریچه‌های گلوگاه‌ها تنظیم می‌شود؛ به همین دلیل بهره‌وری پمپ بسیار کاهش یافته است.
توجه کنید که این مسائل تنها از طراحی تهویهٔ مطبوع ناشی شده‌اند. زیرا بیشتر کاستی‌های طراحی ضعیف که باعث اتلاف برق می‌شوند، در عمل زاییدهٔ تهویهٔ مطبوع هستند. سیستم‌های برق اغلب استاندارد شده‌اند و خطای طراحی در آن‌ها کمتر مشاهده می‌شود.
مراکزداده‌ای که مشکلات بالا را دارند، معمولا دو برابر نیازِ زیرساخت فیزیکی خود برق مصرف می‌کنند. تمامی مسائل پیش‌گفته را می‌توان با هزینهٔ کم و تصمیم‌هایی ساده در بخش طراحی پیش‌گیری کرد. برای دوری از این مشکلات دو راه وجود دارد:
- اطمینان از طراحی به‌خوبی مهندسی‌شده و انجام آزمون‌های لازم، برای جلوگیری از مشکلات احتمالی؛ از جمله شبیه‌سازی پیچیدهٔ دینامیک سیالات محاسباتی و تست کامل راه‌اندازی
- طراحی تمامی سیستم زیرساخت فیزیکی بر اساس استاندارد؛ از جمله استفاده از ماژول‌های از پیش طراحی‌شده و از پیش آزمون‌شده، به‌ویژه برای جلوگیری از مشکلات بالا
روش اول بسیار گران در می‌آید و رویکردهای اجرایی آن بسیار متنوع است. به همین دلیل نیز گزینهٔ دوم روش استانداردشده‌ای است که در آینده برای تعیین و تملک مراکزداده به کار خواهد رفت.
استفاده از دستگاه‌های زیرساخت فیزیکی کارآمد
انتخاب دستگاه‌های زیرساخت فیزیکی (DCPI) مانند تجهیزات برق و سرمایش، در مقایسه با برآورد درست یا طراحی مناسب، تاثیر کمتری بر مقدار کلی مصرف برق دارد. با این حال در طراحی مرکزداده عامل مهم و کارآمدی به شمار می‌آید.
مقدار هدررفت دستگاه‌های زیرساخت فیزیکی که کارکرد مشابه دارند و در شرایط همانند هستند، بسیار متفاوت است. موسسهٔ تحقیقات برق قدرت آمریکا [7] مقاله‌ای در دسامبر ۲۰۰۵ منتشر کرد. در این مقاله هدررفت سیستم‌های مختلف UPS که با ۳۰ درصد از ظرفیت خود عمل می‌کردند، از ۴ تا ۲۲ درصد بود که تغییرات ۵۰۰ درصدی را نشان می‌دهد. این موضوع را نمی‌توان از برگهٔ مشخصات فنی محصولات فهمید. این مقاله و مقالات دیگری که اشنایدر الکتریک ارائه داده است، به‌روشنی آشکار می‌کنند با تکیه بر داده‌ای که تولیدکنندگان ارائه می‌دهند، درست پیش‌بینی‌کردنِ مقدار هدررفت مصارف ممکن نیست. برای پیش‌بینی‌های کمّی مصرف مرکزداده، باید از مدل‌های مناسب برای شبیه‌سازی استفاده کرد. مقالهٔ «افزایش بهره‌وری سیستم‌های UPS بزرگ» [8] نمونه‌ای از روش مناسب برای مقایسهٔ مصرف برق دو دستگاه زیرساخت فیزیکی را به‌تفصیل بیان کرده است.
کاهش کلی و عملی مصرف انرژی
در این مقاله میزان تاثیر و اهمیت مشکل مصرف انرژی را بیان کردیم. همچنین راهبردهای گوناگونی برای کاهش آن پیشنهاد دادیم. با ترکیب این روش‌ها می‌توان تدابیر بهینه‌سازی را برای کاهش مصرف برق، به‌درستی تجمیع کرد و آن‌ها را با طراحی‌های رایج مقایسه نمود.
جدول شمارهٔ ۳ ده مورد از این راهبردهای موثر را ارائه داده است که مصرف برق را کاهش می‌دهند. همچنین برای هریک از راهبردها در مقایسه با مرکزدادهٔ معمول، گستره‌ای از صرفه‌جویی‌ها را بیان کرده است. این راهبردها برای مرکزدادهٔ جدید موثر است؛ ولی در مرکزدادهٔ موجود نیز می‌توان بعضی از آن‌ها را یکجا یا به‌مرور زمان اجرا کرد.
جدول ۳: راهبردهای عملی برای کاهش مصرف برق مرکزداده: گستره‌ای از انواع صرفه‌جوییِ دست‌یافتنی
در این جدول، برخی از کارآمدترین و عملی‌ترین ابزارهای کاهش مصرف برق خلاصه شده است. تخمین‌زدن مقادیر کاهش مصرف انرژی در طراحی‌های گوناگون، با استفاده از محاسباتی انجام می‌شود که در مقالهٔ «شبیه‌سازی بهره‌وری الکتریکی برای مرکزداده» [3] بیان شده است. پیش‌تر در همین مقاله، علاوه بر موارد جدول شمارهٔ ۳، دیگر راهبردهای پیچیدهٔ طراحی فاوا را نیز بیان کرده‌ایم.
بعضی از روش‌های صرفه‌جویی پیش‌گفته را سازندگان هنگام ساختن تجهیزات در آن‌ها تعبیه می‌کنند. ولی اغلب این روش‌ها مربوط به طراحی سیستم و نصب هستند. چندین طراحی از پیش مهندسی‌شده و استاندارد وجود دارد که سازندگان فراهم کرده‌اند و برای بهره‌وری خوب و بهینه‌سازی تایید شده‌اند. کاربران تجهیزات فعلی که می‌خواهند مصرف برق خود را کاهش بدهند، می‌توانند از راهنمای جدول شمارهٔ ۳ استفاده کنند. همچنین برخی از سازندگان همچون اشنایدر الکتریک، ابزارهای تخصصی و روش‌های ویژهٔ مرکزداده در اختیار دارند و خدماتی در زمینهٔ ارزیابی بهره‌وری انرژی ارائه می‌دهند.
نتیجه‌گیری
بخش بزرگی از هزینهٔ عملیاتی مرکزداده، «هزینهٔ برق» است که می‌توان و می‌باید آن را مدیریت کرد. در مرکزداده‌ای که برای کم‌بودنِ مصرف برق طراحی شده است، در موارد دیگر نیز صرفه‌جویی می‌شود؛ از جمله هزینهٔ عملیاتی و هزینهٔ سرمایه‌ای مربوط به سیستم برق و سرمایش. همچنین سطح و فضای اشغال‌شده کاهش می‌یابد.
برای کاهش مصرف برق مرکزدادهٔ موجود، چندین روش کم‌هزینه وجود دارد که اولین آن‌ها مهاجرت به پلتفرم محاسباتی پربازده‌تر است. برای مرکزدادهٔ جدید، گزینه‌های بیشتری در هر دو زمینهٔ طراحی فاوا و طراحی زیرساخت فیزیکی (DCPI) در دسترس است که از به‌کاربردن آن‌ها صرفه‌جویی بیشتری به دست می‌آید.
برق مصرفی اغلب بین بخش فاوا و دستگاه‌های زیرساخت فیزیکی به‌شکل برابر تقسیم می‌شود. هر روش منطقی برای بیشینه‌کردن نتایج کاهش مصرف، باید ترکیب طراحی فاوا و زیرساخت فیزیکی را سیستم واحد در نظر بگیرد.
برخی از ارائه‌دهندگان تجهیزات مرکزداده، از طراحی استانداردی استفاده می‌کنند که مهندسی شده است تا بهره‌وری بهینه داشته باشد. آن‌ها همچنین خدمات بازبینی و بررسی به کاربران ارائه می‌دهند تا مرکزدادهٔ موجود نیز بتواند با کاهش مصرف برق، بهره‌وری انرژی خود را افزایش دهد.
موقعیت‌های ارزشمندی برای دستیابی به صرفه‌جویی در هزینه وجود دارد. ولی سرمایه‌گذاری برای اجرای آن‌ها نسبت به روش‌های قدیمیِ طراحی مرکزداده تاکنون ناچیز بوده است؛ چندان‌که در برخی از موارد می‌توان گفت هیچ کاری نشده است.
پانویس
[1] این مطلب بخشی از کتاب «آئین‌نامهٔ مهندسی مرکزداده» و ترجمهٔ فارسی مقالهٔ زیر است:
APC White Paper 114: “Implementing Energy Efficient Data Centers” (Revision 1)
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] براساس تعرفهٔ سال ۱۳۹۷ ایران، به‌ازای هر کیلووات‌ساعت بار فاوا طی ۱۰ سال، هزینهٔ انرژی برق در حدود ۱۶۰ میلیون ریال خواهد بود.
[3] APC White Paper 113: Electrical Efficiency Modeling for Data Centers
[4] Original Equipment Manufacturer
[5] وات‌متر یا وات‌سنج ابزاری است برای سنجش توان الکتریکی
[6] Volumetric Flow Rate: نرخ جریان حجمی یا آهنگ شارش حجمی
[7] U.S. Electric Power Research Institute
[8] APC White Paper 108: Making Large UPS Systems More Efficient
درج دیدگاه