4 Энергосберегающие технологии

4.1.Методы экономии электроэнергии. Энергосберегающие технологии.

Вопросам экономии электрической энергии в настоящее время уделяется все

большее внимание. Это обусловлено следующими причинами:

Во-первых, количество СВТ неуклонно растет. Согласно исследованию Uptime Institute, потребление электроэнергии в центрах обработки данных США выросло с 1999 по 2005 год на 39%.

Во-вторых, за последние годы тарифы на электроэнергию повышались несколько раз. В результате эта статья расходов достигла 20-30% эксплуатационного бюджета организации. Согласно данным аналитической компании IDC, на каждый доллар, потраченный на новые аппаратные средства, дополнительно тратится 50 центов на электропитание и охлаждение. И это — в два раза больше, чем пять лет назад.

Втретьих, СВТ вырабатывают много тепла. Например, для сервера крупной компании при потребляемой мощности 30 кВт на стойку для их охлаждения требуется оборудование, эквивалентное по мощности двум бытовым кондиционерам.

Резервы экономии

За счет разумного выбора методов управления, аппаратного обеспечения,

инфраструктуры питания и охлаждения можно сэкономить большие суммы. Например, трехлетняя экономия расходов на электричество при использовании энергосберегающего сервера достигает примерно уровня стоимости этого сервера. Можно выделить семь

основных способов экономии электроэнергии:

отключение от питания неиспользуемого ИТ-оборудования;

объединение серверов, центра хранения и обработки данных;

включение функции управления питанием центрального процессора;

использование ИТ-оборудование с высокоэффективными блоками питания;

использование систем бесперебойного питания (ИБП) с высоким КПД; применение лучших методов охлаждения оборудования.

Способ №1. Отключение неиспользуемое ИТ - оборудования

Основная проблема заключается в том, что ИТ - оборудование потребляет много

энергии, даже когда работает при малых нагрузках. Серверы обычно используются только на 5-15%, ПК — на 10-20%, приданные запоминающие устройства (ЗУ) — на 20-40%, а сетевые ЗУ — на 60-80%. Если какие-то из этих устройств простаивают (то есть их рабочая нагрузка гораздо, ниже «штатной» производительности), они все равно потребляют электроэнергию. Типовой сервер x86 потребляет 30-40% максимального питания, даже если не выполняет какой-либо работы. За каждый миг простоя приходится платить, ничего не получая взамен.

Наиболее очевидный шаг — определить, какие вычислительные системы имеют низкую степень использования, и выключить их питание. Но даже если система является хостом лишь одного редко используемого приложения, ее вывод из постоянной эксплуатации может встретить противодействие. Нужно предусмотреть более

рентабельные способы обслуживания этого приложения. Энергосбережение

и эффективные методы ИТ-управления должны преобладать над расточительными решениями.

Другой способ заключается в том, чтобы определить и предотвратить «вспучивание» — применение неэффективного программного обеспечения, которое задействует излишние циклы центрального процессора (ЦП). Переход на более эффективное ПО помогает сократить количество циклов ЦП, что дает возможность

«Электропитание средств вычислительной техники»

Учебно-методический комплекс

Романов В. П. 87

вычислительной платформе обрабатывать больше данных при неизменном уровне

энергопотребления.

Способ №2. Объединение серверов, центров хранения и обработки данных

Суть проблемы та же: ИТ-оборудование потребляет почти максимум энергии, даже

когда недозагружено. Однако причина низкого уровня утилизации ресурсов теперь другая: приложения, ЗУ и другие компоненты центров хранения и обработки данных, целиком дублируются на аппаратном уровне или концентрируются в тех местах, где их быть не должно.

Можно объединить множество блоков с низким КПД в меньшее количество более производительных систем. На уровне серверов компактные машины обеспечивают более высокую плотность обработки данных на единицу потребляемой энергии. Повышение энергоэффективности обеспечивается благодаря тому, что каждый компактный сервер имеет общие с другими серверами блок питания, вентиляторы, подключение к сети и ЗУ, расположенные в одном компактном шасси.

Компактные серверы способны выполнять ту же работу, что и традиционные

серверы, монтируемые в стойку, но потреблять энергии на 20-40% меньше.

Сэкономить электроэнергию удается и за счет объединения ЗУ. Более крупные ЗУ эффективнее расходуют энергию.

Способ №4. Активация функции управления питанием ЦП

Более 50% энергии, необходимой для работы ПК, потребляет центральный

процессор. Проблема состоит в том, что ЦП может потреблять энергии больше, чем необходимо. Производители микросхем, такие как Intel и AMD, разрабатывают энергосберегающие наборы микросхем, многоядерные технологии, позволяющие обрабатывать более высокие нагрузки при меньшем энергопотреблении. Но известны и другие способы сокращения энергопотребления центральным процессором.

Некоторые современные ЦП имеют функцию управления питанием, позволяющую оптимизировать энергопотребление с помощью динамического переключения состояний производительности (комбинаций частоты и напряжения) без необходимости перезагрузки. Когда ресурсы ЦП высвобождаются, функция управления питанием минимизирует непроизводительный расход энергии посредством динамического понижения производительности ЦП.

Если ЦП работает почти на пределе возможностей большую часть времени, эта функция даст не так уж много преимуществ. Но она обеспечит значительную экономию в типичных сценариях варьирования уровня использования ЦП.

Рисунок 72- Профиль эффективности использования энергии ИБП

Способ № 5. Использование эффективных блоков питания

Второй после ЦП крупнейший потребитель энергии — блок питания (БП), который

преобразует переменный ток на входе в постоянный ток на выходе и нуждается для выполнения этой задачи примерно в 25% энергетического потенциала ПК. Третьими по уровню потребления считаются регуляторы напряжения (РН) в точке нагрузки: они

«Электропитание средств вычислительной техники»

Учебно-методический комплекс

Романов В. П. 88

преобразуют 12 В постоянного тока в ток разного напряжения, который требуется для

процессора и наборов микросхем.

Таким образом, суммарная эффективность работы ПК зависит от эффективности внутреннего распределения питания и регулирования напряжения. Типичный блок питания работает с КПД около 80%, а часто и менее (60-70%). В стандартном ПК с блоком питания, который работает с КПД 80%, и с регуляторами напряжения, имеющими КПД 75%, конечный КПД преобразования энергии сервера составит примерно 60%.

Это означает, что нужно использовать сертифицированные энергосберегающие блоки питания и регуляторы напряжения. Начальная стоимость такого блока питания — выше, чем у обычного БП, но экономия энергии быстро возместит затраты.

Способ №6. Использование ИБП с высоким КПД

Известно, что большая часть СВТ получает питание не от городской сети.

Электропитание обычно поступает через систему бесперебойного питания (ИБП) к блокам обеспечения и распределения питания (БРП), которые передают ток с требуемым напряжением стойкам и корпусам. БРП чаще всего работают с КПД 94-98%, поэтому эффективность инфраструктуры питания определяется эффективностью преобразования энергии в ИБП. Сколько энергии потребляет ИБП для того, чтобы поддерживать напряжение в допустимых пределах и обеспечивать резервное питание от аккумулятора в аварийных ситуациях? Немало.

Прогресс в этой области позволил значительно повысить эффективность ИБП. В 90-е годы в большинстве источников использовались тиристоры для преобразования постоянного тока, поступающего от аккумуляторов, в переменный ток. Оборудование на базе этой технологии характеризовалось низкой частотой переключения и в лучшем случае имело КПД 75-80%. С появлением в конце прошлого века новых переключающих устройств с биполярным транзистором, имеющим изолированный затвор (IGBT), частота переключений возросла. Соответственно, сократились потери энергии при ее преобразовании, и КПД многих ИБП достиг 85-90%. Новейшие компактные ИБП работают с КПД до 97%.

Способ №7. Переход на лучшие методы охлаждения

От 30 до 60% энергетических затрат приходится на поддержку систем охлаждения.

Эта цифра может быть и выше, если системы охлаждения размещены неэффективно или работают неправильно. Простые, доступные по цене методы позволяют увеличить возможности системы охлаждения и сократить расходы.

Интегральный эффект

Сочетание энергоэффективного ИТ-оборудования с энергосберегающими

инфраструктурой питания и стратегией охлаждения дает интегральный эффект.

Рассмотрим, например, сервер 1U, потребляющий 300 Вт электричества. В обычном центре обработки данных для обеспечения работы этого сервера потребовалось бы около 1341 Вт внешней энергии. На электропитание сервера тратилось бы 3,5 тыс. долл., что почти равно стоимости его приобретения.

Представим, что у вас есть лучшие в своих классах устройства — энергосберегающие сервер, системы распределения питания и охлаждения. Теперь серверу 1U для работы требуется всего 696 Вт энергии от внешней сети. За три года лучшее оборудование и лучшие методы позволят сэкономить более 1,7 тыс. долл. только на оплате электроэнергии.

4.2.Энергопотребление персональных компьютеров

Спецификации и концепции энергопотребления

Управляя электропитанием компьютера, можно сэкономить деньги, продлить срок

эксплуатации его устройств и предотвратить потерю данных пользователя.

«Электропитание средств вычислительной техники»

Учебно-методический комплекс

Романов В. П. 89

Поэтому большинство современных ПК поддерживают стандарты по энер-

гопотреблению — усовершенствованные средства управления электропитанием (так называемая спецификация АРМ) и интерфейс автоматического управления конфигурацией и питанием (спецификация ACPI).

Спецификации АРМ и ACPI

С 1995 г. ПК стал соответствовать требованиям Energy Star, а в его BIOS (базовой

системе ввода/вывода) появилась функция Advanced Power Management (АРМ). Под АРМ понимают стандарт от Microsoft и Intel, появившийся в 1992 г. и ставший первой спецификацией для производителей ПК, которая установила взаимодействие между

операционной системой (ОС) и BIOS компьютера при управлении энергопотреблением.

В 1996 г. появился ACPI (Advanced Configuration and Power Interface — интерфейс конфигурирования и управления энергопотреблением). Эта спецификация, предложенная Intel, Microsoft и Toshiba, является ключевым элементом технологии Operating System Directed Power Management (OSPM — непосредственное управление энергопотреблением операционной системой).

В настоящее время действует спецификация ACPI 2.0, которая распространяется на более широкий спектр компьютеров, включая корпоративные серверы, настольные системы и ноутбуки. Кроме того, в ACPI 2.0 добавлена поддержка 64-разрядных микропроцессоров для серверов и поддержка различных типов памяти.

Концепция IAPC

Недавно в рамках проекта Energy Star для своих систем на базе процессора Intel

Pentium 4 такие производители, как Compaq, Dell, Gateway, Hewlett-Packard, Fujitsu- Siemens, IBM, Samsung, Legend, Mitac, ACER создали решения, поддерживающие Intel Instantly Available PC (IAPC). IAPC описывает технологии, позволяющие ПК при переходе в режим ожидания (когда устройства ПК не используются) снижать потребляемую мощность до 5 Вт и менее. Совместные усилия этих компаний могут помочь сократить количество потребляемой среднестатистическим ПК электроэнергии на 70%.

Концепция IAPC предусматривает отказ от необходимости начальной загрузки ПК после включения, обеспечивая тем самым мгновенную его готовность к выполнению работы, когда в этом возникает потребность. Для полного пробуждения ПК потребуется 5 секунд, а способность принимать и передавать информацию будет сохраняться даже во время «сна».

Состояние компьютера по питанию

При использовании ACPI компьютер пребывает в одном из двух состояний:

в рабочем состоянии;

в состоянии ожидания.

В состоянии ожидания устройства могут быть переведены в режим пониженного потребления энергии, а затем по мере необходимости их можно быстро перевести в обычный режим функционирования. В целом, ПК продолжает работать, хотя некоторые устройства находятся в разных состояниях энергопотребления. Компьютер, переведенный в состояние ожидания, кажется выключенным, хотя на самом деле он находится в готовности в одном из четырех состояний ожидания. Из каждого состояния ожидания ПК может быть переведен в рабочий режим, но при этом в каждом случае потребуется разнос время.

При реализации спецификации ACPI тумблер (кнопка) питания компьютера становится программным переключателем: («Выключить» (sleep), «Включить» (wake-up). За исключением случая прекращения подачи электропитания на компьютер, ОС оставляет управление за собой и может переводить компьютер в различные состояния по электропитанию.

Спецификация OnNow

Эта спецификация — детище Microsoft. Для полной реализации спецификации

OnNow обязательным условием является наличие на материнской плате раздельного

«Электропитание средств вычислительной техники»

Учебно-методический комплекс

Романов В. П. 90

электропитания ее компонентов. Ее разработчики вместо неопределенного достаточно

четкого состояния ожидания, ввели четыре новых состояния:

• S1 (standby 1). Останавливаются все тактовые генераторы, но содержимое

оперативной памяти остается неизменным. Выход из этого состояния осуще- ствляется мгновенно.

• S2 (standby 2) То же, что и состояние S1, но отключается питание центрального

процессора и кэша, а данные из него направляются в оперативную память ПК.

• S3 (suspend-to-mciiiory). Все устройства ПК полностью обесточиваются, а опе-

ративная память хранит данные о состоянии центрального процессора и кэша.

• S4 (suspend-to-disk). Все устройства ПК обесточиваются, а данные записыва-

ются на жесткий диск. Система «пробуждается» как обычно (через загрузку BIOS), но ее состояние (открытые приложения, окна, настройки ОС и др.) восстанавливается с жесткого диска.

Режимы электропитания мониторов

Параллельно с развитием и совершенствованием технологий энергосбережения,

затрагивающих производителей компонентов ПК и разработчиков ОС,

совершенствовались и модели мониторов. Стандарт ЕРА Energy Star, именуемый как VESA DPMS (DPMS — Display Power Management System), определил унифицированную

процедуру энергосбережения и ступенчатого выключения монитора:

• On (номинальный режим). Это обычный режим работы, когда на экране

отображаются окна ОС и приложений, а энергопотребление максимально.

• Standby (режим ожидания). В данном режиме изображение на экране пропадает,

но внутренние компоненты монитора работают в обычном режиме, а энергопотребление снижается до 80% от рабочего состояния.

• Suspend (режим останова). В режиме останова, как правило, отключаются

высоковольтные узлы, а потребление энергии падает до 30 Вт и менее.

• Off (режим сна). В этом режиме монитор потребляет менее 8 Вт (работает

только его микропроцессор). Состояние монитора контролирует драйвер, посылающий соответствующие сигналы через графическую карту, установ- ленную на материнской плате. При нажатии клавиши на клавиатуре или перемещении мыши монитор переходит в обычный режим работы.

Возможности ACPI

Чтобы реализовать ACPI, обязательно соблюдение следующих условий:

• наличие датчиков и «сторожей», поддерживающих ACPI;

• ACPI-совместимая BIOS компьютера,

• поддержка ACPI операционной системой;

• наличие драйверов устройств, поддерживающих ACPI.

Датчики и сторожа

Дли того чтобы отслеживать параметры состояния системы, используются датчики

(сенсоры) и «сторожа» (watchdogs). Как известно, датчики измеряют какие-либо физические параметры. К ним относятся: датчики температуры (измеряют температуру центрального процессора или компонентов материнской платы), датчик вентилятора (измеряет скорость вращения вентилятора), датчики напряжения (измеряют значение напряжения).

К сторожам относятся:

• System Initialization Failure. Инициализация основных компонентов системы,

таких, как центральный процессор, оперативная память и т.д.;

• Pre-Os Boot Failure. Отслеживание ошибки при загрузке BIOS, когда аппаратное

обеспечение ПК уже инициализировано, а ОС еще не загрузилась;

• OS Boot Failure- Отслеживание неполадок при загрузке ОС;

• OS Hang Обнаружение зависаний системы;

• Shutdown Failure. Обнаружение проблем при выключении системы.

Клавиши ACPI

«Электропитание средств вычислительной техники»

Учебно-методический комплекс

Романов В. П. 91

Клавиши, предусмотренные для управления электропитания ПК, называют

клавишами ACPI. Так, например, клавиатуры ВТС имеют клавиши; Power off (Выключение). Sleep (Засыпание) и Wake up (Включение).

Режимы ОС по управлению питанием

В современных Windows для управления электропитанием компьютера могут

поддерживаться два режима:

• Режим Hibernate (спящий режим). В этом режиме все данные из памяти переносятся на жесткий диск, и выполняется полное выключение ПК. При следующем

запуске система восстанавливает работу с тот места, где был выполнен ее останов

• Режим Standby (ждущий режим). В этом режиме останавливается жесткий диск, выключается экран монитора и большинство периферийных устройств, а также снижается энергопотребление процессора. ПК остается во включенном состоянии. Пользовательские данные находятся в оперативной памяти. В настольных ПК обычно не применяют ждущий режим, т.к. он не очень эффективен, поскольку основной вентилятор блока питания не выключается. Данный режим более полезен лишь для пользователей

портативных компьютеров

4.3.Управление режимами электропотребления ПК с помощью BIOS

Учитывая, что в различных BIOS ПК имеется собственная конфигурация меню и

разделов, связанных с параметрами электропитания, их достаточно рассмотреть на примере одной из распространенных BIOS. В этом разделе будут рассмотрены параметры управления электропитанием для BIOS от компании AWARD. Следует заметить, что эти параметры для различных версий BIOS даже от одного производителя тоже разные.

Основные пункты меню для управления электропитанием

Power Management.

Позволяет разрешать BIOS снижать энергопотребление компьютера, если его не

используют для работы или, наоборот, запрещать подобные действия.

Video Off Option.

Позволяет устанавливать, на какой стадии «засыпания» компьютера переводить

монитор в режим пониженного энергопотребления.

Video Off Method. Устанавливается способ перехода монитора в режим

пониженного энергопотребления. Может принимать значения:

Suspend Switch.

Этот параметр разрешает или запрещает переход в режим Suspend (временного останова) с помощью кнопки (тумблера) на системном блоке. Режим Suspend является режимом максимального снижения энергопотребления компьютером.

HDD Power Down.

Устанавливает время, через которое при отсутствии обращения жесткий диск будет

выключен или запрещает выключение вообще. Параметр не применим к SCSI-дискам.

Doze Mode.

Время перехода или запрета перехода в первую фазу снижения энергопотребления. Standby Mode. Время перехода или запрета перехода во вторую фазу снижения

энергопотребления.

Suspend Mode. Время перехода или запрета перехода в третью стадию снижения энергопотребления.

Раздел РМ Events

В этом разделе указываются прерывания, при обращении к которым компьютер

должен «просыпаться», если к устройствам, использующим эти прерывания, есть обращения.

Раздел Power Up Control

«Электропитание средств вычислительной техники»

Учебно-методический комплекс

Романов В. П. 92

Параметры этого раздела определяют виды управления блоком питания и

применяются для блоков питания в стандарте АТХ и материнских плат, допускающих подключение к таким блокам питания.

PWR Button < 4 Sees. Управление функциями кнопки (тумблера) Питания на системном блоке ПК.

PWR Up On Modem Act. При установке этого параметра ПК включается после звонка на модем.

Automatic Power Up. Этот параметр определяет расписание включения ПК.

Другие разделы

В следующих нескольких разделах приведены параметры, отслеживая которые

BIOS сообщает ОС или устройствам об их выходе за пределы допустимого.

Раздел параметров наблюдения за вентиляторами Fan Monitor:

1. Chassis Fan Speed (xxxxRPM). Контроль скорости вращения дополнительного

вентилятора в корпусе компьютера. При выборе значения Ignore скорость вращения этого вентилятора отслеживаться не будет.

2.CPU Fan Speed (xxxxRPM). Контроль скорости вращения вентилятора процессора. При выборе значения Ignore скорость вращения этого вентилятора отслеживаться не будет.

3. Power Fan Speed (xxxxRPM). Контроль скорости вращения вентилятора блока питания. При выборе значения Ignore скорость вращения этого вентилятора отслеживаться не будет.

Раздел параметров наблюдения за температурой Thermal Monitor:

l. CPU Temperature. Температура процессора в градусах Цельсия и Фаренгейта.

2. MB Temperature. Температура материнской платы в градусах Цельсия и Фа-

ренгейта.

Раздел параметров наблюдения за напряжениями питания Voltage Monitor. Здесь отображаются как напряжения питания, подаваемые на материнскую плату источником питания, так и вырабатываемые на материнской плате.

Контрольные вопросы и задания к разделу 4

1. Какие причины обуславливают необходимость экономии электроэнергии?

2. Перечислите основные способы экономии электроэнергии при эксплуатации СВТ и

охарактеризуйте их.

3. Охарактеризуйте основные спецификации управления электропотреблением ПК.

4. При каких условиях возможно применение

электропотреблением ПК?

5. Какие существуют состояния ПК по питанию?

6. Дайте характеристику состояния S1-S4 ПК по питанию. 7. Какие существуют режимы электропитания мониторов?

спецификации управления

8. Дайте характеристику режимов электропитания мониторов.

9. Какие существуют режимы ОС по управлению электропитанием?

10. Какие существуют пункты программы bios-setup для управления питанием и каково их

назначение?

11. Перечислите последовательность действий обеспечивающих включение ПК в заданное

время.

«Электропитание средств вычислительной техники»

Учебно-методический комплекс

Романов В. П. 93

Литература

1. Гук М. Аппаратные средства IBM PC. - СПб.: Питер, 2002.

2. Ирвинг М. Готтлиб. Источники питания. - М.: ПОСТМАРКЕТ, 2000.

3. Конструкторско-технологическое проектирование электронной аппаратуры /Под

ред. В.А.Шахова. -М.:Изд-во. МГТУ им. Баумана, 2002.

4. Степаненко О.С. Сборка, модернизация и ремонт ПК. - М.: Вильяме, 2003.

5. Павлов В.Н., Ногин В.Н. Схемотехника аналоговых электронных устройств. - М.:

Горячая линия, 2001.

6. Фрике К. Мир электроники. Вводный курс цифровой электроники. - М.:

ТЕХНОСФЕРА, 2003.

7. Келим Ю.М. Типовые элементы систем автоматического управления. - М: ФОРУМ-

ИНФРА-М, 2002.

8. Валеко B.C. Полупроводниковые приборы и основы схемотехники электронных

устройств. - М.: Додэка - XXI, 2001.

9. Павлов В.Н., Ногин В.Н. Схемотехника аналоговых электронных устройств. - М.:

Горячая линия - Телеком, 2001.

10. Джонс М.Х. Электроника-практический курс. - М.: Постмаркет, 2003.

11. Калабеков Б.А., Мамзелев И.А. Цифровые устройства и микропроцессорные

устройства. - М.: Радио и связь, 1987.

12. Браммер Ю.А., Пащук И.Н. Импульсные и цифровые устройства. - М.: Высшая

школа, 2003.

13. Горбачев Г.Н., Чаплыгин Е.Е. Промышленная электроника. -М.: Энергоиздат, 1988. 14. Ушаков В.Н., Должейко О.В. Электроника. - М.: Радио и связь.

«Электропитание средств вычислительной техники»

Учебно-методический комплекс

Романов В. П. 94