Лекция 8 Ресурсосберегающие технологии, применяемые в цоДах

Объёмы информации в современном мире растут чуть ли не экспоненциальными темпами. По крайней мере аналитики IDC предрекали по итогам 2011 года 44-кратный рост использования данных в глобальном масштабе. В итоге общий объём информации, с которым имеют дело компании и частные пользователи во всём мире, может превысить 32 зеттабайт (1 Зб = 1 млрд. Тб, 10²¹).

В такой ситуации для множества руководителей естественным выбором становится оптимизация подсистемы хранения информации, выделение такой подсистемы в собственный центр обработки данных либо использование услуг внешних ЦОДов.

Централизация хранения и обработки информации находится в русле ещё одной зримой тенденции последних нескольких лет – перехода к модели использования ИТ в виде услуг (в том числе в виде облачных сервисов).

Хранение и обработка данных в качестве услуги, предоставляемой на коммерческой основе, становится полноправной отраслью ИТ-бизнеса. ЦОД как коммерческое предприятие обязан быть выгодным – и для своего владельца, и для клиентов.

Мировому рынку самих ЦОДов и предоставляемым ими услугам эксперты отмеряют лет тридцать. Сегодня это вполне зрелый рынок во всём его спектре. Спрос на ЦОДы продолжает уверенно расти, что связано с влиянием на него самых разных областей экономики.

Лет пятнадцать назад стало возможным говорить о создании и эксплуатации ЦОДов как о рынке и в нашей стране. Примечательным для России стал 2006 г., когда в строительстве ЦОДов начали активно применяться стандарты и создавать объекты высшей категории. В это же время наметилась и сегментация рынка +ЦОДов: он разделился на корпоративные и коммерческие ЦОДы, а коммерческие, в свою очередь, разделились на комплексы разных категорий. Начался рост потребности в высоконадёжных комплексах, способных обеспечивать работу по критерию 24х7х365.

Первыми такие требования к ЦОДам предъявили компании телекомовского и финансового сегментов, для которых критична каждая минута прерывания бизнеса.

Структурно ЦОДа состоит из вычислительного или ИТ-оборудования (серверы, системы хранения, сетевое оборудование и т.д.) и инженерной инфраструктуры (системы охлаждения и кондиционирования, системы энергообеспечения, шкафы с кабель-каналами, распределительные панели, системы освещения, системы безопасности и т.д.).

Главная посткризисная тенденция в развитии ЦОДов – переход от экстенсивного наращивания вычислительных мощностей к их оптимизации и увеличению эффективности использования ресурсов. Но в то же время в силу централизации растёт и мощность ЦОДов и серверных. А значит, заметно увеличивается спрос на энергосберегающие технологии. В Европе и Соединённых Штатах уже сейчас стоимость ресурсов, потребляемых ЦОДом в течение нескольких лет, сравнилась со стоимостью всего оборудования: и вскоре таким же будет положение дел и в России.

В этой ситуации решающее значение приобретает эффективное управление электропитанием ЦОДа. Ведь повышение КПД системы всего на несколько процентов приводит к миллионной экономии в масштабах нескольких лет.

При создании нового и модернизации старого серверного хозяйства останавливаются на выборе Blade-систем как на наиболее современном и перспективном решении для стандартизации серверов в организации (ЦОДе).

К преимуществам использования блейд-серверов можно отнести следующие:

• уменьшение занимаемого объема;

• уменьшение энергопотребления и выделяемого тепла;

• уменьшение стоимости и повышение надежности системы питания и охлаждения;

• повышение удобства управления системой;

• высокая масштабируемость;

• высокая гибкость;

• сокращение количества коммутационныхпроводов.

Блейд-серверы стали предпочтительным и наиболее часто запрашиваемым решением для виртуализации и консолидации серверных приложений.

Современная инженерная инфраструктура ЦОДа с позиции заказчика должна отвечать очень разным и изменяющимся потребностям. Главными качественными характеристиками инфраструктуры, определяющими конкурентные преимущества, являются: модульность, масштабируемость, адаптивность, энергоэффективность, надёжность и управляемость её оборудования.

Задачи автоматизации управления инженерной инфраструктурой ЦОДа сегодня наиболее актуальны. Непрерывность предоставления ИТ-сервисов – основная задача инженерной инфраструктуры ЦОДа. Задача системы управления состоит в том, чтобы обеспечивать алгоритмы и механизмы управления достаточной надёжности, с тем чтобы в режиме реального времени поддерживать непрерывность энергообеспечения, кондиционирования, охлаждения вне зависимости от влияния внешних факторов. Это необходимый минимум. Другая задача заключается в управлении доступностью инфраструктурных компонентов внутри гермозоны. Особенно важно это для крупных (и тем более территориально распределённых) объектов, где планирование распределения инфраструктурных ресурсов тоже решается с помощью (специализированных) систем автоматизации.

Для поддержки виртуализации ИТ-ресурсов инженерная инфраструктура должна быть максимально адаптированной и способной реагировать на изменения инфраструктурных параметров в режиме реального времени. Это перекликается с задачами управления инженерной инфраструктурой.

Идёт процесс интеллектуализации управления инженерной инфраструктурой. В ближайшие 5–7 лет тема развития ПО управления инженерной инфраструктурой ЦОДов будет на слуху.

Для оценки энергоэффективности ЦОДов используется показатель Power Usage Effectiveness (PUE). Он определяется как отношение энергопотребления всего ЦОДа к энергопотреблению его ИТ-оборудования:

PUE = энергопотребление ИТ-оборудования + энергопотребление инфраструктуры / энергопотребление ИТ-оборудования.

Хотя показатель PUE широко распространён для описания того, как ЦОД использует электропитание, нужно осторожно подходить к интерпретации полученных с его помощью результатов. Следует всегда помнить, что PUE наиболее полезен для отслеживания влияния изменений, вносимых в инфраструктуру, и менее полезен для оценки улучшений, происходящих за счёт сокращения энергопотребления ИТ-оборудования ЦОДа, поскольку сокращение энергопотребления оборудования приведёт к увеличению PUE.

Рассмотрим способы повышения эффективности множества ЦОДов, которые созданы много лет назад (20–30 лет назад). Ведь именно их использует большинство предприятий, университетов и госучереждений. Используемые раньше мэйнфреймы и мини-компьютеры, как правило, уступили место множеству серверов и дисковых систем, которые добавлялись год за годом по мере роста потребностей. Энергопотребление таких ЦОДов постоянно росло за счёт добавления нового оборудования. У большинства зрелых (старых) центров значение PUE находится в диапазоне от 3.0 до 5.0. В среднем у современных ЦОДов показатель эффективности приближается к двойке, т.е. на каждый ватт, потребляемый серверами, приходится ещё один ватт, который расходует инженерная инфраструктура.

Для повышения эффективности ЦОДов, которые созданы много лет назад, необходимо провести следующие мероприятия. Первый шаг состоит в примерном подсчёте потребляемой энергии вашим оборудованием по трём категориям: ИТ-оборудование (серверы, системы хранения); другое оборудование (системы охлаждения и потери энергии от распределения питания); освещение. Каким бы ни были ваши результаты, с их помощью вы сможете понять, куда уходит львиная доля электроэнергии, и построить несколько стратегий энергосбережения. После этого можно провести первый уровень апгрейта, который не требует высоких капитальных затрат, вносит минимум нарушений в работу ЦОДа и быстро окупается. Для большинства несовременных ЦОДов наиболее продуктивными является следующие четыре шага:

1. создайте горячие и холодные проходы за счёт перегруппировки ваших стоек с оборудованием так, чтобы в одном ряду друг против друга стояли холодные передние панели, а в другом – горячие задние части с отверстиями для вентиляции;

2. поднимите температуру воды в холодильных установках (как правило, с 55 до 58 градусов). Это нужно делать постепенно, чтобы не вызвать проблем у оборудования;

3. поднимите температуру воздуха в вашем ЦОДе (на 3–5 градусов). Это также следует делать постепенно, по одному градусу за один раз;

4. найдите и выключите неиспользованное оборудование.

Второй этап усовершенствования вашего ЦОДа требует больше усилий, вызывает больше нарушений в работе, подразумевает некоторые, хоть и небольшие, инвестиции, но окупается меньше чем за год. В этот этап входят четыре усовершенствования:

1. виртуализация серверов – повышение эффективности при меньшем количестве машин;

2. консолидация памяти – аналогично виртуализации серверов этот метод подразумевает использование единого массива памяти для поддержки множества заказчиков или бизнес-функций;

3. оптимизация хранения – установка ПО, позволяющего выключать низкоприоритетные устройства хранения (третьего уровня и предназначенные для резервного копирования), когда они не используются;

4. мониторинг старения систем хранения. Когда они долго работают, растёт число операций поиска на дисках, возрастает торможение шпинделя и возникают другие нарушения, которые приводят к росту энергопотребления и уменьшению надёжности. Большинство экспертов считают, что трёхлетний цикл обновления дисковых накопителей сокращает энергопотребление на 10 %.

И наконец настало время для рассмотрения возможностей для обновления оборудования. Замена нескольких старых пожирателей электричества на один новый виртуализированный сервер или консолидированную систему памяти должна быть включена в список периодических работ, требующих капитальных затрат. Такой подход позволяет распределить расходы по времени и свести к минимуму нарушения в работе ЦОДа.

Сегодня крупные серверные вендоры в качестве примера успешного построения ЦОДов часто приводят проекты консолидации собственной корпоративной инфраструктуры таких центров, позволяющие существенно повысить отдачу от инвестиций в ИТ и снизить расходы на эксплуатацию ЦОДов. В 2010 году Microsoft опубликовало статью, в которой почётный инженер корпорации Дилипп Бхандаркар рассказал об опыте создания новых корпоративных мега ЦОДов в Чикаго и Дублине мощностью 60 и 27 МВт соответственно, оптимизированных для сокращения энергопотребления. При разработке спецификаций серверов для этих ЦОДов ставка делалась на процессоры с пониженным потреблением мощности, из конфигурации которых были исключены лишние компоненты (например, приводы компакт-дисков и неиспользуемые слоты расширения) и в которых использовались более эффективные блоки питания и трансформаторы. Кроме того, вопреки промышленным стандартам при проектировании ЦОДов была на несколько градусов увеличена максимально допустимая температура серверного оборудования. При проектировании обоих ЦОДов инженеры Microsoft постарались получить максимальную вычислительную мощность, несмотря на ограниченные ресурсы энергообеспечения. В результате показатель энергоэффективности новых ЦОДов (PUE) составил 1,2 (у ЦОДов Microsoft предыдущего поколения он равнялся 1,6).

На основании опыта эксплуатации чикагского ЦОДа инженеры Microsoft пришли к выводу, что применение стандартных контейнеров с водяным охлаждением для размещения ИТ-оборудования не является оптимальным решением, поскольку снижается максимально допустимая температура серверов и эффективность воздушного охлаждения. Поэтому они предложили размещать серверы под навесом. Естественное воздушное охлаждение вполне может использоваться в большинстве регионов мира, за исключением тропиков, характеризующихся жарким климатом и высокой влажностью воздуха. Отказ от водяного охлаждения не только значительно снизит затраты на построение инфраструктуры и сроки развёртывания ЦОДа, но доведёт показатель PUE до 1,05.

Одна из ключевых идей (и преимуществ) виртуализации – переход от статической структуры дата-центров с использованием исключительно физических серверов к динамической организации на базе смешанной виртуально-физической инфраструктуры (рис. 1).