اجرای مرکز داده بهینه مصرف

مقدمه

متاسفانه مقدار برق مصرفی به عنوان یکی از معیارهای طراحی در مراکز داده به شمار نرفته، و به همین دلیل نیز به عنوان عاملی هزینه‌بر، به شکل موثری مدیریت نمی‌شود. با وجود آن که هزینه‌های برق مصرفی در طول عمرمفید مرکز داده ممکن است از هزینه‌ی سیستم های الکتریکی شامل UPS و  همچنین هزینه‌ی تجهیزات فاوا نیز فراتر رود، این رویه همچنان برقرار است. دلایل پدید آورنده‌ی این شرایط عبارتند از:

• قبض هزینه ی برق پس از مصرف برق ارائه می‌شود و به همین دلیل نمی توان مشخصا هزینه‌ها را به تصمیم خاص یا عملیات مشخصی ربط داد. در نتیجه این هزینه اجتناب ناگزیر به نظر می‌آید.
• ابزراهای شبیه‌سازی هزینه‌های برق مراکز داده برای همگان در دسترس نبوده و به‌کارگیری این ابزارها در طول طراحی مراکز داده، متداول نیست.
• قبض های هزینه‌ی برق اغلب در حیطه‌ی مسئولیت یا بودجه‌ی گروه عملیاتی مرکز داده قرار ندارد.
• این قبض هزینه‌ی برق مرکز داده ممکن است زیرمجموعه‌ای از قبض برق کلی‌تری بوده و هزینه‌ی برق مصرفی مرکز داده به طور جداگانه مشخص نباشد.
• در طول برنامه‌ریزی و تصمیمات خرید، اطلاعات کافی مرتبط با پیامدهای هزینه‌های برق، در اختیار تصمیم گیرندگان قرار داده نمی شود.

در این مقاله، نشان داده خواهد شد که تمامی دلایل مطرح شده می‌توانند و حتی لازم است که اصلاح شوند چرا که در اثر اصلاح آن، صرفه جویی های مالی قابل توجهی برای کاربران معمولی امکان پذیر خواهد بود. بزرگترین مزیت می تواند از طراحی تجهیزات جدید حاصل شود، ولی همچنین بسیاری از صرفه جویی‌ها نیز در تجهیزات موجود فعلی و در حال رشد، امکان پذیر است. با اتخاذ تصمیماتی ساده‌ و بدون هزینه در مرحله‌ی طراحی مرکز داده ی جدید، می توان به 20 تا 50% صرفه جویی در هزینه‌های برق دست یافت و حتی با تلاشی سیستماتیک تا 90% هزینه‌های برق قابل اجتناب خواهد بود.

هزینه‌های مصرف برق چیست؟

مقدار معمولی هزینه‌ی برق مصرفی 0.12$ به ازای هر kW hr می‌باشد. با نظر به این مقدار، هزینه‌ی سالیانه‌ی مصرف برق IT به ازای هر kW تقریبا 1000$ می‌باشد. در طول ده سال عمر یک مرکز داده‌ی معمول این عدد به معنای هزینه‌ای در حدود 10000$ در ازای هر kW مصرف است.

به عنوان یک قانون کلی، تقریبا نیمی از انرژی مصرفی مرکز داده به مصرف IT می‌رسد. نیم دیگر نیز در تجهیزات زیرساخت فیزیکی مرکز داده (DCPI) شامل تجهیزات برق مصرف می‌شود. این بدان معنا بوده که هر kW از برق مصرفی IT در طول 10 سال، تقریبا 20.000$ هزینه خواهد داشت. به عنوان مثال، یک مرکز داده 200 کیلو واتی، در طول ده سال، باید در حدود 4.000.000$ هزینه داشته باشد. این هزینه برای هر سازمانی قسمتی از هزینه‌ی پنهان تجهیزات به شمار رفته و تمامی خبرگان IT باید به درستی بدانند که این هزینه در کجا صرف شده و البته قابل پیش‌گیری می‌باشد.

انرژی در کجا صرف می‌شود؟

تقریبا نیمی از انرژی مصرفی یا حتی کمتر از آن در مرکز داده صرف مصارف IT می شود. نیمه‌ی دیگر در تجهیزات زیرساخت های فیزیکی (DCPI) شامل تجهیزات برق، تجهیزات سرمایش و نورپردازی صرف می‌شود. شکل 1 بیانگر جریان برق در یک مرکز داده‌ی معمولی با دسترسی بالا می‌باشد. توجه شود که تمامی انرژی مصرف شده در مرکز داده در نهایت به گرمای هدررفته تبدیل شده و به اتمسفر محیط بیرون رانده می‌شود. شکل 1 بر اساس مرکز داده معمولی با برق 2N و تجهیزات سرمایش N+1 بوده که تقریبا با 30% ظرفیت خود کار می‌کند.

مرکز داده‌ی مطرح شده بر اساس بخشی از برق ورودی که به مصرف IT می رسد، تا 47% بهره وری دارد. برای درک دقیق‌تری از محل مصرف برق و گونه‌های مختلفی که برق به تجهیزات تخصیص می‌یابد، به گزارش “شبیه‌سازی بهره‌وری الکتریکی در مراکز داده”[1] مراجعه شود.

بهره‌وری یک معیار ضعیف است

در بسیاری از مطالب مرتبط با مصرف برق از کلمه ی “بهره‌وری” استفاده می‌شود. در حالی که معنی پنهان این کلمه مانند “بهبود بهره وری” به درستی درک شده، استفاده ی فنی از کلمه‌ی ” بهره‌وری” برای ارزیابی‌های کمی مراکز داده به سردرگمی منجر می‌شود. زمانی که در اندازه گیری مصرف برق، به جای معیارهای سنجش بهره‌وری، معیار kW به کار رود، بررسی ها بسیار روشن تر خواهد بود.

به عنوان مثال، اگر دو دستگاه مختلف در یک مرکز داده به ترتیب 50% و 80% بهره‌وری داشته باشند، نمی توان به درستی تعیین کرد که بهره‌وری ترکیب شده‌ی چقدر بوده و در نتیجه نمی‌توان بهره‌وری کلی را به هزینه‌ها ربط داد. در واقع، هزینه های برق به مقدار جریان برق در هر دستگاه بستگی دارد. علاوه بر آن، بعضی از دستگاه‌ها مانند کامپیوتر‌ها یا روشنایی‌ها، صفر درصد بهره‌وری داشته که این خود بحثی سردرگم کننده خواهد بود و هیچ اطلاعات کمّی در مورد مصرف برقشان ارائه نمی‌دهند.

بر خلاف آن، استفاده از مصرف برق به عنوان معیار سنجش ساده و شفاف است. تمام مقدار برق مصرف شده به سادگی از جمع مصارف تمامی دستگاه های مرکز داده به دست می‌آید. اگر یک دستگاه در طول ماه 10$ و دیگری 20$ در ماه برق مصرف کند، به راحتی می توان این اعداد را با هم جمع کرد. در نتیجه در این مقاله، کلمه‌ی کمی “مصرف برق” به جای عبارت متداول‌تر ولی مبهم “بهره وری” به کار می‌رود. یک بررسی کامل از شبیه‌سازی انرژی مصرفی مرکز داده در گزارش “شبیه‌سازی بهره‌وری الکتریکی در مراکز داده” آورده شده است.

مقدار یک وات watt

انرژی برق در واحدهای انرژی تحت عنوان کیلو وات-ساعت (kW-hr) محاسبه شده که همان انرژی تحویل شده طی یک ساعت در سطح برق 1000watt (1 kW) می‌باشد. تفاوت بین برق و انرژی برای تحلیل‌های اقتصادی بسیار مهم است. هزینه‌ی ظرفیت برق همان هزینه‌ایست که به سیستم های تولید کننده‌ی انرژی و افزایش آن با سطح برق طراحی شده‌ی سیستم، مرتبط است. مثال‌هایی از هزینه های ظرفیت برق عبارتند از هزینه‌ی UPS، هزینه‌ی ژنراتور، هزینه‌ی تهویه مطبوع و تجهیزات توزیع برق. هزینه‌ی انرژی به قبض برق مصرفی مرتبط است.

یکی از اصول کلیدی که برای درک این مطلب باید در نظر گرفته شود، آنست که کاهش مصرف انرژی می تواند هزینه های مرتبط با ظرفیت برق و همچنین هزینه های انرژی، را کاهش دهد. این بدان معناست که در بسیاری از موارد، صرفه جویی در برق می تواند به صرفه جویی در هزینه های زیرساخت‌های DCPI انجامیده که در بیشتر موارد، تحت تاثیر تقاضای مصرف برق است. یکی دیگر از این اصول کلیدی در درک این مطلب آنست که، میان کاهش موقتی مصرف انرژی و کاهش دائم آن تفاوت وجود دارد.

صرفه جویی های موقتی مانند کاهش مصرف یا مدیریت برق سرور ممکن است هزینه های برق را کاهش داده ولی لزوما نرخ برق سیستم‌های DCPI و هزینه ای مرتبط با آن را کاهش نمی‌دهد. تغییرات ساختاری و دائمی مانند بکارگیری سرورهای پربازده یا سیستم‌های UPS با بهره‌وری بالا هر دو هزینه های برق و هزینه های زیرساخت‌ها را کاهش خواهد داد. این اصول در جدول 1 در کنار مثال‌هایی از صرفه جویی در مقادیر، آورده شده اند.

جدول 1: مزایای اقتصادی صرفه جویی یک کیلووات یا مصرف برق در مرکز داده معمولی با دسترسی بالا، مقایسه‌ی کاهش مصرف موقتی و ساختاری

	کاهش مصرف ساختاری	کاهش مصرف موقتی	نظرات
روش صرفه جویی	مدیریت برق کاهش مصرف حالت بهینه‌ساز	سرورهایی با بهره‌وری بالا UPS با برآورد صحیح ، بهره‌وری بالا
صرفه جویی الکتریکی 1 ساله	960$	960$	با فرض 0.12$ در kW hour
صرفه جویی الکتریکی (IT) 10 ساله	9.600$	9.600$	طراحی عمر معمول مرکز داده
صرفه جویی الکتریکی(DCPI) 10 ساله	960$	13.760$	با کاهش مصرف ساختاری، کاهش در مصرف برق مرتبط با ظرفیت نیز میسر می‌شود.
صرفه‌جویی DCPI CapEx	0$	13.300$	با کاهش مصرف ساختاری، کاهش در ظرفیت تجهیزات نیز ممکن می‌شود.
صرفه‌جویی DCPI OpEx	0$	6.600$	کاهش در تجهیزات به کاهش در هزینه های عملیاتی مانند نگهداری منجر می شود.
صرفه جویی کلی در kW  در 10 سال	10.560$	43.260$

در مثال بالا، مرکز داده 2N افزونگی داشته و به طور معمول با مصرف 30% کار می کند. توجه شود که صرفه جویی یک مرکز داده‌ی فاقد افزونگی، به طرز چشمگیری تا نیمی از مقدار نمایش داده شده، کاهش می‌یابد. همچنین در شرایط معمول، تمام الزامات ظرفیت برق و سرمایش نصب شده‌ با یک تغییر در ساختار، قابل کاهش نبوده و در نتیجه صرفه جویی ها در عمل ممکن است کمتر از این مقدار باشد. اگرچه، در کل یک تخمین منطقی حاکی از آنست که کاهش مصرف ساختاری تقریبا دو برابر کاهش موقتی موثر خواهد بود.

کاهش مصرف انرژی در تجهیزات IT

مشخص است که برق مصرفی تجهیزات IT عاملی تعیین کننده در مقدار مصرف برق می باشد. مصرف برق تجهیزات IT مستقیما بر قبض برق تاثیر گذاشته و علاوه بر آن، با نیاز به تجهیزات برق و سرمایشی، آثار غیر مستقیمی نیز در پی داشته که این تجهیزات نیز به نوبه‌ی خود برق قابل توجهی مصرف می کنند. در نتیجه، تمامی کارکنان IT باید در کنترل برق مصرفی تجهیزات IT مشارکت داشته و به آن توجه نشان دهند.

روش های کنترل برق مصرفی IT در گذشته بسیار ضعیف عمل کرده‌اند. به طور مثال، سازندگان تجهیزات فاوا اطلاعات کافی فراهم نکرده و درنتیجه، کاربران در تصمیمات خود، برق مصرفی را به عنوان یک معیار در نظر گیرند. کاربران اغلب حتی نمی‌دانستند که کدام گزینه‌های IT پیش رو، بر مصرف برق تاثیرگذار است.  اگرچه، این شرایط در حال بهبود بوده و اکنون کاربران قادرند در حیطه‌ی برنامه‌ریزی و عملیات اقداماتی در پیش گرفته تا به طور سیستماتیک، به کاهش مصرف برق کمک کنند.

کاهش مصرف برق در سیستم های IT شامل روش های مختلفی بوده، شامل:

• اقدامات عملیاتی: اسقاط سیستم های فرسوده و قدیمی، عملکرد سیستم های موجود به روشی کارآمد و انتقال به پلتفرم‌های با بهره‌وری انرژی بالاتر
• اقدامات برنامه‌ریزی: مجازی‌سازی و استانداردسازی

هر یک از این روش‌ها به ترتیب مورد بحث و بررسی قرار خواهد گرفت.

عملیاتی: سیستم های IT از رده خارج شده

 بیشتر مراکز داده دارای پلتفرم هایی با تکنولوژی های قدیمی بوده که هنوز هم برای اهداف آشیو یا پژوهشی، در حال انجام عملیات هستند. در واقع، اغلب مراکز داده سرورهایی دارند که در حال عملیات بوده ولی هیچ کاربری ندارند. تهیه‌ی یک فهرست از این سیستم‌ها و ایجاد یک برنامه‌ی خارج کردن این سرورها از کار، بسیار موثر و مفید خواهد بود. در بسیاری از موارد، سیستم ها حتی اگر به طور فیزیکی از مرکز خارج نشوند، می توانند خاموش شده و مصرفشان قطع شود.

یک فرصت مرتبط با این مشکل، زمانی است که کاربرد پلتفرم‌های متعددی با تکنولوژی قدیمی می‌تواند به سرورهای جدید منتقل شده و با کاربری‌های آن تلفیق شود، که در نهایت تعداد سرورها نیز کاهش خواهد یافت. در این شکل از تلفیق، به مجازی‌سازی که در ادامه مطرح می‌شود، نیاز نمی‌باشد.

در موارد معمولی تا 20% کاهش مصرف برق امکان پذیر است. حتی اگر سطح اشغال شده در کف کاهش نیافته، بهبود ایجاد شده در ظرفیت برق بسیار ارزشمند و موثر خواهد بود چرا که کاربران می‌توانند تجهیزات IT با ظرفیت بالاتری را اجرا کنند.

عملیاتی: بکارگیری کارآمد سیستم های موجود

امروزه بیشتر سرورهای جدید دارای ویژگی‌ها و گزینه هایی در مدیریت برق هستند. این بدان معناست که سرورها قادرند مصرف و هدر رفت برق را در زمان های کاهش بار محاسباتی، کم کنند. چند سال پیش از این، زمانی که برق مصرفی تمام تجهیزات IT در حالت پرکار و کم کار تقریبا ثابت و مستقل از بار محاسباتی بود، چنین امکانی نیز فراهم نبود. کاربران باید از این تغییر ایجاد شده در تکنولوژی IT آگاه بوده و همچنین از وضعیت این ویژگی های مدیریت برق در سیستم‌های IT خود نیز اطلاع داشته باشند.

هر گاه مدیریت برق امکان پذیر باشد، باید بر روی تمام دستگاه‌های دارای این قابلیت فعال شود. توجه شود که بسیاری از تولیدکنندگان تجهیزات، محصول خود را با این ویژگی تولید کرده ولی به طور پیش‌فرض، این قابلیت در آن تجهیزات غیرفعال است. به این دلیل ممکن است ارتقای نرم افزار برای اطمینان از استفاده‌ی حداکثری از ویژگی های مدیریت برق،  ضروری باشد. ویژگی های مدیریت برق مصرف کلی برق را کاهش داده ولی الزامات ظرفیت برق را کاهش نخواهد داد.

عملیاتی: انتقال به پلتفرم‌های محاسباتی با بهره‌وری انرژی بالاتر

سیاست موثر دیگری در کاهش مصرف برق، انتقال به یک پلتفرم دیگر با بهره‌وری الکتریکی بالاتر است. بیشتر مراکز داده دارای سرورهای به اصطلاح “کم ظرفیت” هستند که 3 تا 5 سال از عمرشان می گذرد. به طور معمول، این سرورها به همان مقدار یا حتی کمتر از سرورهای تیغه‌ای امروزی ، برق مصرف کرده و هر سرور آن نیز از لحاظ فیزیکی بسیار بزرگتر می‌باشد. انتقال از سرورهای قدیمی به سرورهای مدرن تیغه‌ای با روش سرور به سرور، به طور معمول مصرف کلی برق را کاهش نداده و حتی ممکن است به افزایش مصرف بیانجامد. اگرچه چنین انتقالی فشرده سازی بالاتری را برای سرور فراهم می آورد. سرورهای تیغه‌ای در مقایسه با سرورهای همسان 1U گرمای بیشتری تولید نکرده ولی در فضاهای کوچکتر، گرمای بیشتری تولید می‌کنند که این بر مشکلات در دفع این گرمای تولید شده از مرکز داده، افزوده و این تصور را ایجاد کرده که سرورهای تیغه‌ای گرمای بیش از حدی ایجاد می‌کنند.

زمانی که یک سرور جدید نصب می‌شود، استفاده از سرورهای تیغه‌ای در برابر همین میزان پردازش با سرورهای رایج، در کل منجر به 20% کاهش در مصرف برق می‌شود. این کاهش عموما ناشی از بهره‌مندی سرورهای تیغه ای، از منبع برق و فن های کارآمدتر است. باید توجه شود که انتخاب RU تیغه‌ای، مصرف برق را نسبت به دیگر RUهای سرور، در اجرای تجهیزات جدید، کاهش داده ولی سرورهای تیغه‌ای لزوما برق کمتری نسبت به سرورهای قدیمی مصرف نمی‌کنند.

در این مطلب فرض شده است که انتقال سرور به سرور از تکنولوژی های سرور فعلی و موجود الزاما به کاهش چشمگیر در مصرف برق، منجر نخواهد شد. برای تعیین صرفه جویی های احتمالی در مصرف برق از طریق انتقال به روش سرور به سرور به سرورهای تیغه‌ای، لازم است مصرف سرورهای موجود با مصرف هر یک از سرورهای تیغه‌ای پیشنهادی مقایسه شود. علاوه بر آن، عمکلرد هر دو سرور نیز باید در قالب معیار سنجش عملکرد به ازای وات، مقایسه شود. امروزه سازندگان تجهیزات اصل [2]OEM بزرگ مانند DELL، HP و IBM ابزارهای پیکربندی را در اختیار کاربران قرار داده که مقدار مصرف برق واقعی برای سرورهای تیغه‌ای مختلف را به دقت گزارش می کند.

برای تعیین مقادیر برق مصرفی در سرورهای قدیمی، تنها راه واقع بینانه اندازه گیری مصرف سرورهای نمونه با استفاده از وات سنج، که ابزاری برای سنجش توان الکتریکی بوده، می‌باشد. با مقایسه‌ی مقادیر به دست آمده از این طریق، می‌توان صرفه جویی های برق ناشی از ارتقا عمده را تخمین زد. با این حال، سیاست های زیر در چنین ارتقا زیرساختی، عموما بسیار موثر واقع شده اند:

• به کارگیری سرورهای 2 طرفه یا سرورهای دو هسته ای تک پردازنده برای جایگزینی با 2 یا چند سرور قدیمی
• به کارگیری یک سرور تیغه‌ای با پردازنده‌ی ولتاژ ضعیف یا متوسط برای جایگزینی با یک سرور قدیمی
• برای سرورهایی با درایو دیسک‌های اختصاصی، استفاده از هارددیسک کم مصرف 5” اینچی به جای 3.5”.
• به کارگیری سرور با یک پردازنده‌ی تک هسته ای برای جایگزینی با سرور دو پردازنده‌ای
• به کارگیری یک سرور دو پردازنده دو هسته‌ای به جای سرور چهار پردازنده ای.

از این بحث می تواند نتیجه گرفت که ارتقا تجهیزات همیشه موثرترین راه کار برای کاهش مصرف برق نیست. بلکه بهترین راه تجمیع برنامه ها و سامانه های کاربری در تعداد کمتری از سرورها و مجازی‌سازی آنها است.

برنامه ریزی: مجازی‌سازی

مجازی‌سازی سرورها به کاهش قابل ملاحظه در الزامات برق IT منجر می شود. با مجازی‌سازی تقریبا همیشه تعداد سرورهای نصب شده کاهش می یابد. حذف یک سرور بسته به تکنولوژی به‌کارگرفته شده، در حکم کاهش مصرف ساختاری در حدود 200 تا 400 وات به شمار می‌رود. در نتیجه، مصرف برق کاسته شده در سال حدود 380$ به ازای هر سرور حذف شده بوده و در طول 10 سال، صرفه جویی در TCO از این طریق تقریبا 7.680$ به ازای هر سرور حذف شده خواهد بود. این صرفه جویی بسیار بیشتر از هزینه‌ی خود سرور می باشد.

برنامه‌ریزی: استاندارد‌سازی

استانداردسازی در بهره‌وری انرژی سرورها حتی بدون مجازی‌سازی نیز روشی بسیار موثر می‌باشد. امروزه، سرورهای تیغه‌ای کارامدترین سرورها از منظر انرژی محسوب می‌شوند. اگرچه انواع مختلف تیغه های سرور قابل استفاده در این سیستم دارای خواص و مصارف کاملا متفاوتی هستند. اغلب پیش‌بینی دقیق کیفیت مورد نیاز در سرورها برای سامانه نرم افزاری مورد نظر کار دشواری بوده و به همین دلیل معمولا کاربران، بالاترین مشخصات موجود را با علم به هدررفت مقداری از منابع و برق سفارش می دهند.

زمانی که سرورها مجازی‌سازی می‌شوند، استفاده از سرورهایی با بالاترین کارایی، بهترین روش به حداقل رسانی مصرف می‌باشد. البته وقتی که در یک سرور چندین سامانه نصب شده باشد امکان توزیع منابع مطابق با نیاز واقعی سامانه ها نیز مهیا می شود.

کاربرانی که قصد یکسان سازی سرورهای مرکزداده به تیغه‌ای را دارند و همچنین می خواهند بر روی هر تیغه فقط یک سامانه نصب کنند (مجازی سازی نکنند!) می بایست از دو مدل تیغه با ظرفیت متفاوت دوبرابری استفاده کنند. به طور پیش‌فرض، می بایست کلیه سامانه های نرم افزاری بر سرور تیغه‌ای با عملکرد پایین نصب شوند و فقط اگر مشخص شد که توان بالاتری برای یک سامانه خاص نیاز بوده، آن را به سرور تیغه‌ای پرظرفیت انتقال بدهند. با این سیاست، کاهش مصرف زیرساخت فاوا تا 10% یا بیشتر برای مرکز داده‌ی معمولی متصور می‌باشد.

کاهش مصرف انرژی در تجهیزات DCPI

کاهش مصرف انرژی در تجهیزات DCPI با تکنیک‌های زیر حاصل می‌شود: برآورد صحیح از سیستم DCPI متناسب با مصرف، با استفاده از دستگاه های کارامد DCPI و طراحی یک سیستم کارامد از نظر انرژی. کاربران ممکن است در طول فرایند خرید، از بهره‌وری دستگاه های DCPI آگاهی داشته ولی حقیقت آنست که داده‌هایی که تولیدکنندگان ارائه می‌دهند، معمولا برای تعیین تفاوت‌های مصرف برق واقعی کافی نبوده و علاوه بر آن در قیاس با انتخاب دستگاه های DCPI، ، هر یک از دو عامل برآورد صحیح و طراحی سیستم، تاثیر بسیار عمیق‌تری بر مصرف برق دارند.

برآورد صحیح

از میان تمامی تکنیک‌های در اختیار کاربران، برآورد صحیح متناسب با مصرف برای سیستم DCPI بیشتری اثرگذاری را بر مصرف برق DCPI خواهند داشت. بیشتر کاربران نمی‌دانند که فارغ از وجود یا عدم مصرف IT، مقدار ثابتی هدررفت در سیستم های برق و سرمایش همواره وجود داشته و این هدررفت‌ها، کسری از نرخ کلی مصرفِ سیستم است. این مقدار ثابت هدررفت ها قسمت عمده‌ی برق مصرفی در نصب معمولی DCPI به شمار می‌رود. در روش های نصبی که مصرف IT پایینی داشته، معمولا این مقدار ثابت هدررفت از مصرف IT فراتر می رود.

برای یک سیستم معمولی که مصرفی در حد 30% از نرخ خود داشته، هزینه‌ی برق به ازای هر یک kW  از مصرف IT، تقریبا 2.300$ به ازای kW در سال است. اما اگر سیستم ابعادی متناسب با مصرف داشته باشد، هزینه ی برق هر kW از مصرف IT، تا حدود 1.440$ به ازای kW  در سال کاهش یافته که این به معنی 38% صرفه جویی در هزینه های برق بوده و در جدول 2 نیز نمایش داده شده است.

باید توجه داشت که علاوه بر صرفه جویی های الکتریکی، با برآورد صحیح نیز به اندازه‌ی 1.400$ در ازای kW در سال از مصرف IT می توان در هزینه های عملیاتی و هزینه‌ی سرمایه‌ی DCPI ، صرفه جویی کرد که این مقدار، با صرفه‌جویی‌های الکتریکی برابری می کند. این مقادیر، صرفه جویی‌های احتمالی برای یک مثال مشخص بوده و باید توجه داشت در واقعیت مقدار صرفه‌جویی‌ها متفاوت بوده و ممکن است برای سیستم های فاقد افزونگی، کمتر از این مقدار باشد.

برآورد صحیح، پتانسیل آن را داشته که تا 50% از هزینه‌های قبض برق را در نصب عملی، حذف کند. مزایای اقتصادی منطقی حاصل از برآورد صحیح، یکی از دلایل اصلی در حرکت صنعت به سمت راه‌کارهای مدولار و توسعه‌پذیر DCPI به شمار می‌رود.

جدول 2: مزایای اقتصادی یک مرکز داده با ابعاد مناسب در هزینه‌ی 10 ساله به ازای هر kW

	نمونه‌ی مورد مطالعه	برآورد صحیح تنظیم شده	نظرات
الکتریسیته IT	9.600$	9.600$	با فرض 0.12$ در هر kW hour
هدررفت بخشی DCPI	960$	960$
هدررفت ثابت DCPI	12.800$	3.840$	با کاهش ساختاری از مصرف برق مرتبط با ظرفیت نیز کاسته می شود.
هزینه سرمایه DCPI	13.330$	4.000$	کاهش ساختاری از ظرفیت تجهیزات نیز می کاهد.
هزینه‌ی عملیاتی DCPI	6.667$	2.000$	کاهش در تجهیزات به کاهش در هزینه های عملیاتی مانند نگهداری منجر می شود.
هزینه‌ی کلی برق DCPI	13.760$	4.800$	تمام هدررفت ثابت یا بخشی از آن
کل هزینه‌ی برق (DCPI+IT)	23.360$	14.400$
کل TCO در 10 سال	43.360$	20.400$	شامل برق DCPI و ظرفیت و هزینه‌ی مصرف برق سرمایش

 

طراحی سیستم بهره‌ور از نظر انرژی

بسیاری از کاربران فرض را بر آن می‌گذارند که مصرف برق یک سیستم تحت تاثیر بهره‌وری هر یک از اجزای سیستم بوده و در نتیجه، اصلی ترین روش در کاهش مصرف را تمرکز بر بهره‌وری هر یک از دستگاه ها می دانند. این فرضیه دارای اشکالات بسیاری است. طراحی سیستم تاثیر بزرگی بر مصرف برق مرکز داده داشته و حتی دو مرکز داده که دارای دستگاه‌های مشابهی هستند، ممکن است قبض‌های الکتریکی بسیار متفاوتی دریافت کنند. به همین دلیل است که در تعیین بهره‌وری مرکز داده، طراحی سیستم حتی از انتخاب دستگاه‌های برق و سرمایش نیز مهم‌تر به شمار می‌رود.

در ادامه مثال هایی از مسایل طراحی سیستم آورده شده که بهره‌وری مرکز داده را تا سطحی بسیار کمتر از آنچه با جمع هدررفت هر یک از قطعات، محاسبه شده و انتظار می رود، کاهش می‌دهد:

• واحدهای توزیع برق/ یا ترانسفورماتورها که با ظرفیتی بسیار کمتر از توان خود کار می کنند.
• دستگاه‌های تهویه مطبوع که دمای ورودی کمتر از توان خود دریافت می کنند، به طور مداوم رطوبت هوا را گرفته که در نتیجه باید دوباره توسط دستگاه رطوبت‌ساز، دائما رطوبت به هوا اضافه شود.
• دستگاه‌های تهویه مطبوع در اتاق که در حال گرمایش بوده در حالی که دیگر دستگاه‌هایی در همان فضا مشغول سرمایش هستند.
• دستگاه‌های تهویه مطبوع که باید برق بیشتری مصرف کنند تا بتوانند هوا را بر خلاف جهت فشار بالا، به ناحیه‌های دورتر بدمند.
• دستگاه‌های تهویه مطبوع که حجم هوای برگشتی در آن‌ها کمتر از مقدار تخلیه شده از تجهیزات IT باشد، که منجر به عملکرد آن‌ها در ظرفیت و بهره‌وری پایین‌تر خواهد شد.
• پمپ‌های سرمایش که نرخ جریان در آن ها توسط دریچه‌های گلوگاه‌ها تنظیم شده و بهره‌وری پمپ را به طور قابل توجهی کاهش می دهد.

باید توجه داشت که این لیست تنها شامل مشکلات طراحی مرتبط با تهویه مطبوع است. در واقع بیشترین طراحی های ضعیف انجام شده که به اتلاف برق منجر می‌شوند، نیز به تهویه مطبوع مربوط بوده چرا که طراحی‌های سیستم های برق بیشتر استاندارد هستند و در نتیجه، خطاهای طراحی در آن‌ها کمتر مشاهده می شود.

 مشکلات مطرح شده در لیست کوتاه بالا معمولا مراکز داده را وادار می‌سازند که تا دو برابر مقدار مورد نیاز DCPI برق مصرف کنند. علاوه بر آن، تمامی این مسائل با کمی هزینه و تصمیمات ساده‌ای در طراحی، قابل پیشگیری هستند. در اجتناب از مشکلات مطرح شده، دو راه وجود دارد:

1- باید از مهندسی تمام و کمال طراحی مطمئن شده و برای جلوگیری از مشکلات بالا، تست هایی شامل شبیه‌سازی پیچیده‌ی دینامیک سیالات محاسباتی و تست کامل راه اندازی صورت گیرند.

2- سیستم کامل DCPI بر اساس طراحی استاندارد متشکل از ماژول‌هایی از پیش طراحی شده، از پیش تست شده و مشخصا در جهت جلوگیری از مشکلات بالا، شکل گیرد.

به دلیل هزینه های بسیار بالا و قابلیت تغییر در روش اول، دومین روش از گزینه های پیشنهادی به عنوان رویه استاندارد در تعیین و تملّک مراکز داده در آینده استفاده خواهد شد.

استفاده از دستگاه های DCPI کارآمد

اگرچه در مقایسه با طراحی IT، برآورد صحیح  از DCPI  یا طراحی سیستم DCPI، انتخاب دستگاه های DCPI مانند تجهیزات برق و سرمایش، تاثیر کمتری بر مقدار کلی مصرف برق سیستم دارد، ولی هنوز هم انتخاب دستگاه ها یک عامل مهم در طراحی مرکز داده ی کارآمد محسوب می‌شود.

میان هدررفت الکتریکی یک نوع از دستگاه‌های DCPI که تحت شرایط مشابهی نیز عمل می‌کنند، تفاوت‌های چشمگیری مشاهده می‌شود. به عنوان مثال، در مقاله ی دسامبر 2005 منتشر شده توسط موسسه‌ی تحقیقاتی برق قدرت آمریکا[3]، بیان داشته شده که سیستم های مختلف UPS که با 30% نرخ مصرف خود عمل کرده اند، هدررفتی از 4 تا 22% داشته که این به معنی تغییرات 500% می‌باشد.

نکته‌ی مهم آنست که این تغییرات را نمی‌توان از برگه‌های حاوی مشخصات این محصولات تعیین کرد. این مقاله و دیگر گزارش های اشنایدر الکتریک، به روشنی بیان نشان داده‌اند که پیش‌بینی درست مقدار هدررفت الکتریکی در مصارف واقعی تنها زمانی امکان پذیر بوده که وقتی داده های معمول ارائه شده از سوی تولیدکنندگان برای پیش‌بینی‌های کمّی مصرف مراکز داده ناکافی بوده و در نتیجه باید از مدل های مناسبی برای شبیه‌سازی استفاده شود. یک مثال از روش مناسب مقایسه ی مصرف برق در دو دستگاه DCPI در گزارش “افزایش بهره‌وری در سیستم های UPS بزرگ”[4] آورده شده است.

کاهش کلی و عملی در مصرف انرژی

شدت و اهمیت مشکل مصرف انرژی در این مقاله بیان شده و استراتژی‌های مختلفی نیز برای کاهش مصرف پیشنهاد شده است. با ترکیب این روش‌ها، می توان صرفه جویی های احتمالی حاصل از بهینه‌سازی مرکز داده در جهت کاهش مصرف برق را در قیاس با یک طراحی معمولی، به درستی خلاصه کرد.

جدول 3، بیانگر10 استراتژی موثر در کاهش مصرف برق همراه با گستره ای از صرفه‌جویی‌ها در مقایسه با مرکز داده‌ی معمول، می‌باشد. این استراتژی ها برای مراکز داده‌ی جدید موثر واقع شده و بعضی از آن ها را نیز می توان به طور یک‌جا یا در طول زمان در مراکز داده‌ی موجود فعلی نیز اجرا کرد.

جدول 3: استراتژی های عملی برای کاهش مصرف برق در مراکز داده، بیانگر گستره ای از صرفه جویی های قابل دستیابی

	صرفه جویی‌ها	راهنما	محدودیت
DCPI با برآورد صحیح	10-30%	استفاده از طراحی برق و سرمایش مدولار و توسعه پذیر صرفه جویی‌ها در سیستم های دارای افزونگی بیشتر هستند	برای طراحی های جدید و توسعه در بعضی موارد
سرورهای مجازی‌سازی شده	10-40%	در اصل راهکار مخصوص زیرساخت فیزیکی نبوده ولی تاثیر اساسی بر آن دارد. شامل تلفیق نرم افزارها در تعداد سرور کمتر، معمولا سرورهای تیغه‌ای آزاد ساختن ظرفیت برق و سرمایش برای توسعه	نیازمند تغییرات اساسی در فرایندهای IT برای دستیابی به صرفه جویی ها در برخی از تجهیزات موجود، دستگاه های سرمایش و برق ممکن است لازم باشد خاموش شوند.
طراحی پربازده‌تر تهویه مطبوع	7-15%	سرمایش دالانی برای ظرفیت های بالاتر، پربازده‌تر است(گزارش 130) مسیر جریان هوای کوتاه‌تر به توان کمتری در فن نیاز دارد تجهیزات CRAC و دمای بازگشتی بالاتر، افزایش بهره‌وری و ظرفیت و جلوگیری از رطوبت‌زدایی و در نتیجه کاهش شدید هزینه‌های رطوبت‌زایی	برای طراحی های جدید مزایا به طراحی های پرظرفیت اختصاص دارد.
حالت اکونومایزر دستگاه تهویه مطبوع	4-15%	بسیاری از دستگاه‌های تهویه مطبوع، دارای گزینه‌ی بهینه‌ساز هستند می تواند بسته به مکان جغرافیایی، به صر‌فه‌جویی‌های چشمگیر در انرژی منجر شود. در بعضی از مراکز داده، گزینه‌ی بهینه‌ساز در دستگاه های تهویه مطبوع موجود ولی غیرفعال است.	برای طراحی های جدید ارتقای دشوار
جانمایی طبقات کارامدتر	5-12%	جانمایی طبقه تاثیر زیادی بر بهره وری سیستم تهویه مطبوع دارد. شامل سامان‌دهی دالان‌های سرد و گرم با مکان‌ مناسب برای دستگاه های تهویه مطبوع (گزارش 122)	برای طراحی های جدید ارتقای دشوار
تجهیزات برق پربازده‌تر	4-10%	در مصرف یکسان، بهترین سیستم‌های UPS دارای 70% هدررفت کمتر نسبت به UPS قدیمی است. بهره‌وری در مصرف پایین تر(و نه بهره‌وری در مصرف کامل)یک پارامتر کلیدی است. فراموش نشود که هدررفت (گرمایی) UPS ها نیاز به سرمایش دارد که هزینه هایشان را دوچندان می کند.	برای طراحی های جدید یا ارتقا
هماهنگی دستگاه های تهویه مطبوع	0-10%	بسیاری از مراکز داده چندین دستگاه تهویه مطبوع داشته که عملکردشان با هم در تضاد است. ممکن است یکی در حال گرمایش و دیگری در حال سرمایش باشد. ممکن است یکی در حال رطوبت‌زدایی و دیگری در حال رطوبت‌زایی باشد. نتیجه نهایی اتلاف بالاست. ممکن است برای تشخیص مشکل به ارزیابی تخصصی نیاز باشد.	برای هر مرکز داده‌‌ای دارای چند دستگاه تهویه مطبوع
جایگذاری درست کاشی های تهویه	1-6%	بسیاری از کاشی های تهویه در مراکز داده‌ی متوسط، در جای نادرستی قرار گرفته یا تعداد نادرستی نصب شده است. مکان های درست کاشی ها واضح و شفاف نیست. یک ارزیابی تخصصی می‌تواند به نتیجه‌ی بهینه کمک کند. اثر جانبی: کاهش نقاط پرحرارت	تنها برای مراکز داده‌ی دارای کف کاذب آسان، اما نیاز به راهنمایی تخصصی برای دستیابی به بهترین نتیجه
نصب روشنایی با بهره‌وری بالاتر	1-3%	بر اساس زمان روز یا حرکت در اتاق، تعدادی از لامپ‌ها یا همه خاموش شوند. استفاده از تکنولوژی‌های پربازده‌تر نورپردازی فراموش نشود که حرارت حاصل از روشنایی نیز باید خنک شده، که این هزینه هایش را دوچندان می‌کند. مزایا در ظرفیت کم یا مراکز داده نیمه استفاده شده، بیشتر است.	قابل استفاده در بیشتر مراکز داده
نصب پنل های کاذب	1-2%	کاهش دمای ورودی سرور همچنین با افزایش دمای هوای برگشتی به CRAC، به صرفه‌جویی در انرژی کمک می کند. نصب آسان و ارزان با پنل های کاذب مشابه پنل های اشنایدر الکتریک	برای تمام مراکز داده، جدید یا قدیمی

 

جدول 3 آمده در بالا، خلاصه‌ای از برخی از قدرتمند‌ترین و عملی‌ترین ابزارهای کاهش مصرف برق در مرکز داده ارائه می‌دهد. مقادیر کاهش مصرف انرژی، با محاسبات انرژی بر اساس گزارش 113(که پیشتر در این مقاله، مطرح شده)، تخمین زده شده و بر طراحی های مختلفی از مراکز داده، اعمال شده است. علاوه بر موارد آمده در این لیست، دیگر استراتژی‌های پیچیده‌ی طراحی IT نیز پیشتر از این، در این مقاله مطرح شد.

بعضی از روش های صرفه جویی بیان شده را سازندگان می‌توانند در زمان ساخت، در تجهیزات تعبیه کنند ولی اغلب آن‌ها، مربوط به طراحی سیستم و نصب می‌باشند. طراحی های سیستم از پیش مهندسی شده و استاندارد متعددی وجود داشته که از سوی سازندگان فراهم آمده و برای بهره‌وری بالاتر، بهینه‌سازی و تایید شده اند. در مورد کاربرانِ تجهیزات موجود فعلی، که به دنبال کاهش مصرف برق خود هستند، مشتریان هم می توانند از راهنمای ارائه شده در بالا استفاده کرده و هم برخی از سازندگان چون اشنایدر الکتریک، با به‌کارگیری ابزارهای تخصصی و روش های مختص مرکز داده، خدماتی در زمینه‌ی ارزیابی بهره‌وری انرژی در مراکز داده ارائه می‌دهند.

نتیجه گیری

هزینه‌ی برق یک مرکز داده هزینه‌ی عملیاتی قابل توجهی محسوب شده که می‌تواند و حتی لازم است که مدیریت شود. طراحی مرکز داده برای کاهش مصرف همچنین به صرفه‌جویی در هزینه هایی دیگر چون هزینه‌های عملیاتی و هزینه‌ی سرمایه مربوط به سیستم برق و سرمایش انجامیده و در سطح و فضا نیز صرفه جویی می کند.

مصرف الکتریکی در مراکز داده‌ی موجود فعلی را می توان با کمک روش های کم هزینه‌ی متعددی کاهش داد ولی یکی از ابتدایی‌ترین روش ها، انتقال به پلتفرم محاسباتی پربازده‌تر است. برای مراکز داده‌ی جدید، گزینه‌های بیشتری در هر دو زمینه‌ی طراحی IT و طراحی DCPI در اختیار بوده که به مقادیر بالاتری از صرفه جویی منجر می‌شود.

برق مصرفی معمولا به طور مساوی بین مصرف IT و دستگاه های DCPI تقسیم می شود. هر نوع روش معقولی در کاهش این مقدار مصرف باید طراحی IT و DCPI را به شکل ترکیبی و به عنوان یک سیستم در نظر بگیرد تا مزایای حاصله را به حداکثر برساند.

برخی از ارائه‌دهندگان تجهیزات از طراحی استاندارد مرکز داده که با هدف بهره‌وری مهندسی شده، استفاده می‌کنند و خدمات بازرسی بهره‌وری انرژی نیز برای کاربران فراهم شده تا در کاهش مصرف برق مراکز داده‌ی موجود نیز کاربرد داشته باشد.

با این که فرصت های بزرگی برای صرفه جویی در هزینه‌ها وجود داشته ولی در قیاس با روش های قدیمی طراحی مرکز داده، سرمایه‌گذاری های انجام شده در جهت دستیابی به آن‌ها، بسیار کم بوده یا حتی در برخی موارد اصلا صورت نگرفته است.

 

[1] – White Paper 113, Electrical Efficiency Modeling for Data Centers.

[2] – original equipment manufacturer

[3] – U.S. Electric Power Research Institute

[4] – White Paper 108, Making Large UPS Systems More Efficient