Η Αυξανόμενη Ενεργειακή Κρίση στα Κέντρα Δεδομένων

Τα κέντρα δεδομένων είναι οι μη-απορρίπτοντες πυλώνες της ψηφιακής οικονομίας, υποστηρίζοντας τα πάντα από τις υπηρεσίες ροής έως τα λειτουργικά νέφη. Ωστόσο, η όρεξή τους για την ηλεκτρική ενέργεια είναι συγκλονιστική. Σύμφωνα με το Υπουργείο Ενέργειας των ΗΠΑ, τα data centers καταναλώνουν περίπου το 1% της παγκόσμιας ηλεκτρικής ενέργειας, και ότι η μετοχή αυξάνεται ως τεχνητή νοημοσύνη, 5G, και η ζήτηση υπολογιστικών άκρων. Μέσα σε μια τυπική εγκατάσταση, ο εξοπλισμός δικτύωσης μπορεί να αντιστοιχεί σε 10-20% της συνολικής χρήσης ενέργειας, μεγάλο μέρος της σπατάλης κατά τη διάρκεια των περιόδων αδράνειας, όταν οι συνδέσεις είναι ενεργές, αλλά δεν υπάρχουν δεδομένα που να ρέει. Το πρότυπο IEEE 802.3az Energy-Efficient Ethernet (EEE) αντιμετωπίζει άμεσα αυτά τα απόβλητα, επιτρέποντας στις διεπαφές δικτύων να αμβλύνουν την κατανάλωση ενέργειας κατά τη διάρκεια χαμηλής δραστηριότητας χωρίς να θέτει σε κίνδυνο την ακεραιότητα ή να προκαλεί αισθητή αύξηση της τάσης.

Πώς λειτουργεί το ΙΕΕΕ 802.3az: Το Τεχνικό Ίδρυμα

Η ΗΗΕ, που επικυρώθηκε ως IEEE 802.3az το 2010, λειτουργεί στο φυσικό στρώμα (PHY) του μοντέλου OSI. Εισάγει μηχανισμούς για συσκευές Ethernet για να εισέλθουν σε κατάσταση χαμηλής ισχύος σε αδράνεια (LPI) όταν δεν υπάρχουν δεδομένα για μετάδοση. Το πρότυπο ισχύει για το συστρεφόμενο ζεύγος χαλκού και το πίσω επίπεδο Ethernet, συμπεριλαμβανομένων 100BASE-TX, 1000BASE-T, και 10GBASE-T, καθώς και παραλλαγές οπτικών ινών όπως 10GBASE-SR/LR.

Λειτουργία χαμηλής ισχύος (LPI)

Κατά τη διάρκεια LPI, ο πομπός παύει να στέλνει κανονικά σήματα αδράνειας και αντίθετα στέλνει περιοδικά σήματα ανανέωσης για να διατηρήσει το συγχρονισμό συνδέσεων. Ο ρυθμός ανανέωσης είναι πολύ χαμηλότερος από το συνεχές μοτίβο αδράνειας που χρησιμοποιείται στο συμβατικό Ethernet, μειώνοντας δραματικά την ισχύ που καταναλώνεται από τον πομπό και τον δέκτη PHY. Για παράδειγμα, το PHY μπορεί να εισέλθει σε κατάσταση ύπνου που κόβει την ισχύ από περίπου 4-6 watts σε λιγότερο από 1 watt.

Ώρα αφύπνισης και Λατένσι

Βασική απαίτηση σχεδιασμού του ΗΗΕ είναι ότι η μετάβαση από τον LPI πίσω στην ενεργό λειτουργία πρέπει να είναι αρκετά γρήγορη για να αποφευχθεί η απώλεια πακέτων ή η απαράδεκτη λανθάνουσα ισχύς. Το πρότυπο ορίζει χρόνο αφύπνισης μικρότερο των 10 μικροδευτερόλεπτων για 1000BASE-T και λιγότερο από 4 μικροδευτερόλεπτα για 10GBASE-T. Στην πράξη, το σύγχρονο switch πυριτίου επιτυγχάνει υπομικροδευτερόλεπτες μεταβάσεις. Αυτή η ταχύτητα εξασφαλίζει ότι ο ΗΗΕ μπορεί να αναπτυχθεί σε δίκτυα παραγωγής χωρίς να έχει επιπτώσεις σε εφαρμογές πραγματικού χρόνου όπως VoIP ή χρηματοοικονομικές συναλλαγές, υπό την προϋπόθεση ότι το δίκτυο είναι κατάλληλα σχεδιασμένο.

Μέτρηση της εξοικονόμησης ενέργειας σε πραγματικές παγκόσμιες εξελίξεις

Μια ερευνητική εργασία του 2021 που δημοσιεύθηκε στο [[LFT:0]]IEEE Συναλλαγές για τις Πράσινες Επικοινωνίες και τη Δικτύωση[[LFT:1]] διαπίστωσε ότι η δυνατότητα ΗΗΕ σε μια σύνδεση 10GbE σε μια βάση δεδομένων μείωσε τη μέση κατανάλωση ενέργειας λιμένων κατά 45 ⁇ 60% κατά τη διάρκεια τυπικών προτύπων κυκλοφορίας. Για συνδέσεις που είναι αδρανείς περισσότερο από 80% του χρόνου ⁇ κοινές σε σπονδυλωτές αρχιτεκτονικές για την κυκλοφορία ανατολής-δυτικής ⁇ η προσέγγιση εξοικονόμησης 90%.

Ένα μεσαίου μεγέθους κέντρο δεδομένων με 10.000 θύρες 10GbE μπορεί να μειώσει το λογαριασμό ενέργειας δικτύωσης πάνω από 80.000 kWh ετησίως, που ισοδυναμεί με περίπου 60 μετρικούς τόνους εκπομπών CO2. Αρκετοί σημαντικοί πάροχοι cloud, συμπεριλαμβανομένης της Google και της Microsoft, έχουν πιστώσει δημόσια την ΗΗΕ βοηθώντας τους να επιτύχουν τους εσωτερικούς στόχους βιωσιμότητας.

Για περαιτέρω ανάγνωση, το πρότυπο IEEE 802.3az-2010 περιγράφει λεπτομερώς τον μηχανισμό LPI και ο Οδηγός του Εθνικού Εργαστηρίου του Λόρενς Μπέρκλεϊ για την ενεργειακή απόδοση του data center[ παρέχει βέλτιστες πρακτικές για την ενσωμάτωση του ΗΗΕ σε ευρύτερες στρατηγικές διαχείρισης ισχύος.

Εφαρμογή Βέλτιστες Πρακτικές για τους Χειριστές του Κέντρου Δεδομένων

Συμβατότητα υλικού και ενημερώσεις Firmware

Η ΗΗΕ υποστηρίζεται σε σχεδόν όλους τους σύγχρονους διακόπτες του διακομιστή και το κέντρο δεδομένων από προμηθευτές όπως η Cisco, η Arista, η Juniper και η Broadcom. Ωστόσο, η ΗΗΕ πρέπει να είναι ρητά ενεργοποιημένη και στις δύο άκρες του συνδέσμου. Αν μια συσκευή δεν έχει υποστήριξη, ο σύνδεσμος πέφτει πίσω σε λειτουργία μη-ΕΕΕ. Είναι απαραίτητο να επαληθευτεί ότι όλο το υλικό στην πορεία ⁇ συμπεριλαμβανομένων των ενδιάμεσων πάνελ patch και των τύπων καλωδίων ⁇ μπορεί να χειριστεί την ανανέωση σηματοδότησης χωρίς υποβάθμιση.

⁇ και παρακολούθηση

Οι διαχειριστές δικτύου θα πρέπει να επιτρέπουν την ΗΗΕ σε συγκεντρωτικούς συνδέσμους (ΛΑΧΕ) προσεκτικά. Ενώ η ΗΗΕ μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε μεμονωμένα μέλη μιας ομάδας συγκέντρωσης συνδέσμων, ο αλγόριθμος εξισορρόπησης συνολικού φορτίου μπορεί να προκαλέσει κάποιους συνδέσμους να παραμείνουν σε αδράνεια ενώ άλλοι είναι απασχολημένοι. Χρησιμοποιώντας την ΗΗΕ σε όλα τα μέλη επιτρέπει σε αδρανείς συνδέσμους να κοιμούνται, αλλά η λανθάνουσα λεύκανση πρέπει να παραγάγει σε χρονισμό αστοχίας. Εργαλεία όπως SNMP MIBs και ρεύματα τηλεμετρίας (π.χ., sFlow, NetFlow) μπορούν να αναφέρουν ανά θύρα κατάσταση ΗΗΕ και μεταβατικές μετρήσεις, επιτρέποντας στους φορείς εκμετάλλευσης να ποσοτικοποιήσουν την πραγματική εξοικονόμηση ισχύος και να ανιχνεύσουν λανθασμένες ρυθμίσεις.

Ευαισθησία εφαρμογής

Ο φόρτος εργασίας με ευαισθησία στο κενό ⁇ όπως η διαπραγμάτευση υψηλής συχνότητας, η ανάλυση σε πραγματικό χρόνο ή ορισμένες εφαρμογές βιομηχανικού ελέγχου ⁇ μπορεί να χρειαστεί να απενεργοποιηθεί η ΗΗΕ σε κρίσιμους συνδέσμους. Ωστόσο, οι σύγχρονες εφαρμογές ΗΗΕ με την αφύπνιση υπομικροδευτερόλεπτο εισάγουν αμελητέα τζίττερ για τις περισσότερες εφαρμογές επιχειρήσεων.

Προκλήσεις και Περιορισμοί

Η ΗΗΕ δεν είναι πανάκεια. Ένας περιορισμός είναι ότι η εξοικονόμηση ενέργειας μειώνεται καθώς αυξάνεται η χρήση των συνδέσεων. Σε πολύ χρησιμοποιούμενους συνδέσμους (π.χ. πάνω από 70% μέσος όρος), το PHY ξοδεύει λίγο χρόνο στο LPI, έτσι η συνολική μείωση της ισχύος είναι μέτρια. Επιπλέον, μερικοί παλαιότεροι διακόπτες και οι NICs εφαρμόζουν το ΗΗΕ ελάχιστα, προκαλώντας σύνδεση φλιπ ή υπερβολικά γεγονότα αφύπνισης που αυξάνουν την κατανάλωση ενέργειας. Το πρότυπο επίσης δεν αντιμετωπίζει την κατανάλωση ενέργειας στο ίδιο το ύφασμα διακόπτη ⁇ μόνο το λιμάνι PHYs.

Μια άλλη πρόκληση είναι η διαλειτουργικότητα μεταξύ των καλωδίων 10GBASE-T και SFP+ απευθείας προσαρμόσεως χαλκού (DAC). Ενώ το 10GBASE-T υποστηρίζει πλήρως την ΗΗΕ, τα SFP+ DAC συχνά παρακάμπτουν το PHY εντελώς και έτσι δεν μπορούν να μοχλεύσουν την ΗΗΕ. Οι διαχειριστές του κέντρου δεδομένων που σχεδιάζουν να ελαχιστοποιήσουν την ισχύ θα πρέπει να προτιμούν 10GBASE-T ή οπτικούς πομποδέκτες με την υποστήριξη ΗΗΕ πάνω από την DAC για μεγαλύτερη εμβέλεια.

Κοιτάζοντας πέρα από το χαλκό, η ΗΗΕ για το οπτικό Ethernet (π.χ., 25GbE, 40GbE, 100GbE) τυποποιήθηκε σε μεταγενέστερες τροποποιήσεις (IEEE 802.3bj, 802.3bm).

Ο ρόλος του ΗΗΕ στις Πρωτοβουλίες του Πράσινου Κέντρου Δεδομένων

Το Ethernet είναι ένα βασικό συστατικό των μεγαλύτερων πράσινων πλαισίων πληροφορικής, όπως ο Κώδικας Δεοντολογίας της ΕΕ για τα Κέντρα Δεδομένων και το πρόγραμμα EPA ENERGY STAR των ΗΠΑ για τον εξοπλισμό του κέντρου δεδομένων. Με τη μείωση της ενέργειας πάνω από την υποδομή δικτύου, η ΗΗΕ επιτρέπει στους φορείς εκμετάλλευσης να κατανέμουν περισσότερο από το φορτίο τους πληροφορικής για τον υπολογισμό και την αποθήκευση, βελτιώνοντας τη συνολική αποτελεσματικότητα χρήσης ενέργειας (PUE). Επιπλέον, επειδή η ΗΗΕ μειώνει τη διάχυση θερμότητας, μπορεί να μειώσει τις απαιτήσεις ψύξης, δημιουργώντας μια ανατοκιστική επίδραση στην εξοικονόμηση ενέργειας.

Για οργανισμούς που επιδιώκουν στόχους άνθρακα του μηδενικού μηδενικού μηδενικού μηδενικού μηδενικού μηδενικού, η ενσωμάτωση του ΗΗΕ είναι ένα βήμα χαμηλής αντοχής, υψηλού αντίκτυπου. Σε αντίθεση με την αντικατάσταση εξυπηρετητών ή την αναβάθμιση συστημάτων ψύξης, η ενεργοποίηση του ΗΗΕ είναι συχνά μια αλλαγή λογισμικού ή firmware χωρίς επένδυση κεφαλαίου. Αρκετοί πάροχοι υπηρεσιών cloud προσφέρουν το ΗΗΕ ως μια προκαθορισμένη ρύθμιση σε εικονικά NICs και γυμνό μέταλλο περιπτώσεις, ωφελώντας σιωπηλά όλους τους ενοίκους.

Πέραν του 802.3az: Μελλοντική Προσέγγιση με το IEEE 802.3bz και το 802.3cd

IEEE 802.3bz (2.5GbE και 5GbE) και IEEE 802.3cd (50GbE, 100GbE, 200GbE) ενσωματώνουν μηχανισμούς ενεργειακής απόδοσης που βασίζονται στις αρχές του ΗΗΕ αλλά βελτιστοποιούνται για υψηλότερες ταχύτητες και μικρότερες αποστάσεις. Για παράδειγμα, 25GbE και 50GbE χρησιμοποιούν μια «κατώτερης ισχύος εκπαίδευση» για να μειώσουν την ισχύ κατά τη διάρκεια της αδράνειας, με ώρες αφύπνισης κάτω από 1 μικροδευτερόλεπτο. Αυτά τα νεότερα πρότυπα υποστηρίζουν επίσης υπο-λέην κλείσιμο, όπου οι ατομικές φυσικές λωρίδες μιας πολλαπλής ζεύξης μπορούν να τροφοδοτηθούν όταν δεν χρειάζεται.

Καθώς τα κέντρα δεδομένων μεταναστεύουν σε 25GbE/100GbE τοπολογίες, οι φορείς εκμετάλλευσης θα πρέπει να προγραμματίζουν για την οπτική με δυνατότητα ενεργοποίησης EEE και PHYs. Η IEEE 802.3 ομάδα εργασίας συνεχίζει να βελτιώνει την ενεργειακή απόδοση σε κάθε νέα τροποποίηση, εξασφαλίζοντας ότι η κλίμακα εξοικονόμησης ενέργειας με απαιτήσεις εύρους ζώνης. Μια βιομηχανία 2023 αναφέρει έργα που η ευρεία υιοθέτηση της επόμενης γενιάς ΗΗΕ θα μπορούσε να μειώσει την ενέργεια του παγκόσμιου δικτύου δεδομένων κατά 30 ⁇ 40% έως το 2030.

Συμπέρασμα

Το IEEE 802.3az Energy-Efficient Ethernet είναι ένας αποδεδειγμένος μηχανισμός με βάση τα πρότυπα για τη μείωση της κατανάλωσης ενέργειας στα δίκτυα data center χωρίς να θυσιάζεται η απόδοση. Με την έξυπνη τοποθέτηση των αδρανών λιμένων σε καταστάσεις χαμηλής ισχύος και την αφύπνισή τους μόνο όταν χρειάζεται, το EEE παρέχει μετρήσιμες μειώσεις στη χρήση ηλεκτρικής ενέργειας, στις εκπομπές άνθρακα και στο κόστος ψύξης. Το πρότυπο υποστηρίζεται ευρέως στο σύγχρονο υλικό, εύκολα να ενεργοποιηθεί και να είναι συμβατό με όλες σχεδόν τις υπάρχουσες υποδομές Ethernet. Για κάθε οργανισμό που δεσμεύεται στην επιχειρησιακή απόδοση και την περιβαλλοντική ευθύνη, το EEE θα πρέπει να αποτελεί θεμελιώδες στοιχείο της στρατηγικής διαχείρισης της ηλεκτρικής ενέργειας του δικτύου. Καθώς φτάνουν οι ταχύτητες επόμενης γενιάς, οι αρχές πίσω από το 802.3az θα συνεχίσουν να εξελίσσονται, εξασφαλίζοντας ότι το Ethernet παραμένει τόσο γρήγορο όσο και λιτό.

Συμπληρωματικοί πόροι: Η.Π.Α. Τμήμα Ενεργειακών Data Center Ενεργειακής Απόδοσης και Μια ολοκληρωμένη ανασκόπηση του ενεργειακού αποδοτικού Ethernet στα data centers (ScienceDirect, 2021).