Seriál: Čipy budoucnosti

Čtyřicet let po vzniku prvního mikroprocesoru se procesory staly nedílnou součástí každodenního života a najdeme je všude – od chladniček až po stírače automobilů. V tomto seriálu vám ukážeme, jak digitalizace změnila běh našich životů.
VZÁJEMNÁ SPOLUPRÁCE INTEL A CHIP

„Zelená“ datová centra

Požadavky obyvatelstva na výpočetní výkon stoupají exponenciálně. Chip vám ukáže, pomocí jakých rafinovaných technologií ŠETŘÍ DATOVÁ CENTRA ELEKTRICKOU ENERGII. Je to nejen šetrné vůči životnímu prostředí, ale také ekonomické.
DANIEL WOLFF

Podivuhodná čísla: Dva jednoduché dotazy, které zadáte do Googlu, vyprodukují stejné množství oxidu uhličitého (CO2) jako kilometrová jízda autem nebo hodina hoření energeticky úsporné lampy. Jedna dokončená aukce na eBay vyprodukuje 18 g CO2. Samozřejmě jsou to jen přibližné odhady, ani Google, ani eBay neuvádějí, kolik oxidu uhličitého jejich servery vyprodukují. Jedno je ale jasné: energetická náročnost počítačů a dalších elektronických zařízení stoupá. Internet spotřebuje velmi mnoho elektrické energie – a to jak na straně uživatelů, tak na straně serverů.
Potřeby na výpočetní výkon navíc rostou exponenciálně. Příčinou je globální digitalizace, která je jako rozjetý vlak. I lidé, kteří zdánlivě nevyužívají počítače, generují IT provoz, třeba jen tím, že využívají služeb firem, které IT používají. Podle studie společnosti Lawrence Bekeley National Laboratory se již mezi roky 2000 a 2005 samotná spotřeba elektrické energie u serverů zdvojnásobila. Koncem roku 2005 spotřebovala datová centra 123 TWh (terawatthodin). Podle studie však bude v roce 2010 nutné postavit dalších deset elektráren o výkonu 1 000 MW, aby se pokryla spotřeba datových a výpočetních center. Německá datová centra měla v roce 2008 spotřebu 10,1 TWh. Pro srovnání: tolik elektrické energie vyrobí čtyři středně velké uhelné elektrárny. S tím souvisí také účet za elektřinu. Kvůli zdražující energii se jen v německých výpočetních centrech propálilo v roce 2008 elektrické energie za 1,12 miliardy eur, a tato částka každý rok roste.
Proto se firmám vyplácí uvažovat o řešeních, která jsou energeticky úsporná, a to právě v místech, kde je největší spotřeba elektrické energie, tedy u serverových farem. Výpočetní výkon bude muset dále narůstat, ale spotřeba by se měla začít snižovat. Cílem je tedy více výkonu s menší spotřebou energie.

Paradigma: Co největší výkon s co nejmenší spotřebou

Jak to funguje v praxi, na to se stačí podívat do nedávné historie. Pro výkon 5,1 milionu výpočetních operací za sekundu (BOPS) bylo ještě před čtyřmi lety potřeba 126 serverů. Dnes jich stačí sedmnáct. To představuje redukci o 80 %. S tím je také spojena o 80 % menší spotřeba elektrické energie, servery zaberou o 80 % méně místa, a také budou stačit až 80 % méně výkonné klimatizace.
Takto rychle stoupající efektivitu nenajdete v žádném jiném oboru. Za úspěchem stojí nejen efektivnější procesory a čipové sady, ale také moderní přístup k virtualizaci, kdy je výkon využit co nejefektivněji. Moderní procesory, které obsahují čtyři jádra, jsou na virtualizaci jako dělané, navíc mají mnohem menší spotřebu elektrické energie. Současné procesory Intel používají 45nanometrovou technologii, brzy však přijdou 32- a později 22nanometrové procesory. To snižuje jak vyzářené teplo, tak spotřebovanou energii. O výkon se stará tzv. "Turbo Mode", který v případě potřeby dokáže přetaktovat jednotlivá jádra procesoru na vyšší výkon.
Také další komponenty serverů a počítačů mohou šetřit energii. Například pevné disky: motor roztáčí plotny na velmi vysoké otáčky (7 200 i 10 000 otáček za minutu), navíc neustále pohybuje čtecím ramenem. Všechny tyto mechanické části spotřebovávají elektrickou energii. Oproti tomu disky Solid State Drives (SSD) fungují zcela bez mechanických dílů. Spotřeba energie tak klesá na pětinu – při velmi vysokém výkonu disků. Další komponentou jsou operační paměti. Moderní DDR3 paměti mají o 20 % nižší spotřebu elektrické energie než jejich předchůdci DDR2.

Cíl: Co nejnižší hodnota PUE

Jsou desítky dalších faktorů, které ovlivňují celkové náklady výpočetních center – velkou roli hraje chlazení serverů. Aby se mohla posoudit účinnost celého centra, byla vytvořena jednotka PUE (Power Usage Effectiveness), která ukazuje, jaký výkon počítačové centrum vytvoří vzhledem k celkové spotřebované energii.
Tradiční datová centra mají hodnotu PUE mezi 1,7 a 1,8. Náklady na spotřebu elektrické energie běžících strojů jsou tak vysoké, že během své životnosti několikrát překročí pořizovací náklady celého vybavení – tedy počítačů, racků, klimatizací.
Při masivním nasazení serverů v datových centrech se vyplatí nakupovat hardware, který má nižší spotřebu elektrické energie, funguje efektivněji a nepotřebuje tak výkonné chlazení. Jak lze takové efektivity dosáhnout, to zkoumá Intel v mnoha obchodních a výzkumných partnerstvích, jako je Green Grid, Intel Open Energy Initiative nebo Bitkom Green IT Allianz.
Ve spolupráci se společností T-Systems otevřel Intel v září roku 2009 "DataCenter 2020". Toto mnichovské výpočetní centrum se rozkládá na ploše 70 metrů čtverečních a je zde uloženo přes 180 serverů. Dalších 100 metrů čtverečních zabírá klimatizace. V centru se pak zkouší, jak počítače reagují na změny v okolí: co se třeba stane, pokud se vlhkost vzduchu zvýší z 20 na 40 %, jak dlouho trvá, než se vlhkost rozšíří po celé místnosti, co to znamená pro práci všech strojů. DataCenter slouží spíše jako laboratoř. Zatímco u standardního výpočetního centra má nejvyšší prioritu datová bezpečnost, v tomto případě mají vědci "právo zabíjet". Třeba se zkouší, při jak vysoké teplotě odejde první počítač. Experimentuje se i s výškou stropu, kterou lze snadno měnit (od 2,5 do 3,7 metru). To ovlivňuje proudění vzduchu v místnosti. Nechybí zde ani generátor kouře, díky kterému jsou proudy vzduchu v místnosti ihned viditelné.
Všechny výsledky jsou navíc volně publikovány, aby datová centra po celém světě mohla zefektivnit svůj chod. Jsou k dispozici na stránkách www.datacenter2020.com. A jaký je vlastně výsledek experimentu? Základem je hodnota PUE 1,3, která by měla ještě značně klesat – vždyť vývoj trvá teprve pár týdnů.
Podle průzkumu společnosti Partner je IT vybavení celého světa zodpovědné za produkci 2 % CO2. To je zhruba stejně, kolik vyprodukují všechna letadla. Celosvětové snížení produkce CO2 je tedy naprosto zanedbatelné, spíše jde o dosažení vyšší energetické účinnosti.

Potenciál pro zlepšení: Optimalizace ostatních odvětví

Z inteligentních informačních technologií profitují i další obory: letectví, automobilový průmysl, ale třeba také logistické společnosti. Díky digitálním mapám a GPS okamžitě vědí, kde se pohybují jejich automobily, a mohou optimálně plánovat vyzvednutí zakázek. Na základě toho jsou zákazníci rychleji obslouženi a firma ušetří náklady.
Obří logistická společnost UPS dospěla díky počítačovým modelům k zajímavým výsledkům: při jízdě se nejvíce času promarní tím, že auta stojí na světelné křižovatce a odbočují vlevo – dávají přednost protijedoucím vozidlům. Z tohoto závěru byly navrženy nové trasy, při kterých se eliminuje odbočení doleva a preferováno je odbočování doprava. Výsledek: snížila se doba potřebná k doručení zásilky a náklady na spotřebu paliva a podpořila se ochrana životního prostředí.
AUTOR@CHIP.CZ

Serverová farma budoucnosti

Menší spotřeba energie, nižší náklady, lepší životní prostředí. Na obrázku vidíte imaginární datové centrum budoucnosti. Všechny zobrazené technologie jsou dnes dostupné a mohly by výrazně zvýšit energetickou účinnost serverových farem.
KLIMATIZACE
Příkony procesorů se počítají ve stovkách wattů, které se přemění na teplo. Procesory tak mají teplotu i přes 70 stupňů Celsia a musí se chladit. Optimální kombinace přivádění čerstvého vzduchu, jeho proudění, teploty a vlhkosti vede k vyšší efektivitě klimatizace.
VODNÍ CHLAZENÍ
Voda je při chlazení mnohem efektivnější než vzduch.
GEOTERMÁLNÍ ENERGIE
Datová centra mohou být napájena elektřinou získanou z tepla zeměkoule.
ZÁLOŽNÍ VĚŽ
Nepřerušitelný zdroj energie (UPS) se spustí v případě výpadku elektrického proudu.
SERVEROVÁ FARMA
Efektivita serverových parků může vzrůst o 20 až 80 %, pokud budou servery díky virtualizaci sloužit více zákazníkům.
VĚTRNÁ ELEKTRÁRNA
Elektřina pro datová centra může pocházet z obnovitelných zdrojů, jako jsou třeba větrné elektrárny.
REDUKCE KYSLÍKU
Ve vybraných částech centra bude redukován kyslík ve vzduchu, aby se zabránilo požárům.
PALIVOVÝ ČLÁNEK
Palivový článek na bioplyn je dalším zdrojem elektrické energie.
SOLÁRNÍ PANELY
Datové centrum budoucnosti je napájeno ze solárních panelů. Nespotřebovaná energie se ukládá do baterií automobilů.
ROZDĚLENÍ PROSTORU
Více individuálních serverových oddělení zjednodušuje udržování optimálního klimatu.
ODPADNÍ TEPLO
Teplo vyprodukované servery vyhřívá kanceláře i přilehlý plavecký bazén.

INFO

Dell: Virtualizace je cesta k úspoře

Dell patří mezi největší světové dodavatele hardwaru pro datová centra. Kde vidí největší prostor pro úspory?
VIRTUALIZACE
Servery se musejí stavět na špičkovou zátěž – nemůže se stát, aby každodenní nával klientů shodil server. Kvůli tomu však po většinu času leží výkon ladem a není efektivně využíván. To lze odstranit pomocí virtualizace. V kanadském výpočetním centru Earth Rangers (www.earthrangers.org) došlo k virtualizaci 44 serverů. Stačily k tomu pouhé tři jednotky Dell Blade. Pokud by byly použity klasické servery, byl by jen pro servery potřeba desetkrát větší prostor. O virtualizaci se stará VMware ESX server. Tímto způsobem lze ušetřit více než 70 % energie.
SSD DISKY
Disky bez pohyblivých součástí mají mnohem nižší spotřebu a neprodukují tolik tepla, takže není třeba používat tak výkonné klimatizace. Problém: Současné SSD disky mají řádově menší kapacitu než srovnatelné disky. Diskové pole Dell Equallogic SSD disky dokáže využít v takových centrech, kde se velmi často přistupuje k malému množství souborů. Technologie Tiering rozlišuje data podle četnosti přístupu. Nejčastěji používaná data jsou uložena na SSD a jsou dostupná bleskově a energeticky levně. V diskovém poli jsou pak i běžné (např. SATA) disky, na kterých jsou uložena data, ke kterým se přistupuje méně často, nebo dokonce jen výjimečně.
OPTICKÉ KABELY
Datová centra jsou plná switchů. Od těch vedou desítky kabelů, které jsou vyrobeny z mědi. V jednom datovém centru mohou být i tuny měděných kabelů. Přechod na optické kabely znamená značnou úsporu. Jediným kabelem je možné přenést řádově více dat, takže není potřeba tolik kabelů. Navíc přenos dat po optickém kabelu je mnohem méně energeticky náročný. Optický kabel nemá takový útlum jako UTP, vysílače a přijímače optického signálu spotřebují méně energie. Nehledě na to, že získávání mědi z rudy je energeticky velmi náročné a do vzduchu se při jejím zpracování dostávají oxidy síry.


Foto: Efektivní datové centrum: V září 2009 byl v Mnichově spuštěn projekt "DataCenter 2020". Hledají se zde co nejefektivnější způsoby využití datových center.
Foto: Simulace chladicího okruhu: V DataCenter 2020 se přesně měří, kudy proudí chladný vzduch (modrý) a kudy ohřátý (oranžový). Z těchto informací je možné navrhnout efektivnější způsob chlazení.

• Závěrem - „Zelená“ datová centra (1.25 MB) - Staženo 1394x