Раздел 4 ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИЕ ТЕХНОЛОГИИ 

Тема 4.1 Методы экономии электроэнергии

1. 1.                                          Методы экономии электроэнергии при работе средств вычисли­тельной техники.
2. 2.                                          Автоматическое отключение компьютера.
3. 3.                                          Замед­ление работы чипов.
4. 4.                                          Низковольтные системы питания 

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. 

В-третьих,  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: 

1. отключение от питания неиспользуемого ИТ-оборудования; 
2. объединение серверов, центра хранения и обработки данных; 
3. включение функции управления питанием центрального процессора; 
4. использование ИТ-оборудование с высокоэффективными блоками питания; 
5. использование систем бесперебойного питания (ИБП) с высоким КПД; 
6. 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 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 №3. 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. 

Способ № 4. 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 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 №5. 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 №6. 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.