Energeticky efektivní IT a infrastruktura pro datová centra a serverovny

Energeticky efektivní IT a infrastruktura pro datová centra a serverovny

Impresum Odpovědnost: Projektové konsorcium PrimeEnergyIT, červenec 2011 Koordinace projektu: Dr. Bernd Schäppi, Rakouská energetická agentura, Vídeň Přetisk je povolen pouze po částech a pouze s podrobným odkazem. Výhradní odpovědnost za obsah této publikace mají autoři. Obsah publikace nemusí nutně refl ektovat názor Evropské unie. Ani EACI (Výkonná agentura pro konkurenceschopnost a inovace) ani Evropská komise není zodpovědná za jakékoli možné použití informací obsažených v této publikaci.

Efektivní technologie pro úsporu energie a nákladů v datových centrech a serverových sálech Spotřeba energie v datových centrech a serverovnách během poslední dekády výrazně rostla. Výkonnější zařízení a komplexnější IT služby hnaly vpřed poptávku po energii. Jelikož se infrastruktura a náklady na energii staly v datových centrech ústředním faktorem facility managementu i IT managementu, byla vyvinuta celá řada technologií pro zvýšení energetické účinnosti. Nové technické prostředky (HW) a možnosti správy napájení podporují energeticky úsporné strategie. Celkově je potenciál pro energetické úspory v datových centrech a serverových sálech vysoký a v mnoha případech, v závislosti na konkrétním IT vybavení a infrastruktuře, může překročit 50%. V minulosti byla v hledáčku energeticky úsporných opatření jen účinná řešení pro napájení a chlazení. Teprve od nedávna se také začala zvažovat opatření směřující k lepší účinnosti IT zařízení. Současné studie ukazují, že opatření cílená na lepší účinnost již vedla k významnému snížení poptávky po energii ve srovnání se scénářem vývoje při použití tradičních IT technologií [Koomey 2011] 1. Přesto je zbývající potenciál energetických úspor stále velký a nové technologie umožňují ještě efektivnější nasazení úsporných volitelných nastavení. Tato brožura podává krátký přehled současných technologií podporujících energetickou účinnost obou oblastí zaměřených na IT technologie, tj. IT zařízení a podpůrné infrastruktury. Pokrývá všechny podstatné IT technologie v datovém centru včetně serverů, datových úložišť a síťových prvků a zařízení. Koncepce pro lepší účinnost zahrnují návrh účinného systému, správu napájení od hardwarové úrovně IT až po úroveň datového centra a dále také konsolidaci a virtualizaci. Doporučení dle nejlepší praxe pak vyzdvihují slibné volby a možnosti, které by měly být zváženy při správě a pořizování majetku. Je uvedena řada zdrojů k dalšímu čtení a studiu. Brožura je zdrojem základních informací pro IT manažery a provozní (facility) manažery a jejím cílem je podpořit a zlepšit energetickou účinnost a nákladovou efektivitu. Tato brožura byla vytvořena jako část mezinárodního projektu PrimeEnergyIT (www.efficient-datacenters.eu), který je veden v rámci programu EU Evropská inteligentní energie (Intelligent Energy Europe). 1) Koomey, J. (2011): Growth in Data center electricity use 2005 to 2010, Jonathan Koomey, Analytics Press, Oakland, CA, August 1, 2011 3

Obsah 1 Monitoring spotřeby energie v serverovnách a datových centrech 6 1.1 Koncepce monitoringu 6 1.2 Měřicí přístroje 9 2 Servery 10 2.1 Energetická účinnost a správa napájení na úrovni serveru a jednotlivých komponent 10 2.1.1 Účinnost procesoru (CPU) 12 2.1.2 Účinnost napájecího zdroje 13 2.2 Správa napájení od IT rozvaděče až po celé datové centrum 14 2.2.1 Plánování kapacit a správa energie 14 2.2.2 Vykrývání výkonu 16 2.3 Specifi cké možnosti správy napájení u blade serverů 16 2.3.1 Skříň (chassis) a komponenty blade systému 17 2.3.2 Blade systém a problémy s jeho napájením a chlazením 19 2.4 Virtualizace serverů 21 2.4.1 Potenciál energetických úspor při virtualizaci 22 2.4.2 Požadavky a nástroje pro plánování virtualizace 23 2.4.3 Správa napájení ve virtualizovaných prostředích migrace virtuálního serveru 24 2.4.4 Chlazení a infrastruktura pro virtualizované systémy 25 3 Vybavení datových úložišť 28 3.1 Zařízení pro ukládání dat 28 3.1.1 Páskové systémy 28 3.1.2 Pevné disky (HDD) 29 3.1.3 RAM-disky (Solid State Drives, SSD) 31 3.1.4 Hybridní pevné disky (HHD) 31 3.2 Prvky datového úložiště 32 3.2.1 Velkokapacitní disky a maloformátové provedení 32 3.2.2 Velká pole neaktivních disků (MAID) 32 3.2.3 Efektivní úrovně redundantních diskových polí (RAID) 32 3.2.4 Horizontální vrstvy datových úložišť, virtualizace datových úložišť a tenký provisioning 33 3.2.5 Konsolidace na vrstvě datového úložiště a systémových zdrojů 34 3.2.6 De-duplikace dat (odstranění vícenásobných záloh) 34 4

4 Síťové prvky a zařízení 36 4.1 Technický a provozní rámec 36 4.1.1 Funkční model 36 4.1.2 Vlastnosti sítě 37 4.1.3 Vyvážení výkonu sítě a spotřeby energie 37 4.2 Zlepšení energetické účinnosti 38 4.2.1 Slučování provozních tříd (konsolidace vstupů/výstupů) 38 4.2.2 Konsolidace sítě 40 4.2.3 Virtualizace sítě 41 4.2.4 Výběr komponent a zařízení 42 4.2.5 Směrování dat na úrovni patra 42 5 Chlazení a napájení v datových centrech a serverovnách 44 5.1 Chlazení v serverovnách 44 5.1.1 Split systémy a přenosné systémy 44 5.1.2 Opatření pro optimalizaci energetické účinnosti v serverovnách 45 5.2 Chlazení pro střední a velká datová centra 46 5.2.1 Hlavní hlediska 46 5.2.2 Nastavení teploty a vlhkosti 47 5.2.3 Účinnost komponent zdroje chladu, ventilátory, vzduchotechnické jednotky 48 5.2.4 Volné chlazení (Free cooling) 48 5.2.5 Chlazení pro jednotlivé IT rozvaděče / řadové jednotky 49 5.3 Napájení a záložní zdroje (UPS) v datových centrech 49 5

1 Monitoring spotřeby energie v serverovnách a datových centrech Carlos Patrao, University of Coimbra (Portugalsko) 1.1 Koncepce monitoringu Pro monitoring se mohou se použít následující typické přístupy: Monitoring spotřeby energie v serverovnách a datových sálech je pro zjištění potenciálních energetických úspor a vyhodnocení účinnosti energetickooptimalizačních opatření zcela nezbytný. Koncepce monitoringu by měly být pečlivě navrženy tak, aby zajistily sběr správných dat, která podporují účinná opatření. Minimální monitoring Provádění periodických bodových měření přenosnými přístroji je hlavním přístupem pro velmi malé instalace. Některá data se získávají z údajů od výrobců zařízení (parametry vstupního napájení atd.). Tento přístup nevyžaduje investice do pevně instalovaného měřicího zařízení a infrastruktury. Nejmodernější monitoring Data se sbírají použitím automatizovaných nebo trvalých záznamových systémů v reálném čase, s podporou online softwaru s rozsáhlými analytickými schopnostmi. Modifi kace v infrastruktuře jsou potřebné a většinou je požadována podpora od specializovaného technického personálu. Musí se přitom zvážit následující aspekty [1]: Požadovaná přesnost a rozlišení dat Selhání sběru dat, schopnost sběru dat ze všech požadovaných zařízení Uživatelský komfort a snadná integrace dat napříč zařízeními a časovými měřítky Škálovatelnost pro hromadné nasazení a způsobilost pro rozmístění na více lokalitách Přizpůsobitelnost na nové potřeby měření Možnosti analýzy dat a jejich integrace do řídicích systémů Schopnost detekovat problémy a hlásit je provozovateli datového centra Investiční náklady a návratnost Zátěž v budově Pokročilý monitoring Data se zaznamenávají v reálném čase za pomoci trvale instalovaných zařízení, která však nemusí být nutně podporována nástroji online. Omezené modifi kace v infrastruktuře by měly být očekávány. IT zátěž Monitorovací systém musí mít potřebný počet informačních uzlů (nebo monitorovacích bodů), aby poskytnul požadované informace pro komplexní analýzu energetické spotřeby. Ve větších instalacích by výběr informačních uzlů měl začít nejreprezentativnějšími subsystémy (z pohledu využívání energie). Obrázek 1.1 ukazuje nejvýznamnější subsystémy, u kterých by spotřeba energie měla být monitorována. Tyto subsystémy také mohou být považovány za informační uzly nebo monitorovací body. Napájení IT Silové rozvaděče Služby Celkový příkon datového centra Dieselagregáty Záložní zdroje (UPS) Příkon IT zařízení Datová úložiště Telekomunikační zařízení atd. atd. Chlazení Blokové chladicí jednotky (Chillery) Volné chlazení (Free cooling) atd. Obr. 1.1 Jednoduché schéma s klíčovými subsystémy datového centra [Zdroj: ASHRAE [2]]. 6

Sběr dat, jejich zpracování a vyhodnocení je obvykle podporováno softwarovými nástroji. Například program Ušetři energii teď, vyhlášený ministerstvem energetiky ve Spojených státech, vyvinul kolekci nástrojů nazvanou DC Pro. Balík nástrojů poskytuje vyhodnocovací mechanismus, nástroje pro porovnávání a sledování výkonu a dále také doporučená opatření. Je k dispozici zdarma. http://www1.eere.energy.gov/industry/datacenters/ software.html DALŠÍ PŘÍKLADY UŽITEČNÝCH SOFTWAROVÝCH NÁSTROJŮ JSOU: Pomůcka na odhad PUE (efektivita využití energie): http://estimator.thegreengrid.org/puee Nástroj pro reporting PUE http://www.thegreengrid.org/en/global/content/ Tools/PUEReporting Metrika škálovatelnosti PUE a statistická tabulka http://www.thegreengrid.org/library-and-tools.aspx?category=metricsandmeasurements&range= Entire%20Archive&type=Tool&lang=en&paging=All# TB_inline?&inlineId=sign_in Měření účinnosti datového centra PUE a DCiE http://www.42u.com/measurement/pue-dcie.htm DOPORUČENÍ PRO NEJLEPŠÍ PRAXI Řádné pochopení celkových cílů energetického monitoringu je pro návrh účinné koncepce monitoringu zcela nezbytné. Typickými cíly mohou být: Vyhodnocení celkového příkonu IT a podpůrné infrastruktury Analýza trendů spotřeby energie v čase Porozumění okamžité energetické potřebě klíčových zařízení v dané instalaci Účtování Výpočet indexů energetické účinnosti a energetických metrik Koncepce softwaru či hardwaru pro energetický monitoring by měla vykazovat následující schopnosti (Zdroj ASHRAE): Spolehlivý sběr dat a ukládání dat v požadovaném intervalu a přesnosti Normalizace dat z různých zařízení, rozhraní a protokolů Ukládání dat za dlouhé intervaly měření Analýza a vizualizace dat ve formě tabulek a grafů Škálovatelnost architektury podle rozšiřování datového centra Klíčovými aspekty, které se musí vzít v úvahu při výběru zařízení do monitorovacího systému, jsou mimo jiné rozsah měřicího přístroje, rozlišení a přesnost. 7

Tab. 1.1 Příklady přístrojů pro měření odběru energie Označení Příklad Popis Koncepce monitoringu Přenosné měřidlo Přenosná měřidla zahrnují řadu produktů od ručních jednofázových multimetrů až k sofi stikovaným třífázovým analyzátorům sítě se záznamem a možností synchronizace. Většina z nich má vestavěný displej, přes který může uživatel přistupovat k naměřeným nebo zaznamenaným datům. Minimální a pokročilý monitoring. Zdroj: Chauvin Arnoux Vestavné měřidlo (panelové) Vestavná měřidla se obvykle natrvalo instalují do rozvaděčového panelu, kde měří záložní zdroje (UPS), dieselagregáty nebo jiná zařízení. Tato měřidla mají displej, který ukazuje okamžité naměřené hodnoty a kumulativní proměnné veličiny jako celkovou spotřebu energie. Mohou být instalovány pro měření celkového příkonu a pro měření energetického odběru jednotlivých zařízení. Tato měřidla mohou být použita pro nejpraktičtější a nejmodernější monitoring. Zdroj: Chauvin Arnoux Fakturační měřidlo Zdroj: Itron Fakturační měřidla nejvíce používají distributoři energií, majitelé nemovitostí a další, kteří fakturují své zákazníky. Zřídkakdy se používají v monitorovacích systémech datového centra, ale mohou poskytovat data o celkovém odběru energie v dané instalaci. V některých případech může distributor energie poskytnout přístup k digitálnímu komunikačnímu portu, který umožní získat a uložit data do databáze pro budoucí analýzu (například každých 15 minut). Lze použít ve všech koncepcích. Inteligentní distribuční panel (PDU) Zdroj: Raritan Inteligentní nebo měřené distribuční panely pro IT rozvaděče (rack PDUs) poskytují aktivní měření odběru energie a tím umožňují optimalizaci spotřeby a ochranu obvodů. Měřené napájecí panely předávají data o využívání energie a umožňují tak manažerům datového centra provádět informovaná rozhodnutí o vyvažování zátěží a dimenzování IT prostředí, jejichž cílem je snižování celkových nákladů na vlastnictví (TCO). Napájecí panely mohou být vybaveny vzdáleným monitoringem, který umožňuje v reálném čase sledovat výkonové parametry buď za celou napájecí lištu a/nebo pro jednotlivé zásuvky, tzn. monitorovat proud, napětí, výkon, účiník a příkon (kwh) s přesností odpovídající fakturačnímu stupni ISO/IEC +/ 1%. Uživatelé mohou přistupovat a konfi gurovat měřené panely pro IT rozvaděče přes zabezpečené rozhraní (Web, SNMP nebo Telnet). Lze použít ve všech koncepcích. Měření výkonu na úrovni měřidla integrovaného v serveru Měření výkonu na úrovni měřidla integrovaného v serveru Minimální a pokročilý monitoring. Permanentní rozvaděčový měřicí převodník bez displeje Zdroj: Chauvin Arnoux Indukční výkonový převodník je obvykle popisován jako zařízení bez displeje, které je trvale zapojeno do rozvaděče jako vestavná (panelová) měřidla. Taková zařízení jsou často používána monitorovacími systémy k měření energetických odběrů v různých bodech datového centra. Lze použít ve všech koncepcích. 8

1 Monitoring spotřeby energie v serverovnách a datových centrech 1.2 Měřicí přístroje K měření klíčových veličin jako spotřeba energie, teplota, průtok a vlhkost je k dispozici velký počet typů měřicích zařízení. Některé příklady zařízení pro měření spotřeby jsou uvedeny v tabulce 1.1 (vlevo, na straně 8). K dalšímu čtení doporučujeme zdroje uvedené v následující sekci nebo Zprávu o technologickém auditu / Technology Assessment Report, která je k dispozici na web stránkách PrimeEnergyIT. Další materiály ke čtení ASHRAE (2010): Real-Time Energy Consumption Measurements in Data Centres, ASHRAE American Society of Heating, Refrigerating and Air- Conditioning Engineers, 2010. ISBN: 978-1-933742-73-1 Stanley, J. and Koomey, J. (2009): The Science of Measurement: Improving Data Centre Performance with Continuous Monitoring and Measurement of Site Infrastructure, Stanley John and Koomey Jonathan, October 2009 www.analyticspress.com/scienceofmeasurement.html Ton, M. et al (2008): DC Power for Improved Data Centre Effi ciency,ton, My, Fortenbery, Brian and Tschudi, William, Ecos Consulting, EPRI, Lawrence Berkeley National Laboratory, March 2008 http://hightech.lbl.gov/documents/data_centres/ dcdemofinalreport.pdf The Green Grid (2008): Green Grid Data Centre Power Effi ciency Metrics. White Paper 6, The Green Grid, White Paper 6. December 30, 2008 http://www.thegreengrid.org/global/content/white- papers/the-green-grid-data-centre-power-efficiency- Metrics-PUE-and-DCiE Rasmussen N. (2009): Determining Total Cost of Ownership for Data Centre and Network Room Infrastructure, Neil Rasmussen, APC by Schneider Electric, White paper #6 Revision 4 http://www.apcmedia.com/salestools/cmrp-5t9pqg_ R4_EN.pdf Rasmussen N. (2010): Avoiding Costs From Oversizing Data Centre and Network Room Infrastructure, Neil Rasmussen, APC by Schneider Electric, 2010. White paper #37 Revision 6 http://www.apcmedia.com/salestools/sade-5tnnep_ R6_EN.pdf Schneider Electric (2011): E-learning website (Energy University) that provides the latest information and training on Energy Effi ciency concepts and best practice www.myenergyuniversity.com Webinar: The Data Centre in Real Time: Monitoring Tools Overview & Demon http://www.42u.com/webinars/real-time- Measurement-Webinar/playback.htm Reference [1] Stanley, J. and Koomey, J. (2009): The Science of Measurement: Improving Data Centre Performance with Continuous Monitoring and Measurement of Site Infrastructure. October 2009. [2] ASHRAE (2010): Real-Time Energy Consumption Measurements in Data Centres: ASHRAE- American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers, 2010. ISBN: 978-1-933742-73-1. 9

2 Servery, Bernd Schäppi, Thomas Bogner, Hellmut Teschner, Rakouská energetická agentura Serverová zařízení spotřebují kolem 30 40 % celkové energie spotřebované v datových centrech a serverovnách. Jsou proto jednou z primárních oblastí pro zavedení efektivních energeticky úsporných opatření. Typická serverová zařízení v běžných serverovnách nebo datových sálech zahrnují standardní servery v provedení pro montáž do IT rozvaděčů, ale také stojanové servery a víceuzlové servery (multi-node). Potenciál pro energetické úspory je vysoký a v závislosti na typu IT systému a aplikovaných opatřeních je možné dosáhnout energetických úspor v rozsahu 20 60 % nebo ještě více. Primární přístupy pro zlepšení energetické účinnosti zahrnují výběr energeticky efektivního hardwaru a návrh systému, správu napájení na všech úrovních od hardwarových komponent až po celý systém a v neposlední řadě také konsolidaci hardwaru a virtualizaci. Následující kapitola poskytuje informace o technologiích k úspoře energie a volitelných možnostech od úrovně komponent až po celý systém. Otázky související s energetickou účinností a možná opatření pro zlepšení jsou poskytována od úrovně serverů až po úroveň rozvaděče datového centra. Dvě konkrétní kapitoly se věnují blade serverové technologii a virtualizaci serverů jakožto mocným, energeticko-optimalizačním strategiím. Konkrétní doporučení pro postup podle nejlepší praxe jsou zvýrazněna v rámečcích. Tab. 2.1 Výkonová kritéria Energy Star pro provoz naprázdno Kategorie Počet instalovaných procesorů Spravovaný server Základní přípustný výkon při provozu naprázdno (W) A 1 Ne 55 B 1 Ano 65 C 2 Ne 100 D 2 Ano 150 Tab. 2.2 Koncepce hodnotícího nástroje SERT Hodnocení výkonnosti systému Server Procesor (CPU) Paměť Úložiště dat Hodnocení výkonnosti Hodnocení výkonnosti Hodnocení výkonnosti 2.1 Energetická účinnost a správa napájení na úrovni serveru a jednotlivých komponent Energetická účinnost serverů se v minulých letech silně zlepšila, zejména v důsledku vývoje efektivní správy napájení pro hardwarové komponenty. V současnosti se energetická účinnost serverů hodnotí a deklaruje podle požadavků Energy Star a porovnává výkonnostním hodnocením SPECpower (SPEC: Standard performance evaluation corporation, Sdružení pro vyhodnocení standardního výkonu). Současné požadavky ENERGY STAR pro podnikové servery [1] smluvně stanovují kritéria pro energetickou účinnost IT-rozvaděčových a stojanových serverů obsahujících až 4 patice pro procesory. Požadavky defi nují maximální úrovně pro spotřebu energie při běhu naprázdno pro servery s 1 a 2 paticemi pro procesor (CPU) a dále také kritéria pro účinnost napájecího zdroje a vlastnosti jeho správy napájení (viz tabulka 2.1 a tabulka 2.4). Kritéria pro provoz naprázdno jsou primárně užitečná jako indikátor účinnosti při podmínkách podprůměrné zátěže blížící se provozu naprázdno. Taková nízká zatížení serverů (např. < 15%) jsou stále docela běžná, ačkoli konsolidace hardwaru pro dosažení vyšších úrovní zátěže by měla být všeobecným cílem. Energetická účinnost serveru při vyšším pracovním zatížení a pro konsolidované systémy je adresována výkonnostním hodnocením SPECpower, které je však více zaměřeno na účinnost vztaženou k procesoru a intenzivní zátěži na něm (viz informace níže). Komplexní nástroj pro hodnocení účinnosti serveru - tzv. SERT (Server Effi ciency Rating Tool), který se zaměřuje na všechny hlavní hardwarové komponenty při různých úrovních zátěže, je současnosti předmětem vývoje SPEC [2] a bude dostupný v zimě 2011/2012. Nástroj SERT bude hodnotit účinnost serveru na základě dílčích výkonnostních testů procesoru, paměti, úložiště dat a systému (tabulka 2.2). Nástroj bude podporovat IT manažery při výběru energeticky účinného hardwaru pro konkrétní aplikace. Vstupy/Výstupy 10

SPECpower_ssj2008 [2] byl prvním standardním výkonnostním hodnocením podporujícím hodnocení energetické účinnosti masově vyráběných podnikových serverů (volume class servers). Zaměřuje se hlavně účinností vztaženou k procesoru (CPU) a poskytuje tak dobré hodnocení ohledně vysokých pracovních zátěží CPU. Výkonnostní hodnocení je zveřejňováno výrobci, jenže jen pro vybraný hardware. Obr. 2.1 ukazuje jeden příklad výsledků SPECpower pro masově vyráběný server. Typický graf SPEC podává informaci o průměrném výkonu na Watt napříč rozsahem zátěží a také hodnoty pro deset různých úrovní zátěže. Tak mohou být servery porovnány při různých úrovních zátěže od běhu naprázdno až pro 100%. Pro účely nákupu by měla být od dodavatelů požadována kompletní SPECpower informace (obsahující také podrobnou informaci o konfi guraci). Dále by mělo být zváženo, že produkty jsou často testovány v nízké konfi guraci. Měřítko zátěže (od běhu naprázdno až po 100% využití v kroku po 10%) Měřítko výkonu Celkový výsledek výkonnostního hodnocení (SPECpower_ssj2008 metrika se počítá jako součet všech výsledků ssj_ops pro všechny cílové zátěže děleno součtem všech průměrů spotřeby energie (ve Wattech) pro všechny cílové zátěže, včetně aktivního intervalu měření běhu naprázdno) Sloupcový graf výkonu Linie energetické spotřeby Měřítko spotřeby energie Obr. 2.1 Diagram SPECpower a klíčové informace Doporučení pro nejlepší praxi Kritéria energetické účinnosti a výkonnostní hodnocení pro výběr hardwaru Je-li to možné, při pořizování hardwaru používejte kritéria pro účinnost od Energy Star. Pro servery provozované při nízkém zatížení mohou posloužit jako rozumné indikátory účinnosti požadavky Energy Star Verze 1 pro běh naprázdno. Požadavky na napájecí zdroje lze použít pro jakýkoli druh zařízení. Od dodavatelů vyžadujte výkonnostní výsledky SPECpower_ssj2008 (a SPEC-SERT, jakmile budou k dispozici). Pro SPECpower zvažte následující záležitosti: Je to výkonnostní test zaměřený na procesor, je tedy nejvíce relevantní pro procesor s intenzivní pracovní zátěží. Servery mohou být testovány v dosti malé konfi guraci (ověřte si proto, pro jakou sestavu výsledky platí). Pro dosažení robustní interpretace neuvažujte pouze celkový výsledek (celkový počet operací na Watt), ale také podrobná výkonnostní data. 11

2.1.1 Účinnost procesoru (CPU) Procesory (neboli centrální procesorové jednotky, CPU) jsou v serverech energeticky nejnáročnějšími komponenty a proto energeticky efektivní modely procesorů s účinnou správou napájení mohou silně podpořit lepší účinnost. Spotřeba energie závisí na konkrétním napětí a taktovací frekvenci, se kterými procesor pracuje. Správa napájení na úrovni procesoru nebo procesorových jader je proto založena na dynamickém řízení napětí a kmitočtu (Dynamic Voltage and Frequency Scaling, DVFS) nebo na vypínání jader. Spotřeba energie procesory se často porovnává na základě dimenzovaného tepelného výkonu (thermal design power, TDP), který představuje maximální výkon, jaký musí umět chladicí systém v serveru odvést. TDP však poskytuje pouze omezenou informaci, jelikož celková účinnost také silně závisí na správě napájení. Výrobci nabízejí konkrétní energeticky úsporné verze procesorů, které, mohou-li být dosaženy specifi cké požadavky na výkon, v praxi umožňují dosáhnout významné úspory energie. Energetická účinnost procesorů silně závisí na efektivní implementaci správy napájení. Běžné operační systémy podporují správu napájení založenou na specifi kaci ACPI (pokročilá konfi gurace a napájecí rozhraní, Advanced Confi guration and Power Interface) pro stavy výkonu procesoru a spotřebu energie (P-stavy) a pro stavy termického manage mentu (C-stavy). Nové ovládání systému a komponent, které povolila ACPI Verze 3, poskytuje mechanismy pro správu napájení na vyšší úrovni a umožňuje přitom jemnější granulaci napájení a nastavení výkonu podle požadavku. U mnoha modelů serverů z nedávné doby lze používat předdefi novaná napájecí schémata (napájecí profi ly), např.: Vysoký výkon (vhodné pro servery, které běží s velmi vysokým využitím a potřebují poskytovat maximální výpočetní výkon bez ohledu na nákla dy za spotřebovanou energii) Úsporný režim / Minimální spotřeba (u serverů, které běží s nízkým využitím výpočetní kapacity a mají větší využitelný výkon než je skutečně potřeba, může použití tohoto režimu poskytnout přírůstek energetických úspor) Vyrovnané napájení a výkon Obrázek 2.2 ukazuje na výsledcích měření výkonnosti (SPECpower) pozitivní vlivy správy napájení u moderního procesoru ve skupině produktů HP ProLiant DL 380: poměr provozu naprázdno k energii potřebné pro provoz s plnou zátěží se u konkrétního modelu serveru od generace G5 do G7 silně zmenšil. Pro server DL 380 G5 byl běh naprázdno (bez zátěže) o 33 % (170 Wattů) menší než provoz s plnou zátěží (253 Wattů). Pro G7 je přibližně o 75 % nižší než maximální výkon. To ukazuje, že nová technologie serverů je mnohem více energeticky úsporná při nízkém zatížení nebo při běhu naprázdno, a to díky inteligentní správě napájení na úrovni procesoru. Výpočetní výkon pro konkrétní model serveru se na druhé straně zvětšil více než trojnásobně. G7 (3,07 GHz, Intel Xeon X5675) G5 (2,66 GHz, Intel Xeon L5430) Obr. 2.2 Příklad výkonnostního testu SPECpower pro různé generace serverů (G5, G7 Server od HP) [SPEC (2010, www.spec.org)] 12

2 Servery Při pořizování hardwarového vybavení je všeobecně nezbytné, aby se zkontrolovalo, že hardwarové komponenty splňují konkrétní výkonové požadavky. Různé typy provozních zátěží na serveru nastavují různé požadavky na výkon hardwaru, což by mělo být pro efektivní konfi guraci hardwaru řádně zváženo. Hrubý náznak požadavků na výkon hardwaru při různých provozních zátěžích ukazuje tabulka 2.3. 2.1.2 Účinnost napájecího zdroje Tab. 2.3 Požadavky na výkon při různých použitích serveru [5] Kategorie Procesor Paměť Pevné disky Vstupy/Výstupy Souborový/tiskový server 0 + ++ + Mail server + + ++ 0 Virtualizační server ++ +++ ++ ++ Web server + + 0 + Databázový server ++ ++ +++ + Aplikační server ++ ++ 0 + Terminálový server ++ ++ + + Program Energy Star pro servery [1] nastavil požadavky na účinnost napájecích zdrojů při defi novaných zátěžových hladinách 10 %, 20 %, 50 % a 100 %. Certifi kační schéma 80 PLUS [80 PLUS] také defi nuje požadavky na energetickou účinnost napájecích zdrojů serverů, neobsahuje však úroveň zátěže 10 %. Pro praktické účely a nákup se doporučuje objednávat napájecí zdroje splňující alespoň zlatou úroveň 80 PLUS (80 PLUS Gold level), která odpovídá účinnosti 88 % při zátěži 20 % a účinnosti 92 % při zátěži 50 %. Standardní servery v IT rozvaděčích, běžně provo- zované s nízkým zatížením, jsou často vybaveny nadbytečným redundantním napájecím zdrojem (over-provisioning). To ve výsledku vede k významným ztrátám energie z důvodu velmi nízkého provozního bodu zařízení. Správné dimenzování napájecích zdrojů je proto nutností. Toto je podporováno například nástroji pro online konfi guraci napájení nabízenými výrobci a nástroji pro vyhodnocování energetického vykrytí. Někteří výrobci (např. řadu serverů HP ProLiant G6 a G7) poskytují konkrétní hardwarové vlastnosti k překonání zbytečných ztrát na redundantních napájecích zdrojích. Takový hardware pak nabízí provozní režim umožňující používat pouze jeden z napájecích zdrojů až do okamžiku, kdy zátěž překročí určitý práh. Druhý napájecí zdroj zůstává ve standby režimu a udržuje redundanci. V případě poruchy zdroje nebo napájecí trasy tento režim provozu poskytuje plně redundantní napájení. Tab. 2.4 Požadavky na účinnost napájecích zdrojů dle programu Energy Star a iniciativy 80 PLUS Typ napájecího zdroje Nominální výstupní výkon Zátěž 10% Zátěž 20% Zátěž 50% Zátěž 100% Energy Star Vs1 Více výstupů (AC/DC a DC/DC) Všechny úrovně výstupu N/A 82% 85% 82% Jeden výstup (AC/DC a DC/DC) <=500W 70% 82% 89% 85% >500 1000W 75% 85% 89% 85% >1000W 80% 88% 92% 88% Energy Star Verze 2 návrh Více výstupů (AC/DC a DC/DC) Všechny úrovně výstupu N/A 85% 88% 85% Jeden výstup (AC/DC a DC/DC) Všechny úrovně výstupu 80% 88% 92% 88% 80 PLUS Bronze Všechny úrovně výstupu N/A 81% 85% 81% Silver Všechny úrovně výstupu N/A 85% 89% 85% Gold Všechny úrovně výstupu N/A 88% 92% 88% Platinum Všechny úrovně výstupu N/A 90% 94% 91% 13

2.2 Správa napájení od IT rozvaděče až po celé datové centrum Jdeme-li dále z úrovně hardwarových komponent a jednotlivých serverových jednotek, zjišťujeme, že správa napájení na úrovni systému je pro celkovou optimalizaci energetické účinnosti také důležitá. Jak je uvedeno výše, většina serverů se stále používá se skromnou provozní zátěží a proto je zde velký potenciál k energetickým úsporám dosažitelným konsolidací hardwaru (viz další kapitola) nebo správou napájení na systémové úrovni. Co se týče úrovně komponent, správa napájení na vyšších úrovních nastavuje výpočetní výkon a spotřebu energie podle aktuální potřeby a vypíná nebo přiškrcuje zdroje, nejsou-li potřeba. Tabulka 2.5 ukazuje různé přístupy správy napájení při různých úrovních [TGG Bílá kniha č. 33]. Některá nastavení a volby jsou popsány v následujících odstavcích a dalších kapitolách. 2.2.1 Plánování kapacit a správa energie Software pro správu serverů poskytuje nezbytné nástroje pro bezpečný provoz serverů ale také holistický management napájení (celostní přístup). Nástroje pro správu serverů mohou účinně pomoci při snižování spotřeby energie, jelikož usnadňují zavádění energetických politik napříč celým serverovým systémem a poskytují vlastnosti jako provisioning, monitoring a správu konfi gurace, které mohou silně podpořit účinnost systému. Hlavními vlastnostmi obecně jsou: provisioning (poskytování systémových zdrojů) monitoring rozmístění správa konfi gurace řízení aktualizací správa napájení správa provozní zátěže Všichni větší dodavatelé hardwaru nabízejí mocné nástroje pro správu serverů. IBM (Systems Director) a HP (Systems Insight Manager + Insight Dynamics) nabízejí velmi komplexní řešení pro správu, které je schopné integrovat systémy třetích stran. Fujitsu (Server View Site) nabízí produkty se základními funkcionalitami, které je možné integrovat do zavedených konzolí pro správu od dalších dodavatelů. DELL používá softwarový balík Altiris Total Management Suite. Sun a Acer poskytují konzole pro jejich vlastní prostředí. Softwarové balíky pro energetický management (např. IBM Energy Manager) Mezi mnoha dalšími vlastnostmi tento typ nástroje podporuje monitoring a sběr dat o spotřebě energie, správu napájení včetně nastavování energeticky úsporných voleb a vykrývání výkonu a dále také automatizaci úkolů souvisejících s napájením. Poslední zmíněná činnost zahrnuje sestavu měřicích zařízení, jakými jsou napájecí panely (PDU) a senzory, nastavování prahových hodnot, vytváření a nastavování energetických politik, výpočet nákladů na energii. Další informace ohledně softwarových balíků pro energetický management jsou uvedeny níže. Tab. 2.5. Možnosti správy napájení od úrovně komponent až po úroveň datového centra Úroveň komponent Úroveň systému Úroveň IT rozvaděče Úroveň datového centra Procesor (Blokové/jádrové C-stavy, P-stavy, T-stavy, termální regulace) Další komponenty (D-stavy, L-stavy) S-stavy Správa napájení založená na dané platformě Plánovače provozní zátěže Regulace rychlosti ventilátorů Systémový nebo uzlový management Vyvažování aplikací a zátěže Management na úrovni skříně (chassis) Vyvažování aplikací a zátěže Monitory prostředků a zařízení De-duplikace dat apod. Management více IT rozvaděčů, dynamická konsolidace 14

2 Servery Nástroje pro plánování kapacit (např. HP Capacity Planner) Plánovače kapacit, mezi dalšími vlastnostmi, podporují IT manažery tím, že zvyšují využití serverů, snižují spotřebu energie a zvyšují výkon aplikací. Umožňují sběr dat o využití procesorových jader, paměti, sítě, diskových vstupně-výstupních sběrnic a napájení. Dále podporují plánování provozní zátěže nebo změny systému a vyhodnocení jejich vlivu využití zdrojů. Také vyhodnocují trendy pro předběžné plánování potřebných zdrojů. Další informace o nástrojích pro plánování kapacit naleznete níže. Na základě záznamů o využívání zdrojů poskytuje například nástroj od HP dobrý rozhodovací základ pro konsolidační opatření tím, že hodnotí požadavek na zdroje pro sloučené aplikace. Obrázek 2.3 ukazuje porovnání využití dvou systémů příklad ukazuje, že špičkový výkon se vyskytuje v různých časech a průměrné zatížení by v případě konsolidace hardwaru narostlo pouze mírně. 3,0 2,5 2,0 Počet jader 1,5 1,0 špičkové využití systému špičkové využití systému 1 2 0,5 0,0 21.únor 28.únor 6.březen Čas 13.březen Systém 1 Systém 2 Alokovaný výkon Obr. 2.3 Porovnání využití procesoru pro systém 1 a systém 2 15

2.2.2 Vykrývání výkonu Aktivní alokace výkonových bilancí k serverům je také známa jako vykrývání výkonu. IT manažeři mohou specifi kovat výkonová vykrytí pro servery podle skutečných výkonových požadavků. Dynamické vykrývání výkonu snižuje požadavek na maximální výkon systému a tím optimalizuje poskytování výkonu mimo hladinu, která je typicky podporována ve výkonových konfi gurátorech nabízených příslušnými výrobci. Konkrétní v praxi dosažené úspory závisí na úrovni vykrytí. Vykrytí by měla být nastavena takovým způsobem, že výkonové špičky jsou vykryty, ale výpočetní výkon není viditelně ovlivněn. Optimali- DOPORUČENÍ PRO NEJLEPŠÍ PRAXI Plánování a správa energeticky účinných datových center zované vykrývání vyžaduje vyhodnocení provozní zátěže a profi l energetického příkonu. Pro relativně uniformní pracovní zátěže může dojít k nastavení vykrytí do průměrné zátěže serveru, aniž by to výrazně ovlivnilo výpočetní výkon. Podle hrubého odhadu od oka, vykrytí by se neměla nastavovat níže než je přibližný střed mezi minimálním a maximálním příkonem serverů. Některé nástroje pro správu také poskytují vykrývání výkonu s časově závislou specifi kací, která defi nuje různá vykrytí výkonu pro různé časové intervaly během dne, závisející na profi lu zátěže, nákladech za energii atd. Používejte nástroje pro správu serverů k plánování kapacit, sledování provozního zatížení a výkonu a konkrétnímu řízení napájení. Podrobné popisy a doporučení k používání vlastností správy napájení se dodávají s technickou dokumentací prostředků pro správu serverů. Používejte vyvažování aplikací a zátěže pro optimalizaci využívání hardwarových zdrojů. Používejte vykrývání výkonu, abyste udrželi požadavek na výkon na očekávaných úrovních pro celý systém. Mějte užitek z optimalizovaných odolných úrovní IT hardwaru. Pro každou nasazenou službu vyhodnoťte úroveň odolnosti hardwaru; odolnost hardwaru jasně zdůvodněte z pohledu očekávaného vlivu na vaše podnikání v případě výpadku či selhání služby. Vyřaďte z provozu nepoužívané služby a kompletně odstraňte hardware. Vyhodnoťte možnosti vyřadit z provozu služby s nízkou obchodní hodnotou; identifi kujte ty služby, jejichž fi nanční a environmentální náklady nejsou ospravedlnitelné. 2.3 Specifické možnosti správy napájení u blade serverů Blade serverová technologie se nasazuje jak v datových centrech, tak i v serverovnách. V několika posledních letech se trh s blade servery stal nejrychleji rostoucím tržním segmentem a je proto důležité, aby tato technologie byla tak energetický účinná, jak je jen možné. Blade chassis (skříň blade serveru, viz obrázek 2.4) typicky obsahuje 7, 14 nebo více blade serverových modulů, jeden nebo více modulů pro správu a dále také rozhraní KVM (klávesnicevideo-myš). Skříň podporuje serverové, diskové a síťové moduly a lze jej optimalizovat pro konkrétní aplikace a typy uživatelů. V porovnání se standardním (IT rozvaděčovým) serverem umožňuje blade serverová technologie redukovat některé hardwarové komponenty jako napájecí zdroje, síťové vstupy/výstupy a kabeláž, které jsou sdíleny několika servery umístěnými ve společné skříni. Hlavní výhody blade serverů jsou: Vysoká výpočetní hustota a nízké nároky na prostor Krátká doba na údržbu a upgrade systému vyplývající z možné výměny modulů za provozu (hot-plug) a integrovaných funkcí pro správu Mírně vyšší energetická účinnost v porovnání se stojanovými servery v případě, že je optimalizována správa napájení a chlazení Obr. 2.4 Blade chassis Obr. 2.5 Duální serverový uzel 16

2 Servery Jsou-li však realizovány vysoké hustoty blade serverů, vyplývají z nich vysoké nároky na infrastrukturu a chlazení. Vysoká výpočetní hustota zvyšuje výkonové hustoty na 10 25 kw/rozvaděč. Následně se standardní systém chlazení datového centra často stává nedostatečným a jsou vyžadovány specifi cké koncepce chlazení. Energetická účinnost blade serverů proto také silně závisí na celkovém návrhu systému. Dvouuzlové (dual-node) a víceuzlové (multi-node) koncepty jsou částečně založeny na podobné fi lozofi i jako blade servery. Ve víceuzlové koncepci se kombinuje pevný počet serverových jednotek (běžně 2 nebo 4) do jedné skříně, která se následně montuje do IT rozvaděče. Obdobně jako u blade systémů, servery sdílejí napájecí zdroje a ventilátory, ale mají málo možností pro rozšiřování. Víceuzlová technologie je tedy přístupem k zavedení vyšší výpočetní hustoty při poměrně nízkých nákladech, často navrhovaným pro účely malých a středních společností. Jsou zde ale i speciální vysoce výkonné duální serverové uzly, například pro blade systémy, které kombinují dva serverové uzly v jednom blade modulu. Hlavními výhodami standardních duálních a víceuzlových systémů jsou: Nižší náklady a prostorové nároky ve srovnání se standardními servery určenými pro montáž do IT rozvaděče Mírně nižší spotřeba energie vyplývající ze sdílených napájecích zdrojů a ventilátorů 2.3.1 Skříň (chassis) a komponenty blade systému Větší napájecí zdroje jsou často účinnější a tak nižší počet větších napájecích zdrojů v blade systémech může zvýšit energetickou účinnost ve srovnání se servery určenými pro přímou montáž do IT rozvaděčů. V praxi ale účinnost také závisí na potřebném příkonu ve vztahu ke kapacitě napájecího zdroje. Obrázek 2.6 ukazuje křivku účinnosti napájecího zdroje se štítkem Platinum [80plus 2011] o nominálním výkonu 2990 W určeného pro blade chassis, který udává účinnosti mezi 92 % a 95 % pro celý rozsah zátěže. Účinné napájecí zdroje pro blade systémy by měly dosahovat energetické účinnosti přes 90 % při zátěži 20 % až 100 %. Pro nové generace produktů blade servery a víceuzlové servery někteří výrobci poskytují několik modelů napájecích zdrojů s různým nominálním výkonem, aby umožnili dimenzování podle výkonových požadavků. Výběr napájecího zdroje je podporován online konfi gurátory nabízenými příslušnými výrobci. DOPORUČENÍ PRO NEJLEPŠÍ PRAXI Výběr blade technologie založený na jasných rozhodovacích kriteriích Defi nujte a vyhodnoťte hlavní důvody pro zavedení blade technologie v datovém centru, např. prostorová omezení. Vyhodnoťte výhody, které se očekávají oproti technologii určené pro přímou instalaci do IT rozvaděče. Ověřte, zda jsou očekávání reálná. Ověřte, zda by při zvážení stanovených cílů mohla být alternativním řešením virtualizace. Spočítejte očekávané celkové náklady na vlastnictví (TCO) a energetickou účinnost ve srovnání s dalšími možnostmi (na základě informací získaných od dodavatelů). Fig. 2.6 Účinnost napájecího zdroje pro blade systém [3] 17

Blade server Dell M610 1U Rack server R610 Obr. 2.7 SPECpower_ssj2008 pro blade server Dell M610 a 1U rack server R610. Blade systém obsahuje 16 blade modulů s identickou konfi gurací procesoru jako 1U rack server (2 x Intel Xeon 5670, 2,93GHz). Zdroj: SPEC (2010, www.spec.org) Méně a více výkonné napájecí zdroje, více účinné ventilátory a rozšířené volby správy napájení na úrovni chassis blade systému v zásadě nabízejí vyšší energetickou účinnost než standardní servery pro přímou montáž do IT rozvaděčů. Na druhou stranu, účinnost v praxi silně závisí na konfi guraci chassis a také na použití voleb správy napájení. Chassis nakonfi gurované pouze s několika málo blade moduly bude jasně méně účinné kvůli nadměrnému chlazení, napájení a síťové kapacitě (over-provisioning). Pro přibližné porovnání energetické účinnosti blade serverů proti standardním serverům může být uvažován plně nakonfi gurovaný blade systém. Takové hrubé srovnání založené na údajích o ener getické účinnosti publikovaných společností Dell ukazuje obrázek 2.7. Dell zveřejnil údaje SPECpower (SPECpower_ssj2008) pro blade systémy a srovnatelné rackové servery v roce 2010 (www.spec.org). Výsledky SPEC ukazují maximální výpočetní výkon 3885 operací/watt při 100 % zátěži pro blade systém a 3739 operací/watt pro rackserver systém, což znamená, že výkon na Watt nebo energetická účinnost je při maximální zátěži je o 4 % lepší v blade systému než v řešení pro IT rozvaděč. Roz díl roste až na cca 8 % pro nízké zátěže (10% zátěž) a na 11 % pro provoz naprázdno. Ačkoli toto jednoduché srovnání nesmí být přehnaně interpretováno (protože SPECpower hodnotí pouze část účinnosti serveru), nabízí se, že blade systémy, i když jsou v plné konfi guraci a optimalizované pro testování, prokazují pouze mírně lepší energetickou účinnost než standardní rozvaděčové servery, zejména při vysokých zátěžích. Rozdíl je více významný při nízkých úrovních zátěže, což znamená, že blade servery mají lepší celkovou správu napájení při nízké zátěži. Zdá se tedy, že blade řešení nabízejí pouze omezený potenciál pro zvýšení energetické účinnosti v porovnání například s virtualizací. Podobně jako u serverů určených pro instalaci do IT rozvaděčů, existuje zde také možnost kombinace blade hardwaru s virtualizací, která umožňuje silné zlepšení energetické účinnosti. Problémy související s vysokými tepelnými hustotami na úrovni IT rozvaděče a řady IT rozvaděčů jsou adresovány v odstavci 2.3.2 níže. Moderní blade chassis obsahují hardware a software pro správu, které v kombinaci se vzdálenými přístupovými řadiči v blade server modulech umožňují inventarizovat napájení a provádět správu napájení jednotlivých blade modulů. Konkrétní řídicí karty podporují inventarizaci hardwaru a požadavku na napájení pro různé blade moduly. Řadič pro vzdálený přístup sděluje informace o ener getické bilanci kartě pro řízení chassis, která potvrzuje dostupnost výkonu z úrovně systému, na základě inventarizace výkonu v celém chassis. 18

2 Servery DOPORUČENÍ PRO NEJLEPŠÍ PRAXI Při výběru energeticky účinného blade hardwaru zvažte pořizovací kritéria CMC může nastavit napájecí politiky na systémové úrovni a aktuální spotřeba energie se na každém serverovém modulu monitoruje, aby se zajistilo, že okamžitá spotřeba energie nepřekročí kalkulovanou velikost. Základní funkce správy napájení v automatickém režimu nejsou pro systémového administrátora normálně viditelné. Priority pro každý serverový modul ale také lze nastavit manuálně, například výběrem blade serverů s nejnižší prioritou jako prvních, které vstoupí do energeticky úsporného režimu. V blade chassis se může využít dynamické vykrývání výkonu efektivněji než pro standardní servery, jelikož dynamické vykrytí výkonu je možné specifi kovat pro četné paralelní servery. Vykrývání výkonu může být nastavováno dynamicky administrátorem na základní desce a servisním procesorem. Blade servery běžící s lehčí pracovní zátěží dostávají nižší vykrytí výkonu. Jelikož intenzita pracovní zátěže a dynamika jsou normálně pro různé blade moduly rozdílné, výkonové špičky se objevují v různé době. Návazně lze nastavit celkové vykrytí výkonu pro chassis níže, rozuměno oproti součtu jednotlivých vykrytí výkonu pro jednotlivé blade moduly. HP spočítal úspory energie a snížené náklady na vlastnictví (TCO) pro blade centrum, kde je návrh napájecího zdroje založen na vykrývání výkonu. Maximální výkon a náklady na poskytování výkonu se oproti přístupu bez vykrývání výkonu snížily o cca 20% [HP2011]. Defi nujte provozní zátěž a očekávané úrovně zátěže při budoucím využívání blade systémů. Porovnejte náklady a energetickou účinnost blade systémů od různých dodavatelů. Požadujte od dodavatelů informace o výrobcích: Celkové náklady na vlastnictví (TCO). Celková energetická účinnost (např. SPECpower_ssj2008, SPEC-SERT jakmile bude k dispozici). Energeticky účinné hardwarové komponenty, např. účinnost a dimenzování napájecích zdrojů. Nástroje pro správu, které se týkají zejména správy napájení a optimalizace návrhu systému. Vybírejte zařízení nabízející nejvyšší energetickou účinnost pro typy provozní zátěže a úrovně provozu, které budete provozovat a používejte přiměřené volby správy napájení. 2.3.2 Blade systém a problémy s jeho napájením a chlazením V praxi je často návrh účinných blade serverových systémů podceňován, zejména jsou-li zaváděny velké systémy s vysokou hustotou. Hlavními výzvami či problémy jsou: Dostatečná chladicí kapacita a vhodné provedení chlazení, které zvládá vysoké teplotní hustoty Dostatečná výkonová kapacita napájení a distribuce (kapacita místních distribučních rozvaděčů, dimenzování silových kabelů atd.) Tradiční koncepce chlazení často umožňují pouze 2 3 kw/rozvaděč, což je 10 krát méně než výkon plně osazeného IT rozvaděče s blade technologiemi. To znamená, že standardní koncepce chlazení v datových centrech a serverovnách často pro větší blade systémy nevyhovují a musí být upravovány. DOPORUČENÍ PRO NEJLEPŠÍ PRAXI Při optimalizaci energetické účinnosti blade systémů použijte nástroje pro správu Pro váš blade systém použijte nástroje pro správu a inteligentní síťová a napájecí zařízení pro monitoring spotřeby energie a zátěže. Analyzujte možnosti pro vyrovnání a řízení provozních zátěží a spotřeby energie uvnitř blade chassis a napříč rozvaděči. Používejte vykrývání špiček a funkce pro vyrovnávání výkonu na úrovni blade chassis. Proveďte odhad první objednávky týkající se požadavku na navýšení kapacity napájení a chlazení, vycházejíce z výkonových kalkulátorů nabízených výrobci. Vyhodnoťte skutečné požadavky na energii a s dostupnými nástroji pro správu stanovte kompletní provozní cykly a vykrývání výkonu podle špičkového zatížení. Přizpůsobte napájení a chlazení k vyladěnému systému, který je založený na vykrývání výkonu. 19

Tabulka 2.6 ukazuje typické možnosti pro návrh různých hustot blade serverů v závislosti na požadavcích obchodu a omezeních, která jsou dána infrastrukturou a kapacitou chlazení. Pro chlazení různých hustot blade technologií můžeme volit následující koncepty [Rasmussen 2010]: Rozptýlení teplotní zátěže blade chassis do různých IT rozvaděčů: Jednotlivé blade chassis se instalují do různých IT rozvaděčů, aby se rozptýlila tepelná zátěž. Pro tuto koncepci musí být procentuální objem blade technologií vůči celkovému objemu IT systémů velmi malý. Vyhrazená chladicí kapacita: Nadbytečná kapacita chlazení je výslovně vyhrazena pro chlazení blade zařízení. Protože se používá pouze existující chladicí výkon, je tento přístup vhodný pro instalace s relativně nízkým procentuálním podílem blade technologií. Instalace přídavného chlazení: Přídavné chlazení se poskytuje pro IT rozvaděče s blade technologiemi. Výkonová hustota na rozvaděč může dosáhnout až 10kW. Tento přístup umožňuje dosáhnout dobrého využití podlahové plochy a vysoké účinnosti. Defi nování nebo návrh zóny s vysokou výkonovou hustotou: Konkrétní místo v datovém centru se vyhradí pro blade technologie (ulička nebo zóna s vysokou výkonovou hustotou). Toto řešení se vyznačuje vysokou účinností a vysokým využitím podlahové plochy. Hustota výkonu může dosáhnout až 25 kw na IT rozvaděč. Řešení se musí naplánovat a nově vyprojektovat. Návrh datového centra s vysokou výkonovou hustotou: IT rozvaděče s výkonnými blade zařízeními jsou v celém datovém centru. Jedná se o extrémní a dosti neobvyklý přístup, který pro většinu situací vede k velkým nákladům a velmi nízkému využívání infrastruktury. V existujících datových centrech se pro používání blade technologie často aplikují jistá omezení, která jsou určena konkrétní infrastrukturou. Například systém se standardní zvýšenou podlahou nemusí umožňovat vyšší výkonovou hustotu než 5kW na IT rozvaděč. Řádné určení výkonu a výkonové hustoty je důležitým předpokladem pro návrh energeticky, prostorově a provozně úsporného řešení. Dalším podstatným bodem pro dobrou energetickou účinnost na úrovni systému je vyvarování se nadměrného poskytování (over-provisioning) infrastruktury a chlazení. Specifi kace výkonové hustoty by měla vzít v úvahu jak prostorovou, tak i dočasnou variabilitu, např. různé lokální výkonové hustoty v datových centrech s blade rozvaděči a standardními rozvaděči, kde může během doby docházet k nárůstu výkonu. Výkonová hustota se tedy musí specifi kovat buď pro IT rozvaděč, nebo pro celou řadu. Pro větší systémy je vhodnější specifi kovat výkon pro celou řadu, protože distribuce chlazení a napájení se zakládá převážně na řadovém uspořádání. Jak daleko je to možné, doporučuje se, aby specifi kace výkonové hustoty byly defi novány pro rozvaděč nebo řadu. Měly by zůstat beze změny po celou dobu provozu daného IT rozvaděče nebo řady. Implementace nové technologie s rozdílnou úrovní výkonové hustoty by se proto měla Tab. 2.6 Koncepce rozmístění blade systémů na úrovni IT rozvaděčů a související požadavky na chlazení [podle Rasmussena 2010] Počet blade chassis v IT rozvaděči Rozptýlení zátěže mezi rozvaděči Vyhrazená chladicí kapacita Přídavné chlazení Zóna s vysokou výkonovou hustotou Datové centrum s vysokou výkonovou hustotou 1 Možné ve většině DC Možné ve většině DC Možné ve většině DC Nákladově neefektivní Nákladově neefektivní 2 Zřídkakdy praktické Možné ve většině DC Možné ve většině DC Nákladově neefektivní Nákladově neefektivní 3 Nelze Možné ve většině DC Možné ve většině DC, závisí na konkrétním řešení 4 Nelze Zřídkakdy praktické Závisí na konkrétním řešení Maximum pro energeticky optimalizované systémy se zvýšenou podlahou Systémy odsávající horký vzduch Nákladově neefektivní Odsávání horkého vzduchu, nový návrh místnosti 5 Nelze Nelze Nelze Systémy odsávající horký vzduch Odsávání horkého vzduchu, nový návrh místnosti 6 Nelze Nelze Nelze Extrémní náklady Extrémní náklady 20

2 Servery Realizovat v novém rozvaděči nebo řadě. Existují ale také alternativy k tomuto přístupu, které umožňují určitou variabilitu výkonových hustot v již instalovaných rozvaděčích nebo řadách: Přidání UPS modulů za provozu Použití za provozu vyměnitelných distribučních lišt (v IT rozvaděči) Přidání chladicí kapacity zařízeními, která se montují do IT rozvaděče Pro určení výkonových hustot řad se pro typické řadové sestavy doporučuje stanovit maximální poměr špičkového a průměrného výkonu na koefi cient 2. Z míst, kde konkrétní IT rozvaděče překračují průměrný výkon, by měly být IT zátěže rozmístěny v rámci řady nebo do jiných řad. Celkově je zřejmé, že má smysl rozestavovat rozvaděče s vyšší výkonovou hustotou v rámci celé řady. Pro stanovení pravidel na využívání instalovaných kapacit se mohou použít systémy správy napájení a chlazení, například povolení pro překročení průměrného výkonu rozvaděče se podmíní výrazně podprůměrným výkonem sousedního rozvaděče. Důležitou věcí je rovněž způsob zacházení s budoucím rozvojem a zohlednění budoucích potřeb na rozšiřování IT. Je jasně nedoporučeníhodné nasazovat infrastrukturu, která od začátku pokrývá maximální budoucí kapacitu, protože toto by znamenalo nadbytečnou kapacitu a vyso ké náklady během dlouhého období. Obecně se doporučuje instalovat veškeré potrubní trasy a kabeláž pro plné rozšíření kapacit a samotná napájecí a chladicí zařízení osazovat v dalších etapách na základě konkrétních požadavků. Tento přístup umožňuje připravit celou základní (páteřní) infrastrukturu budovy a přitom nasadit konkrétní zařízení pro napájení a chlazení IT až v době, kdy je to potřeba. 2.4 Virtualizace serverů Virtualizace serverů nabízí velký potenciál pro úspory energie. Technologie umožňuje konsolidovat provozní zátěže do méně fyzických zařízení a tím silně snižuje požadavky na napájení a chlazení. Celková virtualizace nabízí řadu výhod pro efektivní návrh IT systémů v serverovnách a datových centrech. Zde jsou některé příklady: Snížení požadavků na hardware a prostor za pomoci nasazení virtuálních strojů (VM, virtual machines), které je možné provozovat na sdíleném hardwaru a zvýšit tak využití serveru z 5 15 % na 60 80 %. Optimalizace testování a vývoje Rychlé poskytování testovacích a vývojových serverů při opakovaném využívání přednastavených systémů zvyšuje míru spolupráce vývojářů a standardizaci vývojových prostředí. Snižování nákladů a složitosti spojených s kontinuitou podnikání (vysoká dostupnost a řešení pro zotavení systému po nehodě, tj. disaster recovery) za pomoci zapouzdření celých systémů do jednotlivých souborů, které lze replikovat a obnovit na jakémkoli cílovém serveru. Zavedené virtualizační platformy jako VMWare, Microsoft Hyper-V a Citrix XEN nabízejí mnoho přídavných vlastností jako vysokou dostupnost, failover (přechod na redundantní strukturu), distribuované plánování zdrojů, vyvažování zátěže, funkce automatického zálohování, distribuovanou správu napájení, VMotion pro servery, datová úložiště a síť atd. Primární technologické volby pro virtualizaci serveru zahrnují: Fyzický partitioning Virtualizaci založenou na níže ležícím operačním systému Virtualizaci aplikace např. Microsoft Terminalserver, Citrix XenApp Virtualizaci založenou na tzv. hypervizoru: VMware ESX Citrix /Open-Source: XENServer 5 Microsoft Hyper-V Při zvážení trhu, na kterém dominuje pouze několik málo produktů, se následující kapitola soustředí produkty založené na hypervizorech: VMware ESX, Microsoft Hyper-V a Citrix XEN Server. Na trhu vedoucí virtualizační platformy VMWare ESX/ESXi/Vsphere4, Microsoft HyperV a Citrix XEN nabízejí podporu pro nejběžnější standardní hostovské operační systémy. Tyto systémy poskytují správcovské konzole pro administraci malých serverových prostředí a dále také administraci na úrovni datového centra. VMware byl v roce 2001 prvním produktem na trhu. Jeho architektura časově předbíhá operační systémy s uvědomělou virtualizací a pro cesory jako Intel VT a AMD-V. VMware ESX/VSphere4 nabízí mocné nástroje pro administraci jako VMotion pro virtuální stroje napříč servery, VMotion pro datová úložiště, over-provisioning datových úložišť, virtualizaci pracovní plochy a sítě, virtuální zabezpečovací technologii a dodává kompletní virtualizační platformu od pracovní plochy přes datové centrum až po cloud computing. Microsoft Hyper-V Server obsahuje hypervizora Windows, výkonný model Windows Serveru a virtualizační komponenty. Poskytuje malý půdorys a minimální rezervu. Vkládá se do existujících IT prostředí, pákově zvedá existující patchování, poskytování, správu, podpůrné nástroje a procesy. Některé z klíčových vlastností v Microsoft Hyper-V Serveru 2008 R2 jsou živá migrace, podpora sdíleného obsahu clusteru a podpora rozšířeného procesoru a paměti pro hostovské systémy. Živá migrace je integrována ve Windows Serveru 2008 R2 Hyper-V. Hyper-V živá migrace může přesunout běžící virtuální stroj bez prostoje. 21