Зеленый компьютинг

Удорожание энергоносителей, а также соображения экологии обращают все более пристальное внимание к энергопотреблению вычислительных средств. Согласно исследованию Национальной Лаборатории Беркли (США) вычислительные средства в Соединенных Штатах потребляли в 2005 году 1,2% от общего объема (для всего Мира соответствующая цифра равна 2%). Но так как в США рассматривают все источники потребления и ищут пути экономии энергии, то и эта сфера не осталась без внимания. Тем более что эта доля эквивалентна потребностям авиационной промышленности. Следует также учесть, что число информационных центров непрерывно растет.

Рассматриваются различные методы экономии энергопотребления (смотри Зеленый компьютинг: пять способов преобразовать ваш бизнес и Implementing Energy Efficient Data Centers, Neil Rasmussen):

• Активное использование средств управления энергопотреблением. Имеется в виду отключение определенных подсистем, когда компьютер находится в пассивном состоянии.

• Организовывать конференции и семинары в виртуальной среде (видеоконференции), экономя авиокеросин.

• Применять серверы с энергетически эффективными процессорами и другими компонентами, например, четырехядерные ЦПУ, что позволяет сэкономить до 40% энергетической мощности.

• Внедрять виртуализацию. На одном сервере реализуется работа нескольких операционных систем, что на практике позволяет более эффективно использовать вычислительные ресурсы.

• Разработать и внедрить технические решения, со встроенным управлением энергопотреблением. Ожидается, что эта технология позволит сократить энергопотребление на 25%.

• Использовать двухядерные процессоры вместо двух процессоров

• Применять 2.5" жесткие диски вместо 3.5"

• Использовать двухпроцессорные серверы вместо двух однопроцессорных

Простые беззатратные меры при проектировании новых информационных центров могут сэкономить 20-50% затрат на электрическую энергию, а системные меры позволят довести экономию до 90%.

Типовой тариф на электрическую энергию (в США) составляет $0.12 за кВт-час. Это дает оценку для годовых издержек на один кВт полезной мощности примерно $1,000. За 10 лет жизни стандартного информационного центра это составит примерно $10,000 на кВт полезной нагрузки.

Известно, что полезная мощность составляет примерно половину всех энергозатрат. Вторая часть представляет собой потребление вспомогательных структур вычислительного центра, включая системы питания. А это означает, что каждый кВт при 10-летнем исчислении стоит $20000. Для 200-киловатного вычислительного центра это составит $4,000,000. Ниже на рисунке показано распределение энергозатрат типового вычислительного центра.

Рис. 1.1. Энергозатраты в типичном вычислительном центре

Основная доля энергозатрат приходится на систему охлаждения (33%, больше чем вычислительная техника!). Сюда еще нужно добавить затраты на кондиционирование (9%; CRAC - Computer Room Air Conditioner). Данный центр имеет эффективность 30%, так как именно такая доля энергии тратится на ИТ цели.

Обычно заметная часть энергозатрат (до 30%) приходится на источники питания. С 2007 года в продажу стали поступать источники питания с эффективностью 80%, а в ближайшие три года эта цифра поднимется до 90%.

Таблица. Практические меры по экономии энергозатрат

	Экономия	Средства	Ограничения
Правильный масштаб NCPI	10-30%	Использование модульной архитектуры в системе питания и охлаждения.	Для новых систем и модификаций. Трудно модифицировать
Виртуализация серверов	10-40%	Включает консолидацию приложений на малом числе серверов (блейд-сервера)	Требует изменений основных ИТ процессов. Для достижения экономии в существующих системах, некоторые источники питания и блоки охлаждения может быть нужно отключать
Более эффективная архитектура кондиционеров	7-15%	Порядковая система охлаждения имеет более высокую эффективность при высокой плотности. Более короткие пути воздушных потоков требуют вентиляторов меньшей мощности. Следует предпринимать меры для снижения высушивания воздуха. Это исключит использования систем кондиционирования влажности.	Для вновь создаваемых систем. Выигрыш ограничен для систем с высокой плотностью
Экономичные режимы работы кондиционеров	4-15%	Многие кондиционеры имеют экономичные опции. Могут быть реализованы существенные экономии энергии для определенных географических регионов.	Для вновь создаваемых систем. Трудно модифицировать
Более эффективное размещение в помещении	5-12%	Размещение может существенно влиять на эффективность работы кондиционеров.	Для вновь создаваемых систем. Трудно модифицировать
Более эффективное оборудование питания	4-10%	Новые лучшие модели UPS имеют на 70% меньшие энергопотери. Следует учитывать, что мощные UPS требуют охлаждения	Для вновь создаваемых систем

Две диаграммы, представленные ниже, показывают, что имеются достаточные ресурсы для экономии энергии. Смотри Energy-efficient Performance on the Client , by Mary Johnston Turner, April, 2008

Рис. 1.2. Распределения долей разного уровня занятости процессора на протяжении рабочего дня

Рис. 1.3. Распределения долей разного уровня занятости процессора на протяжении суток

Интересный прогноз можно найти в обзоре Reducing Desctop Power Consumption: How IT and Facilities Can Both Win, April 8 2008, Faronocs. В обзоре утверждается, что в 2008 году энергообеспечение станет составлять 48% ИТ бюджета.

Рис. 1.4. Рост стоимости энергетического обеспечения на 1000 настольных персональных компьютеров

Энергопотребление 1000 рабочих станций за один год эквивалентно 880 баррелей нефти или 43180 галлонам бензина. Их работа с учетом всех факторов производит 380 тонн СО₂ и 130 тонн отходов. Если предположить, что эти машины всегда включены, то это обойдется 90000$.

Одним из методов экономии энергозатрат является система инициализации загрузки и отключения машин через локальную сеть WOL (Wake-on-LAN). В последние время на рынке появились вычислительные средства, которые сами контролируют использование различных подсистем и внешних устройств, и, если система не занята длительное время, она автоматически отключается от питания.

В настоящее время только 5% машин имеют полный набор опций управления энергопотреблением (смотри http://www.greencomputing.com). Но следует обратить внимание, например, на тот факт, что компания General Electric экономит ежегодно 6,5 млн. долларов только за счет использования управления энергопотреблением компьютеров (см. EEP Energy Efficient Performence). В 2008 году ожидается, что 50% всех информационных центров будут испытывать проблемы с энергообеспечением и охлаждением.

Ожидается, что в ближайшее время произойдет переход на работу со стойками, содержащими вычислительное оборудование, которые будут потреблять до 30кВт, против 2-3 кВт сегодня. Впрочем, нужно учитывать, что мощность современных информационных центров используется только на 10-15% (данные компании HP). Большие потери сопряжены часто с неэффективной конфигурацией вычислительного центра (смотри Intel Xeon Processor 5000 Sequence).

В марте 2007 года компания Intel выпустила две модели энергетически эффективных 50-ватных 4-ядерных процессоров. Это дает 60%-экономию мощности по сравнения с процессорами предыдущего поколения (12,5 ватта на ядро против 110 ватт). В конце 2007 года появилось новое семейство процессоров Intel - Penryn (смотри также Data Center Efficiency). Эта разработка выполнена на технологии 45 нм и обеспечит ускорение переключения виртуальной машины на 25-75%.

Рост энергопотребления сопряжен с проблемами охлаждения. Хотя в принципе возможно использование для решения вычислительных задач сотен небольших серверов, в реальности это не практично. Компания IDC оценивает, что каждый доллар, потраченный на новые серверы сегодня, сопряжен с 50 центами расходов на энергопитание и охлаждение. Эта цифра может возрасти до 70 центов к 2011 году. В настоящее время реализуется также проект Green GRID для распределенных вычислительных ресурсов.

Дополнительную информацию по проблематике экономии энергозатрат при работе сетей и компьютерных центров можно найти по следующим адресам:

• http://www.intel.com/products/server/processors/index.htm

• http://communities.intel.com/docs/DOC-1512

• http://www.intel.com/performance/server/xeon/vt_vcon1.htm

Рассматриваются два пути решения проблем: виртуализация и консолидация, что приводит к решениям с меньшим числом более крупных систем. При этом на одном физическом сервере могут функционировать 4-12 виртуальных серверов.

К сожалению, возможность виртуализации отсутствовала в ранних версиях серверов, базирующихся на технике х86, что соответствовало сложившейся практике работы одного приложения на процессоре.

Число серверов, установленных за последние 6 лет, удвоилось. Именно по этой причине энергопотребление и охлаждение стало критическим ценовым фактором для многих фирм. Не следует снимать со счетов и то, что каждый кВт-час оборачивается заметным объемом углекислого газа в атмосфере и кучами откодов, которые в свою очередь нужно перерабатывать. В последние годы сформировалось направление технологий, которое получило название зеленый компьютинг.

В настоящее время стали возможны мультипроцессорные системы на одном кристалле. Кроме того широкое распространение получили системы с двумя и даже четырьмя процессорами на одной плате. Системы с четырьмя и более CPU на плате создаются для работы с критически сложными приложениями, требующими более высокой надежности, доступности и масштабируемости, чем системы меньшим числом процессоров. Компания Intel решила проблему создания вычислительных центров с удельным энерговыделением 500 вт на квадратный фут.

Обычно крупные компании и предприятия имеют большие информационные центры с большим числом серверов для обеспечения работы баз данных, WEB-сервисов и для работы с приложениями. На рис. 1.5 показана динамика и прогноз изменения соотношения реальных и логических серверов, а на рис. 1.6 отображен прогноз роста числа системных блоков.

Рис. 1.5. Виртуализационная модель серверов IDC: соотношение реальных и логических серверов (2005-2010 годы)

Рис. 1.6. Прогноз роста количества системных блоков за счет роста числа процессоров на плате (синий - 1; желтый - 2; красный - 4+)

10 лет назад компания IBM инвестировала средства в ОКР для новой масштабируемой платформы x86. Был добавлен чип-сет логики для Х-архитектуры серверов х86 повышенной мощности (EXA).

В настоящее время IBM имеет серверы нового поколения (технология четвертого поколения eX4), позволяющие клиенту платить и расширять функциональность системы по меру роста потребности (pay-as-you-grow). На рис. 1.7 показан пример процессора c архитектурой eX4. Эта технология используется как в мейн-фреймах, так и в RISK-моделях.

Следующее поколение чип-сета eX4 поддерживает системы с числом процессорных кристаллов от 4 до 32. При этом используются кристаллы CPU четырехядерные Xeon 7300 и двухядерных Xeon 7200 (2,93 ГГц).

Рис. 1.7. Архитектура IBM eX4

Подсистема памяти для обеспечения повышенной надежности содержит три уровня защиты. Память DDR2 сейчас потребляет меньше мощности и стоит меньше чем FBD (Fully Buffered DIMM). IBM использует чип расширения ABX (Advanced Buffer eXecution) для четырех DIMM-панелек. Каждая 4-панельная плата поддерживает 32 модуля DIMM и до 256Гбайт памяти или максимум 1Тбайт памяти в четырех платах.

Конструкция системы является модульной, строящейся на основе 4-панельных плат, и допускающей масштабирование. Подсистемы ввода-вывода обеспечивают практически линейный рост пропускной способности при добавлении 4-панельных модулей.

По данным компании HP к 2010 году более чем половина всех информационных центров будет переведено на новое оборудование. К 2011 году аварии и ограничения энергоснабжения остановят работу информационных центров в более чем 90% компаний. К этому же времени один из 4 информационных центров перенесет серьезный сбой или аварию, которая приведет к тому, что компания не сможет продолжать бизнес обычным образом.

Рис. 1.8. Анализ рынка виртуальных клиентов (см. Increase Utilization, Decrease Energy Costs With Data Center Virtualization)

В США и Китае осуществляется программа перестройки системы энергоснабжения. Эта система будет гарантировать доступ к различным типам источников энергии. Система будет базироваться на механизмах оптимизации с привлечением современных ИТ-средств, а пользователям, включая индивидуальных, будет даваться исчерпывающая информация по удаленным запросам.