اخبار مرکزداده

شبیه‌سازی بهره‌وری الکتریکی برای مراکز داده

بهای تمام شده‌ی 10 ساله‌ برای زیرساخت فیزیکی مرکز داده (DCPI) می‌تواند 80,000$ تا 150,000$ به ازای هر رک، باشد. در کل این مقدار، هزینه‌ی برق مصرف شده عامل چشمگیری به شمار رفته و تقریبا 20% بهای تمام شده را به خود اختصاص می‌دهد.[1] چنین درصد بالایی می‌تواند مزایایی نیز در پی داشته باشد، چرا که عمده‌ی این انرژی الکتریکی (در قالب گرما) هدر رفته و مقدار زیادی ا این هدررفت، قابل اجتناب است. به طور تقریبی مراکز داده در سرتاسر جهان، 40,000,000,000 kW-hr برق در هر سال مصرف کرده و کاهش هدررفت‌های مرتبط با این مقدار مصرف، همان قدر که به عنوان عاملی هزینه‌بر برای اپراتورهای مرکز داده اهمیت داشته، از منظر منافع عمومی نیز موضوع قابل توجهی محسوب می‌شود.[2]

ساده‌ترین مدل‌های معمول در بهره وریمرکز داده، تا حد زیادی هدررفت برق را کمتر از مقدار واقعی برآورد می‌کنند. ادعاها در مورد بهبود بهره وری همواره بسیار بیشتر از مقدار مورد انتظار است. در این مقاله، مدل بهبود یافته‌ای معرفی شده که دقت بالاتری در تعیین هدررفت مراکز داده ارائه داده و فرصت‌های موجود بهبود مصرف انرژی را شناسایی می‌کند.

شکل 1: برق قسمت قابل توجهی از TCO را شامل می‌شود.
شکل 1: برق قسمت قابل توجهی از TCO را شامل می‌شود.

“بهره وری مرکز داده” چیست؟

بهره وری هر دستگاه یا سیستمی همان قسمتی از عامل ورودی (برق، سوخت یا هر چیز دیگر که کارکرد آن را ممکن ساخته) بوده که به نتیجه‌ی مطلوب و مفید تبدیل می‌شود- هرچیزی به غیر از این نتیجه‌ی مطلوب، “هدررفت” محسوب خواهد شد. این قسمت از خروجی مفید از کل ورودی، را معمولا در قالب درصد بیان می‌کنند. تمام نتایج مطلوب در سیستم‌های مشخص، “مفید” محسوب می شوند و این نتیجه‌ی مطلوب، نه تنها بر ماهیت سیستم، بلکه بر زمینه‌ی کاربرد آن نیز بستگی خواهد داشت. به عنوان مثال، لامپی که خروجی معادل 5% نور و 95% گرما داشته را بسته به آن که برای نورپردازی یا گرمایش اتاق به کار رفته، می‌توان لامپی با 5% بهره وری یا هیتری با 95% بهره وری دانست. خروجی “مفید” همان نتیجه‌ای است که تحت شرایط مورد نظر، برای سیستم منطقی و مطلوب به نظر می‌رسد.

در حیطه‌ی مراکز داده، بهره وری را به عنوان نسبتی از تمام تاسیسات برق به برق تجهیزات فاوا تعریف و اندازه گیری می‌کنند.

چنین روش سنجشی را با نام بهره وری مصرف برق (PUE) می‌شناسند. مقدار PUE مساوی 1 به معنای بهره وری 100% در مرکز داده است. هر چه این عدد بالاتر رود، بهره وری کلی مرکز داده پایین‌تر خواهد بود. به طور مثال PUE مساوی 2 بدان معناست که مرکز داده دو برابر مقدار برق مورد نیاز برای عملکرد تجهیزات فاوا، برق مصرف می‌کند.

ورودی زیرساخت‌های فیزیکی مرکز داده، برق و خروجی مفید آن همان تجهیزات کامپیوتری است. در این مقاله، یک مرکز داده به عنوان سیستم الکتریکی شبیه‌سازی شده که “ورودی کل” آن همان برق مصرف شده از نیروگاه بوده و “خروجی مفید” آن، مقدار برقی است که صرف رایانش می‌شود که معادل همان مقداری است که در تجهیزات فاوا تامین شده است.[3]

این مدل کلی بهره وری مرکز داده در شکل 2 نمایش داده شده است.

شکل 2: بهره‌وری مرکز داده به عنوان قسمتی از برق ورودی تامین شده برای مصارف فاوا تعریف می شود.
شکل 2: بهره وریمرکز داده به عنوان قسمتی از برق ورودی تامین شده برای مصارف فاوا تعریف می شود.

اگر مراکز داده 100% بهره‌ور باشد(با PUE=1)، تمامی برق تامین شده به مصرف فاوا می‌رسد.

در واقعیت، به دلیل الزامات اجرایی در جای‌گیری مناسب، تامین برق و سرمایش و حفاظت کافی از تجهیزات فاوا ، انرژی الکتریکی از روش‌های مختلفی توسط دیگر دستگاه‌های غیر از مصارف فاوا، استفاده شده تا رایانش مورد نظر حاصل شود. (این وظایف بر عهده‌ی زیرساخت‌های فیزیی مرکز داده یا DCPI می‌باشد.) دستگاه‌های مصرف کننده‌ی برق  به غیر از تجهیزات فاوا شامل ترانسفورمر‌ها، UPSها، کابل‌های برق، فن‌ها، دستگاه‌های تهویه مطبوع، پمپ‌ها رطوبت‌سازها و تجهیزات نورپردازی می‌باشد.

بعضی از این دستگاه‌ها مانند UPS و ترانسفورمرها، با مصارف فاوا به طور سری قرار گرفته(به دلیل آن که مسیر برق مورد نیاز این مصارف را شکل می‌دهند)  در حالی که دیگر دستگاه‌ها همچون تجهیزات نورپردازی و فن‌ها، موازی با مصارف فاوا بوده چرا که از کارکردهای دیگری در مرکز داده، پشتیبانی می‌کنند. در شکل 3، اجزای داخلی مصرف کننده‌ی برق در مدل بهره وری مرکز داده نشان داده شده است.

شکل 3: جزییات مصرف برق در مدل بهره‌وری مرکز داده
شکل 3: جزییات مصرف برق در مدل بهره وریمرکز داده

 مفهوم “مفید” و “هدررفت” در مدل بهره وری مرکز داده

در یک مدل بهره‌وری، تمام آنچه که در تعریف خروجی مفید نمی‌گنجد، “هدررفت” نام دارد. مشخص است که DCPI علاوه بر تامین برق برای مصارف فاوا، وظایف دیگری نیز بر عهده داشته که در شکل 3، تحت عنوان “زیرساخت” نشان داده شده است. برخی معتقدند که خروجی مفید این زیرسیستم‌های DCPI (مانند سرمایش یا نورپردازی) را باید به عنوان قسمتی از “خروجی مفید” مرکز داده به شمار آورد.

این موضوع به چهارچوب مرجع مرتبط است. موضوع این تحلیل، بهره وری کلی مرکز داده در تولید خروجی‌های مفید یا همان رایانش می‌باشد. هدف از ساخت مراکز داده، ایجاد سرمایش یا حفاظت در برابر حریق یا هر یک از دیگر نتایج مطلوب DCPI، نمی‌باشد. در عین حال که این خروجی‌های DCPI، در عملکرد داخلی مرکز داده جهت پشتیبانی از خروجی اصلی (رایانش) بسیار موثر است، اما این خروجی‌ها به تنهایی یک “خروجی مفید” از مرکز داده محسوب نشده و به همین دلیل نیز، مصرف برق آن ضروری محسوب نمی‌شود.

فعالیت‌های غیر از مسیر برق DCPI باید عاملی نامطلوب در پشتیبانی رایانش مرکز داده محسوب شده در نتیجه، مدل بهره وری مرکز داده این موارد را هدررفتی در نظر گرفته که باید تا حد ممکن کاهش یافته و به حداقل برسد.

جهت کاهش مصرف کلی برق مرکز داده، این موارد باید موضوع طراحی‌های جایگزین و تکنولوژی‌های جدید قرار گیرند. به عنوان مثال، بعضی از مراکز داده‌ از روش‌های “سرمایش رایگان” استفاده کرده و با تکنیک‌هایی چون چرخ حرارتی و سرمایش صفحه و فریم، از هوای خنک بیرون بهره‌ می‌برند. از این طریق می‌توان مقدار برق مصرف شده بر سرمایش را کاهش و بهره وری مرکز داده افزایش داد.

در ادامه، در تحلیل هر یک از اجزای بهره وری–چهارچوب مرجع کوچکتری برای بهره وری مراکز داده- “خروجی مفید” اجزای DCPI با نگاهی منتقدانه مورد بررسی قرار گرفته تا عدم بهره وری(هدررفت) داخلی در مدل‌ کلی بزرگ‌تر مرکز داده کاهش یابد.

برق مرکز داده در کجا مصرف می‌شود؟

اگر برق “مفید” مرکز داده (تعریف شده در PUE) را برق تامین شده در مصارف فاوا در نظر بگیریم، مابقی برق در کجا مصرف می‌شود؟ در شکل 4 مسیر جریان برق در مرکز داده‌ای معمولی نشان داده شده است. باید توجه داشت که در واقع تمامی برق تامین شده در مرکز داده در نهایت به گرما تبدیل خواهد شد.

شکل 4: جریان برق در مرکز داده‌ای معمولی
شکل 4: جریان برق در مرکز داده‌ای معمولی

مرکز داده‌ی نمایش دده شده در شکل 4، مرکزی با سطح دسترسی بالا، دو مسیر برق و N+1 دستگاه CRAC بوده که با مصرفی در حد 30% از ظرفیت طراحی عمل می‌کند.

باید توجه داشت که کمتر از نصف برق ورودی این مرکز داده در واقع به مصرف فاوا می‌رسد. با توجه تعریف PUE، با 47% از برق ورودی که به مصرف فاوا رسیده، مرکز داده‌ی شکل 4 با PUE معادل 2.13 عمل می‌کند.

فرصت‌های افزایش بهره وری مرکز داده

از سه روش زیر می‌توان بهره وری مرکز داده را افزایش داد:

  1. طراحی داخلی دستگاه‌های DCPI را بهبود بخشیده تا برق کمتری برای عملکرد خود مصرف کنند؛
  2. ابعاد اجزای DCPI را به مصارف واقعی فاوا نزدیک‌تر ساخته (برآوردهای درست) تا اجزا با بهره وری بالاتری عمل کنند؛
  3. تکنولوژی‌های جدید را توسعه بخشیده تا نیاز به برق در کارکردهای پشتیبانی DCPI (همچون تکنیک‌های سرمایش رایگان که پیشتر مطرح شد) کاهش یابد.

(همان طور که در ادامه نشان داده خواهد شد، مورد شماره‌ی 2 بیشترین فرصت‌های آنی را برای افزایش بهره وری مرکز داده فراهم می‌آورد.)

در شکل 5، نشان داده شده که چگونه با کاهش مصرف برق داخلی، بهره وری مرکز داده افزایش می‌یابد.

شکل 5: افزایش بهره‌وری مرکز داده
شکل 5: افزایش بهره وری مرکز داده

سوتعبیرها از بهره‌وری

در عین حال که بهره وری مرکز داده را می‌توان به طور کمی با تقسیم کل برق ورودی مرکز داده بر جمع مصارف برق تمامی تجهیزات فاوا به دست آورد، اما تکنیک متداول آن تکیه بر اطلاعات سازنده در مورد بهره وری اجزای اصلی همچون UPS و CRAC می‌باشد. این تکنیک ممکن است ساده‌تر بوده، اما معمولا به برآوردی بسیار بیشتر از واقع در بهره وری منجر شده که هر اطلاعات مفید احتمالی در شناسایی فرصت‌های صرفه‌جویی در هزینه‌های برق، را در ابهام قرار خواهد داد.

بهره وری مرکز داده بیش از “برچسب” بهره وری اجزا می‌باشد

سازندگان اجزا، داده‌هایی در مورد بهره وری برق و سرمایش تجهیزات ارائه می‌دهند. برای تجهیزات برق، بهره وری معمولا به عنوان درصد خروجی به ورودی برق بیان شده، اما برای تجهیزات سرمایش بهره وری تحت عنوان پارامتری به نام “ضریب عملکرد” – نسبت گرمای دفع شده به برق ورودی- بیان می‌شود.

مقادیر منتشر شده‌ی بهره وری از سوی سازندگان مختلف برای دستگاه‌های مشابه تفاوت چندانی ندارند که این، به دیدگاه ساده‌تری از هدررفت بهره وری مرکز داده به معنای جمع هدررفت‌های اجزای مختلف، منجر می‌شود. متاسفانه در حالت بررسی مراکز داده‌ی واقعی، این روش نتایج دقیقی ارائه نمی‌دهد. استفاده از مقادیر بهره وری سازندگان باعث شده تا کاربران یا طراحان برآورد کاملا نادرستی از بهره وری داشته باشند و در نتیجه، هدررفت مراکز داده ی واقعی را به طور غیرواقعی، تخمین زنند.

شکل 6: سازندگان عدد واحدی برای بهره‌وری هر یک از اجزا، ارائه می‌دهند.
شکل 6: سازندگان عدد واحدی برای بهره وریهر یک از اجزا، ارائه می‌دهند.

 فرضیات اشتباه

در جدول 1، لیستی از سه سوتعبیر متداولی که موجب خطاهای قابل توجهی در مدل‌های بهره وری مرکز داده شده، آورده شده است.

جدول 1: سوتعابیر متداول در مورد بهره وری مرکز داده

فرضیات اشتباه

واقعیت

1  بهره وری اجزای برق و سرمایش ثابت و مستقل از مصرف فاوا می‌باشد.

بهره وری اجزا – به خصوص دستگاه‌های CRAC و  UPS- به طور قابل توجهی در مصارف کمتر فاوا، کاهش می‌یابد.

2  اجزای برق و سرمایش در مصرف کامل طراحی یا نزدیک به آن، کار می‌کنند.

مصرف معمول فاوا بسیار کمتر از ظرفیت طراحی در اجزای استفاده شده‌ی DCPI است.

3  گرمای تولید شده توسط اجزای برق و سرمایش جزیی است.

گرمای خروجی از اجزای برق و سرمایش، بار برودتی قابل ملاحظه‌ای محسوب شده و باید در تحلیل عدم بهره وری سیستم سرمایش، لحاظ شود.

 

خطاهای اصلی ، به خصوص در مصارف پایین‌تر فاوا که در اکثر مراکز داده متداول است، با یکدیگر ترکیب می‌شوند. در نتیجه هدررفت برق مرکز داده معمولا به یک یا چند دلیل، اشتباه برآورد می‌شود.

خوشبختانه، می‌توان مدل ساده‌ای ایجاد کرد که مشکلات فوق را برطرف کرده و تخمین‌های دقیق‌تری از بهره وری ارائه دهد.

مدل‌های ارتقای بهره‌وری

یک مدل بهبودیافته‌ی بهره وری کلی مرکز داده، به میزان دقت در شبیه‌سازی هر یک از اجزا، همچون UPS، وابسته است. یک روش متداول، بکارگیری مقداری واحد به جای بهره وری در حین تعیین ویژگی های اجزای برق و سرمایش است اما، در نصب و اجرای واقعی مراکز داده، این روش ناکارآمد خواهد بود. بهره وری واقعی اجزایی چون UPS، ثابت نبوده بلکه تابعی از مصرف فاوا می‌باشد. در شکل 7، منحنی معمول بهره وری UPS نمایش داده شده است.

شکل 7: بهره‌وری معمول UPS به عنوان تابعی از مصرف
شکل 7: بهره وری معمول UPS به عنوان تابعی از مصرف

باید توجه داشت در مصارف بسیار کم و جزیی، بهره وری این دستگاه تا حد صفر پایین می‌آید. علتش آنست که بعضی از هدررفت‌ها مانند هدررفت منطق کنترل، از مقدار مصرف مستقل است. این هدررفت‌های ثابت مستقل از مصرف را با نام‌های مختلفی می‌شناسند: فاقد مصرف، ثابت، shunt، خالص یا هدررفت موازی. در این مقاله از عبارت هدررفت فاقد مصرف استفاده می‌شود.

در شکل 8، نمای دیگری از همان داده‌های آمده در شکل 7، ارائه شده است. توجه شود که با کاهش مصرف، مقدار برق داخلی UPS (هدررفت با قسمت قرمز رنگ در هر ستون نشان داده شده)، تبدیل به قسمت بزرگ‌تری از کل مصرف برق شده و در نتیجه، درصد بهره وری نیز کاهش می‌یابد. دلیل آن به همان قسمت فاقد مصرف از هدررفت‌ها باز می‌گردد که بدون توجه به تغییرات مصرف، ثابت باقی می‌ماند.
شکل 8: تاثیر هدررفت داخلی UPS بر بهره‌وری
شکل 8: تاثیر هدررفت داخلی UPS بر بهره‌وری

بهره وریUPS که با داده‌های آمده در شکل 7 و 8 توصیف شده است، را می‌توان 91% در نظر گرفت. اگرچه، این بهره وری در مصرف کامل یا بهترین شرایط حاصل می‌شود. در مصارف کم، که بیشتر مراکز داده نیز با چنین مصارفی کار می‌کنند، ادعای بهره وری 91% برای چنین دستگاهی کاملا اشتباه است – به طور مثال، در 10% از مصرف UPS مشابه، تنها 60% بهره وری نشان داده است. مشخص است که در این شرایط، مدلی تک پارامتری در تعیین بهره وری ناکافی خواهد بود.

سه نوع هدررفت داخلی دستگاه

با بررسی دقیق شکل 8، ثابت می‌شود که هدررفت دستگاه (قسمت قرمز رنگ ستون‌ها) با افزایش مصرف، افزایش می‌یابد. علت آن، هدررفت‌های اضافی -علاوه بر هدررفت فاقد مصرف- بوده که با مقدار مصرف، متناسب هستند. حتی ممکن است نوعی از هدررفت‌ها (که در این نمودار مشخص نبوده) نیز مشاهده شود که با مجذور مقدار مصرف، متناسب باشد که البته قابل توجه نبوده ولی در مصارف بالاتر، می‌تواند موجب کاهش کلی بهره وری گردد.

در جدول 2، مقادیر متداول این سه نوع هدررفت برای تجهیزات مختلف به کار رفته در مراکز داده، آورده شده است. در ستون آخر، این هدررفت‌ها با هم جمع شده و مقدار هدررفت کلی برای آن جز تعیین شده است.

جدول 2: هدررفت‌های معمول برق در اجزای DCPI که به عنوان تابعی از مقدار کامل مصرف اجزا بیان شده

اجزای DCPI

هدررفت فاقد مصرف

+ هدررفت نسبی (متناسب با مصرف)

+ هدررفت متناسب با مجذورمصرف

= هدررفت کلی (یک پارامتر)

UPS

4%

5%

9%

PDU

1.5%

1.5%

3%

نورپردازی

1%

1%

کابل کشی

1%

1%

تابلو توزیع

0.5%

0.5%

ژنراتور

0.3%

0.3%

CRAC

9%

0%

9%

رطوبت ساز

1%

1%

2%

چیلر

6%

26%

32%

 

با توجه به جدول 2، مشاهده می‌شود که با تعیین ویژگی‌های هر دستگاه با تنها دو پارامتر، می‌توان مدلی بسیار کامل‌تر برای اجزای به کار رفته در مراکز داده، ایجاد کرد. باید توجه داشت که هدررفت‌های آمده در این جدول، به عنوان درصدی از مصرف کامل تجهیزات بیان شده و در مصارف واقعی کمتر از مقدار کامل مصرف، درصد این هدررفت‌ها نیز به روش زیر تغییر خواهد کرد:

  • هدررفت فاقد مصرف: درصد هدررفت با کاهش مصرف، افزایش می‌یابد.

  • هدررفت نسبی: درصد هدررفت (مستقل از مقدار مصرف) ثابت می‌ماند.

  • هدررفت متناسب با مجذورمصرف: درصد هدررفت با کاهش مقدار مصرف، کاهش می‌یابد.

بهره وری معمول UPS، که در شکل 7 و 8 نشان داده شده، را نمی‌توان تنها با یک پارامتر بهره‌وری، به درستی شبیه‌سازی کرد، اما در جدول 2، با کمک دو پارامتر هدررفت فاقد مصرف (4%) و هدررفت نسبی (5%)، به روش مناسبی شبیه‌سازی شده است.

تاثیر کم باری

 در قسمت قبل توضیح داده شد که با بکارگیری تجهیزات در مصرفی کمتر از مقدار مصرف مبنا، بهره وری سیستم برق و سرمایش به طور قابل ملاحظه‌ای کاهش می‌یابد. بدان معنا که هر تحلیلی از داده‌های بهره وری مرکز داده باید به درستی، مصرف را به عنوان تابعی از ظرفیت مبنا، نمایش داده و در نظر گیرد.

فرضیه اشتباه شماره 2

اجزای برق و سرمایش در مصرف کامل طراحی یا نزدیک به آن، کار می‌کنند.

در مدل‌های ساده‌ی بهره وری که از یک مقدار واحد بهره وری در شبیه‌سازی تجهیزات استفاده می‌کنند، مقدار مصرف بی‌تاثیر می‌باشد (به عبارت دیگر در این مدل‌ها، بهره وری با تغییر مصرف، تغییر نمی‌کند.). با این حال در اکثر مراکز داده، تجهیزات برق و سرمایش معمولا بسیار کمتر از ظرفیت نامی خود، کار می‌کنند. در نتیجه، برآوردهای چنین مدل‌هایی، به طور محسوسی بیشتر از بهره وری واقعی مراکز داده خواهد بود.

در هر نوع از تجهیزات برق یا سرمایش، برای کارکرد اجزا با ظرفیتی کمتر از ظرفیت نامی خود چهار دلیل وجود دارد:

  • مصرف فاوای مرکز داده به سادگی کمتر از ظرفیت مبنای سیستم است؛
  • ظرفیت اجزا با قصد قبلی و برای تامین حاشیه‌ی امن، بیشتر از مقدار واقعی برآورد شده باشد؛
  • اجزا به همراه اجزای مشابه دیگری در پیکربندی N+1 یا 2N قرار گرفته و کار کنند؛
  • برای پشتیبانی از تنوع و تغییر در مصرف، ظرفیت اجزا بیش از حد نیاز برآورد شده باشند.

مصرف فاوا کمتر از ظرفیت مبنای مرکز داده است.

تحقیقات به وضوح نشان داده‌اند که به طور میانگین، مراکز داده با ظرفیتی تا 65% کمتر از مقدار ظرفیت مبنای خود عمل می‌کنند. این شرایط در گزارش ” جلوگیری از هزینه‌های ناشی از برآورد نادرست و دست و دل بازانه در زیرساخت‌های مرکزداده”[4] به تفصیل توضیح داده شده است. در قسمت بعدی این مقاله، نشان داده خواهد شد که استفاده‌ی کمتر از ظرفیت کامل، عاملی اصلی و تاثیرگذار در عدم بهره وری مراکز داده است.

ظرفیت اجزا با قصد قبلی و برای تامین حاشیه‌ی امن، بیشتر از مقدار واقعی برآورد شده باشد.

در اقدامی متداول به نام ” افت کارکرد”، معمولا ظرفیت اجزا بیشتر از حد نیاز برآورد می‌شود. علتش نیز این عقیده است که باید از کارکرد اجزا در مرز محدوده‌ی ظرفیت اجتناب کرد. با آن که بدون این افت کارکرد نیز تاسیسات قادر به کار خواهند بود اما، در تاسیسات با دسترسی بالا، اعمال مقادیر 10-20% به عنوان افت کارکرد، یکی از اصول توصیه شده در طراحی محسوب می‌شود.

اجزا به همراه اجزای مشابه دیگری در پیکربندی N+1 یا 2N قرار گرفته و کار کنند.

معمولا دستگاه‌ها را در پیکربندی N+1 یا حتی 2N به کار می‌گیرند تا قابلیت اطمینان بهبود یافته و/یا نگهداری همزمان اجزا بدون خاموشی سیستم، امکان‌پذیر شود. عملکرد مرکز داده با چنین پیکربندی به معنای گسترده‌سازی مصارف فاوا میان اجزای متعددی از DCPI و کاهش موثر مصرف اجزا می‌باشد. برای سیستم 2N، مصرف هر یک از اجزا کمتر از نصف ظرفیت مبنا می‌باشد. در نتیجه، بهره وری مرکز داده شدیدا تحت تاثیر عملکرد دستگاه‌ها در پیکربندی N+1 یا 2N قرار می‌گیرد.

برای پشتیبانی از تنوع و تغییر در مصرف، ظرفیت اجزا بیش از حد نیاز برآورد شده باشند.

از آن جا که این تاثیر نامحسوس و مبهم است، با کمک مثال، بهتر بیان می‌شود. مرکز داده‌ای را با مصرف 1MW در نظر بگیرید که توسط UPS 1.1MW پشتیبانی می‌شود. ده دستگاه PDU، میان UPS و مصارف فاوا قرار دارد که هر یک، قسمتی از برق مورد نیاز مصارف فاوا را تامین می‌کنند. حال پرسش اینست که : ظرفیت هر یک از این PDUها چقدر است و در نتیجه، برای میانگین مصرف، هر یک از آن‌ها در چه ظرفیتی عمل می‌کنند؟

در نگاه اول این طور به نظر می‌رسد که اگر ظرفیت هر دستگاه 100kW باشد، نیاز طراحی سیستم برآورده شده است. علاوه بر آن، اگر هر PDU با مصرف کامل کار کند، مرکز داده نیز می‌تواند با تمام مصرف خود کار کند. اگرچه، در مراکز داده‌ی واقعی اطمینان از چنین تعادلی در میان مصارف PDUها تقریبا غیرممکن است.

در مرکز داده، مقدار مصرف وارد شده بر هر PDU را ماهیت تجهیزات فاوای واقع در محدوده‌ی مکانی PDU تعیین می‌کند.

در واقع، در مرکز داده‌ی واقعی مصارف وارده بر PDUهای مختلف اغلب تا دو برابر متغیر است. اگر یک PDU، برق قسمتی از مرکز داده را تامین کند که تمام فضای فیزیکی آن استفاده شده اما هنوز قسمتی از ظرفیت برق PDU در آن، بلااستفاده باقی بماند، در این صورت اگر همه‌ی 9 دستگاه PDU دیگر نیز با ظرفیت کامل کار کنند، ظرفیت باقیمانده‌ی اینPDU بلااستفاده می‌ماند. در این پیکربندی، تنها راه اطمینان از عملکرد ظرفیت کامل مرکز داده آنست که ظرفیت کلی PDU به طور محسوسی بیش از حد نیاز برآورد شود.

این برآورد بیش از حد در ظرفیت PDU، معمولا در حدود 30-100% خواهد بود. همانند مثال قبلی، چنین برآورد نادرستی بهره وری سیستم را کاهش می‌دهد. در شکل 9، نیاز به این برآورد بیش از حد PDU جهت پشتیبانی از تنوع مصرف، نمایش داده شده است. باید توجه داشت که مشکل مشابهی که به برآورد نادرست برای PDU انجامید، در مورد دستگاه‌های هواساز نیز وجود دارد.

شکل 9: تاثیر تنوع در مصارف بر برآورد ظرفیت PDU
شکل 9: تاثیر تنوع در مصارف بر برآورد ظرفیت PDU

تاثیر گرما

فرضیه اشتباه شماره 3

گرمای تولید شده توسط اجزای برق و سرمایش جزیی است.

یکی دیگر از خطاهای اصلی در شبیه‌سازی بهره وری مرکز داده، این فرضیه است که گرمای خروجی تجهیزات برق و سرمایش(عدم بهره‌وری) قسمت ناچیزی از مصرف فاوا بوده و در نتیجه، قابل اغماض است. در واقع، گرمای تولید شده توسط تجهیزات برق و سرمایش چندان تفاوتی با گرمای حاصل از تجهیزات فاوا نداشته و باید توسط سیستم سرمایش دفع شود. این امر، بار اضافی بر سیستم سرمایش قرار داده که به هدررفت‌های اضافی بهره وری در این سیستم می‌انجامد. جهت محاسبه‌ی مناسب این هدررفت‌ها، بار برودتی می‌بایست در کنار تجهیزات فاوا، هر گونه هدررفت دیگری که ناشی از دستگاه‌های برق و سرمایش واقع در فضای تحت تهویه مطبوع بوده را نیز، در بر گیرد.

جمع‌بندی قسمت‌ها

مطابق با بحث فوق، می‌توان مدل بهبودیافته‌ای برای بهره وری مراکز داده ایجاد کرد. چنین مدلی باید ویژگی‌های زیر را در خود داشته باشد:

  • اجزا با هدررفت فاقد مصرف، نسبی، و متناسب با مجذورمقدار مصرف شبیه‌سازی شوند؛
  • برآوردهای بیش از حد نیاز که ناشی از افت کارکرد تجهیزات بوده، اتفاق افتاده؛
  • ظرفیت‌های بلااستفاده‌ی ناشی از طراحی‌های N+1 یا 2N، اتفاق افتاده؛
  • بار سرمایشی شامل مصارف فاوا و گرمای ناشی از هدررفت‌های دستگاه‌های داخلی برق و سرمایش در نظر گرفته شود؛
  • در نصب و اجرای مرکز داده‌ی مورد نظر، با درک آن که مراکز داده‌ی معمولی در ظرفیتی کم‌تر از ظرفیت مبنا کار می‌کنند، مدل یک ارائه‌ی گرافیکی از بهره وری به عنوان تابعی از مصرف فراهم آورد.

اجرای مدل سرراست بوده و از روند کلی زیر پیروی می‌کند:

  • سطح میانگین در برآوردهای بیش از حد نیاز در هر نوع از دستگاه‌های برق و سرمایش تعیین شده تا فاکتورهای افت کارکرد، تنوع مصرف و افزونگی محدود شوند.
  • با استفاده از مصرف ورودی، بخشی از بار، هدررفت فاقد مصرف، هدررفت نسبی، هدررفت عملیاتی برای هر نوع از اجزا تعیین شود.
  • به دلیل نیاز سیستم سرمایش به دفع گرما از تجهیزات برق و سرمایش داخل مرکز داده، هدررفت اضافی نسبی تعیین گردد.
  • مجموع تمامی هدررفت‌ها محاسبه شود.
  • هدررفت‌ها به عنوان تابعی از مصرف فاوا در مرکز داده، محاسبه و در جدول دسته‌بندی شوند.

مدلی کامپیوتری مبتنی بر این اصول ایجاد و به کار گرفته شده تا مقدار مصرف انرژی را در متدولوژی تحلیل TCO مرکز داده‌ی اشنایدر الکتریک، محاسبه کند که این مدل در گزارش ” تعیین بهای تمام شده برای زیرساخت‌های مرکز داده و اتاق شبکه”[5] توضیح داده شده است.

دستگاه‌هایی با حالات عملیاتی چندگانه

بعضی زیرسیستم‌های DCPI – مانند دستگاه تهویه مطبوع- ممکن است دارای چند حالت عملیاتی با بهره‌وری‌های متفاوت مختص هر حالت، باشند. به عنوان مثال، بعضی از سیستم‌های تهویه مطبوع دارای حالت “بهینه‌ساز” بوده تا در مواقعی که دمای هوای بیرون پایین بوده، عمل کرده و بهره وری سیستم را تا حد زیادی افزایش دهد.

چنین دستگاه‌هایی را نمی‌توان با استفاده از یک منحنی بهره وری مبتنی بر مدل ساده با 3 پارامتر(هدررفت فاقد مصرف، هدررفت نسبی و هدررفت متناسب با مجذور مصرف) که توضیح داده شد، شبیه‌سازی کرد. برای ایجاد مدل بهره وری برای دستگاه‌های با حالات چندگانه، تکنیک متفاوتی به کار می‌رود. خوشبختانه، این تکنیک به درستی ایجاد شده و در طراحی و مهندسی رواج یافته است.

دستگاه‌های دارای عملکردی متغیر بین چند حالت متفاوت، را می‌توان در دوره‌ی زمانی طولانی‌تر، و با بکارگیری تکنیکی ساده به نام “میانگینstate-space ” شبیه‌سازی کرد. این کار با تعیین مقادیر نسبی زمان صرف شده در حالات عملکرد مختلف، و سپس محاسبه‌ی میاگین وزنی از خروجی سیستم امکان‌پذیر است. در حال حاضر، از این تکنیک در محاسبات هدررفت‌ها و بهره وری استفاده می‌شود.

برای بکارگیری مدل بهره وری ارائه شده در این مقاله، در دستگاه‌های DCPI با حالات عملیاتی چندگانه، ابتدا باید سه نوع هدررفت مطرح شده را برای هر حالت عملیات، تعیین کرد. سپس با ضرب هدررفت هر حالت در ضریب دوره‌ی زمانی مورد انتظار آن حالت، می‌توان هدررفت کلی در طول دوره‌ی زمانی مشخص را محاسبه کرد. به عنوان مثال، برای توضیح کامل سیستمی با دو حالت عملیاتی، به سه منحنی بهره وری نیاز است:

  • منحنی بهره وری در حالت 1
  • منحنی بهره وری در حالت 2
  • منحنی بهره وری کلی مورد انتظار، با احتساب فرضیات مشخص در مورد دوره‌ی زمانی هر حالت

بهره وری در جهان واقعی

با دستیابی به مدلی بهتر در شبیه‌سازی مصرف برق مرکز داده، می‌توان تخمین‌های واقع‌بینانه‌تر از بهره وری مرکز داده در اختیار داشت. با بکارگیری مقادیر معمول برای هدررفت تجهیزات، افت کارکرد، تنوع مصرف، برآورد بیش از حد نیاز و افزونگی، منحنی بهره وری شکل 10 حاصل خواهد شد.

شکل 10: بهره‌وری مرکز داده‌ای معمولی با استفاده از مدل بهبودیافته
شکل 10: بهره وری مرکز داده‌ای معمولی با استفاده از مدل بهبودیافته

باید توجه داشت که این منحنی بهره‌وری (PUE) و مصرف (ظرفیت برق استفاده شده) بسیار متفاوت از تخمین‌های مبتنی بر محاسبات سنتی است که از اطلاعات منتشر شده توسط سازنده در تعیین بهره وری استفاده می‌کرد. تخمین سنتی از بهره وری مرکز داده که در شکل 10 آمده، از مصرف مستقل بوده و مقداری در حدود  60-70% دارد. در این مدل بهبودیافته، به خصوص در مصارف کم‌تر که محدوده‌ی واقعی عملیات مراکز داده نیز بوده، کاهشی چشمگیر در بهره وری مرکز داده پیش‌بینی شده است.

این مدل نشان می‌دهد که در مراکز داده با مصارف جزیی، تاثیرات عدم بهره وری می‌تواند کاملا محسوس باشد. به طور مثال، در یک مرکز داد‌ه‌ با مصرف 10% از ظرفیت نامی خود، در هر 10 وات برقی که برای مرکز داده تامین شده، در واقع تنها از 1 وات در تجهیزات فاوا استفاده می‌شود. تمامی 9 وات باقیمانده در هدررفت‌های زیرساخت‌های فیزیکی مرکز داده، از دست می‌رود.

راهی دیگر در بررسی این هدررفت‌ها، توجه به هزینه‌های ناشی از آن هاست. در شکل 11، هزینه‌ی سالیانه‌ی برق یک مرکز داده‌ی 1MW به عنوان تابعی از مصرف فاوا، نشان داده شده است. این شکل بر اساس طراحی معمول و با دسترسی بالا، دارای دو مسیر برق و N+1 دستگاه CRAC است. در این تحلیل، هزینه ی برق 0.10$ به ازای هر kW-hr فرض شده است.

شکل 11: هزینه سالیانه برق برای مرکز داده‌ای معمول 1MW به عنوان تابعی از قسمت استفاده شده‌ی ظرفیت مبنا
شکل 11: هزینه سالیانه برق برای مرکز داده‌ای معمول 1MW به عنوان تابعی از قسمت استفاده شده‌ی ظرفیت مبنا

در شکل 11 نشان داده شده که هزینه‌ی کلی برق مرکز داده‌ی 1 مگاواتی، بسته به مقدار مصرف فاوا، از 600,000$ تا 1,700,000$ در سال تغییر می‌کند. توجه شود که حتی بدون هیچ مصرفی در تجهیزات فاوا، باز هم به دلیل عدم بهره وری و هدررفت سیستم برق و سرمایش، هزینه‌ها بالای 500,000$ در سال خواهد بود. در سطح استفاده 30% از ظرفیت مرکز داده، بیش از 70% از هزینه‌های برق توسط این هدررفت‌های تجهیزات برق و سرمایش، ایجاد می‌شوند.

جایگاه بهره‌وری

این مدل به وضوح نشان داده که عامل اصلی در هزینه‌های برق مراکز داده همان هدررفت‌های فاقد مصرف در اجزای زیرساخت‌ها بوده، که در شرایط معمول، از مصرف برق تجهیزات فاوا نیز فراتر می‌رود. باید توجه داشت که هدررفت‌های فاقد مصرف در تحلیل‌های سنتی لحاظ نشده بودند، و علاوه بر آن، با یک بررسی اجمالی از مشخصات محصولات مشخص می‌شود که مقادیر مهم این هدررفت‌های فاقد مصرف در دستگاه‌های برق و سرمایش، اغلب از سوی سازندگان تجهیزات تعیین و منتشر نشده است.

با تحلیلی بر داده‌ها، می‌توان فرصت‌های کاهش این هدررفت‌ها و بهبود بهره وری عملکرد مراکز داده، را به سرعت شناسایی و اولویت‌بندی کرد:

  • تا به اینجا، بزرگ‌ترین فرصت برای صرفه‌جویی، کاهش برآوردهای بیش از حد نیاز مراکز داده، با بکارگیری معماری ماژولار و قابل انطباقی بوده که اجازه دهد، زیرساخت‌های برق و سرمایش، با افزایش مصرف توسعه یابند.کاهش احتمالی در هدررفت‌ها : 50%
  • بهره وری بهبودیافته سیستم‌های سرمایش. کاهش احتمالی در هدررفت‌ها: 30%
  • کاهش هدررفت‌های فاقد مصرف در اجزای برق و سرمایش مراکز داده. کاهش احتمالی در هدررفت‌ها: 10%

شکل 12 جایگاه نسبی بهره وری از بهره وری بهبودیافته‌ی اجزا و کاهش برآوردهای نادرست را نشان می‌دهد. بررسی دقیق‌تری از جایگاه بهره وری و فرصت‌های بهبود بهره وری در گزارش “اجرای مراکز داده‌ی بهینه مصرف”[6] آورده شده است.

شکل 12: جایگاه در بهبود بهره‌وری مرکز داده
شکل 12: جایگاه در بهبود بهره وری مرکز داده

نتیجه‌گیری

مدل‌های سنتی در تعیین بهره وری مرکز داده، معمولا بهره وری را بیش از مقدار واقعی نشان می‌دهند چرا که در این مدل‌ها، سطح برآوردهای بیش از حد نیاز تجهیزات به درستی درک نشده و کاهش بهره وری در مصارف پایین‌تر (عملکرد واقعی مراکز داده) در نظر گرفته نمی‌شود. با یک مدل بهبودیافته، مقادیر عددی دقیق‌تری برای بهره وری مرکز داده ارائه شده و همچنین بینشی از عوامل ایجاد‌کننده‌ی هدررفت‌ها و روش‌های کاهش آن، فراهم می‌شود.

مراکز داده‌ی معمول، تا بیش از دو برابر مقدار برق مورد نیاز فاوا، برق مصرف می‌کنند. هزینه‌ی مرتبط با این مصرف برق، قسمت قابل توجهی از بهای تمام شده‌ی سیستم را تشکیل می‌دهد. به غیر از مصارف فاوا، مابقی برق مصرف شده، نامطلوب بوده و مقدار زیادی از آن ممکن است قابل پیشگیری باشد.

برآوردهای بیش از حد مراکز داده، اصلی‌ترین عامل در عدم بهره وری مرکز داده محسوب شده که به عبارت دیگر، راه‌کارهای توسعه‌پذیری که با افزایش مصرف فاوا، تغییر کند، فرصتی اساسی برای کاهش هدررفت و هزینه‌های برق فراهم می‌آورند.

برای یک مرکز داده‌ی معمولی 1 مگاواتی، صرفه‌جویی‌های احتمالی در هزینه‌های برق در طول بازه‌ی زمانی 10 ساله از عمر تاسیسات، تقریبا 2,000,000$ تا 4,000,000$ خواهد بود.

به دلیل مقدار بالای برق مصرفی و هزینه‌های ناشی از عدم بهره وری مرکز داده، کاهش این هدررفت‌ها باید چه برای صاحبان مراکز داده و چه از منظر عمومی موضوعی بسیار مهم و کلیدی تلقید شود.

 

 

[1] – Details on the contributors to TCO are described in White Paper 6, Determining Total Cost of Ownership

for Data Center and Network Room Infrastructure

[2] -http://www.eei.org/magazine (accessed June 14, 2006)

[3] – ارتباط دقیق بین برق مصرفی و حجم داده ی عبوری از شبکه در محدوده‌ی این مقاله نمی‌گنجد ولی برق مصرف شده توسط تجهیزات فاوا معیار مناسبی برای سنجش رایانش در این تحلیل می‌باشد. بهبودهای بهره وریحاصل از کاهش مصرف برق در تجهیزات فاوا به خودی خود، حائز اهمیت بوده اما موضوع این مقاله نیست.

[4] – White Paper 37, Avoiding Costs from Oversizing Data Center and Network Room Infrastructure

[5] – White Paper 6, Determining Total Cost of Ownership for Data Center and Network Room Infrastructure

[6] –  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 *