Kasvava energiakriisi datakeskuksissa

Datakeskukset ovat unsung pilarit digitaalitalouden, tukee kaikkea streaming palvelut yrityksen pilvi työmäärä. Kuitenkin niiden halu sähkön on porrastuttava. Mukaan Yhdysvaltain Department of Energy, datakeskukset kuluttaa noin 1.22 prosenttia globaalista sähköstä, ja että osuus kasvaa tekoäly, 5G, ja reuna laskenta ajaa kysyntä. Tyypillisessä laitoksessa verkkolaitteet voivat vastata 10..20% kokonaissähkönkäytöstä, suuri osa siitä hukkaan joutokäytettävissä aikoina, kun yhteydet ovat aktiivisia, mutta ei tietoa virtaa. IEEE 802.3az Energy-Effect Ethernet (EEE) standardi suoraan puuttua tätä jätettä, jolloin verkon rajapintoja kaasuttaa alas virrankulutus aikana alhainen toiminta vaarantamatta linkin eheys tai aiheuttaa merkittäviä latency piikkejä.

Miten IEEE 802.3az toimii: Tekninen säätiö

Sähkö- ja elektroniikkalaitteet, jotka ratifioitiin vuonna 2010 IEEE 802.3az:na, toimivat OSI-mallin fyysisellä kerroksella (Phy). Se ottaa käyttöön mekanismit Ethernet-laitteille, jotka syöttävät matalatehoisen joutokäyntitilan (LPI) silloin, kun ei ole mitään dataa toimitettavaksi. Standardi koskee kierrettyä kuparia ja taustalennokkia Ethernet, mukaan lukien 100BASE-TX, 1000BASE-T, ja 10GBASE-T, sekä optisia kuituvariantteja kuten 10GBASE-SR/LR.

Matalatehoinen kiekkotila (LPI)

LPI:n aikana lähetin lopettaa normaalien joutokäyntisignaalien lähettämisen ja lähettää sen sijaan säännöllisesti virkistäviä signaaleja linkin synkronoinnin ylläpitämiseksi. Virkistysnopeus on paljon pienempi kuin perinteisessä Ethernetissä käytetty jatkuva joutokäyntikuvio, joka vähentää dramaattisesti PHY-lähettimen ja -vastaanottimen kuluttamaa tehoa. Esimerkiksi 10GBASE-T:n PHY voi siirtyä unitilaan, joka leikkaa virran noin 4... wattia alaspäin alle 1 watin.

Herätys- ja herätysaika

Sähkö- ja elektroniikkalaitteiden keskeinen suunnitteluvaatimus on, että siirtyminen LPI:stä takaisin aktiiviseen tilaan on oltava riittävän nopea, jotta vältetään pakettihäviö tai kestämätön latenssi. Standardissa määritellään herätysaika alle 10 mikrosekuntia 1000BASE-T:lle ja alle 4 mikrosekuntia 10GBASE-T:lle. Käytännössä moderni kytkinpii saavuttaa mikrosekunnin alisiirtymät. Tämä nopeus varmistaa, että sähkö- ja elektroniikkalaitteita voidaan käyttää tuotantoverkoissa vaikuttamatta reaaliaikaisiin sovelluksiin, kuten VoIP:iin tai rahoituskauppaan, edellyttäen, että verkko on asianmukaisesti suunniteltu.

Energiansäästöjen mittaaminen reaalimaailmassa

Riippumattomat tutkimukset ja myyjätestit ovat vahvistaneet, että sähkö- ja elektroniikkalaitteet tuottavat merkittäviä virransäästöjä. [ IEEE-tapahtumat vihreästä viestinnästä ja verkottamisesta [ ovat osoittaneet, että 10GbE-linkin mahdollistaminen 10GbE-linkillä tietokonetelineessä vähensi keskimääräistä satamavirrankulutusta 45..60% tyypillisen liikenteen aikana. Linkkien osalta, jotka ovat joutokäymättä yli 80% ajasta, on yleinen itä-länsi-liikenteessä.

Mittakaavalla nämä säästöt yhdiste. Keskikokoinen datakeskus, jossa on 10 000 10GbE-porttia, voi vähentää verkkoenergialaskuaan yli 80 000 kWh vuodessa, mikä vastaa noin 60 tonnia hiilidioksidipäästöjä. Useat suuret pilvipalvelujen tarjoajat, kuten Google ja Microsoft, ovat julkisesti hyvittäneet sähkö- ja elektroniikkalaitteita, jotka auttavat niitä saavuttamaan sisäiset kestävyystavoitteet.

Lisätietoja saa IEEE 802.3az-2010 -standardista, jossa esitetään yksityiskohtaisesti LPI-mekanismi ja Lawrence Berkeleyn kansallinen laboratorio -oppaasta datakeskuksen energiatehokkuudesta [, jossa annetaan parhaat käytännöt sähkö- ja elektroniikkalaitteiden integroimiseksi laajempiin sähkönhallintastrategioihin.

Toteutus Datakeskusten ylläpitäjien parhaat käytännöt

Laitteiston yhteensopivuus ja Firmware-päivitykset

Sähkö- ja elektroniikkalaitteita tuetaan lähes kaikilla nykyaikaisilla palvelimilla NIC- ja datakeskuskytkimillä, jotka ovat peräisin toimittajista kuten Cisco, Arista, Juniper ja Broadcom. Sähkö- ja elektroniikkalaitteet on kuitenkin nimenomaisesti otettava käyttöön linkin molemmissa päissä; jos yhdestä laitteesta puuttuu tuki, linkki palautuu ei-sähkö- ja elektroniikkalaitteiden käyttöön. On tärkeää varmistaa, että kaikki polun laitteet, mukaan lukien välimuistit ja kaapelityypit, voivat käsitellä virkistävää signaalia ilman pilaantumista. Firmware päivitykset voivat olla tarpeen, jotta uusimmat matalatehoiset tilat, erityisesti vanhemmille 10GBASE-T PHY-laitteille.

Asetukset ja seuranta

Verkon ylläpitäjien tulisi mahdollistaa sähkö- ja elektroniikkalaitteiden käyttö yhdistelmillä (LACP) huolellisesti. Vaikka sähkö- ja elektroniikkalaitteita voidaan käyttää linkkien yhdistämisryhmän yksittäisissä jäsenissä, kokonaiskuormitustasapainoalgoritmi voi aiheuttaa joidenkin linkkien joutokäyntiä, kun taas toiset ovat varattuja. Sähkö- ja elektroniikkalaitteiden käyttö kaikissa jäsenissä mahdollistaa joutokäytettävissä olevien linkkien käytön, mutta herätysviiveet on otettava huomioon epäonnistumisajassa. SNMP MIB:t ja telemetriavirrat (esim. SFlow, NetFlow) voivat ilmoittaa porttikohtaiset sähkö- ja elektroniikkalaitteet ja siirtymämäärät, jolloin operaattorit voivat määrittää todelliset tehonsäästöt ja havaita virhekonfiguraatiot.

Sovelluksen herkistyminen

Latenssi-herkkä työtaakka. Kuten korkean taajuuden kaupankäynti, reaaliaikainen analytiikka tai tietyt teollisuuden ohjaussovellukset. Saattaa tarvita sähkö- ja elektroniikkalaitteiden käytöstä pois kriittisiä linkkejä. Kuitenkin moderni sähkö- ja elektroniikkalaitteiden implementointia sub-mikrosecond herätys tuoda merkityksetöntä jitteri useimmille yrityksille sovelluksia. Suoritusohjatut liikennetestit suositellaan ennen laajaa käyttöönottoa.

Haasteet ja rajoitukset

Sähkö- ja elektroniikkalaitteet eivät ole ihmelääke. Yksi rajoitus on, että energiansäästöt vähenevät, kun linkin käyttö lisääntyy. Voimakkaasti hyödynnettävissä linkeissä (esim. yli 70% keskiarvo) PHY viettää vähän aikaa LPI:ssä, joten yleinen tehonvähennys on vaatimaton. Lisäksi jotkut vanhemmat kytkimet ja kansalliset operaattorit toteuttavat sähkö- ja elektroniikkalaitteita huonosti, mikä aiheuttaa linkin välkkymisen tai liiallisen herätyksen, joka itse asiassa lisää virrankulutusta. Standardi ei myöskään käsittele tehonkulutusta kytkinkankaassa itsessään.

Toinen haaste on 10GBASE-T:n ja SFP+:n suorakiinteisen kuparikaapelin (DAC) yhteentoimivuus. Vaikka 10GBASE-T tukee täysin sähkö- ja elektroniikkalaitteita, SFP+ DAC:t ohittavat usein PHY:n kokonaan eivätkä siten voi hyödyntää sähkö- ja elektroniikkalaitteita. Datakeskuspäälliköt, jotka suunnittelevat tehon minimointia, suosivat 10GBASE-T:tä tai optisia transseivereita, joissa on sähkö- ja elektroniikkalaitteiden tuki enemmän kuin DAC:tä, ovat pidempiä.

Kuparin lisäksi optisen Ethernetin (esim. 25GbE, 40GbE, 100GbE) sähkö- ja elektroniikkalaitteet standardoitiin myöhemmissä tarkistuksissa (IEEE 802,3bj, 802,3bm). Näissä käytetään erilaista mekanismia, jota kutsutaan ...PHY-pientehotilaksi, mutta energiansäästöperiaate on sama.

Sähkö- ja elektroniikkalaitteiden rooli vihreässä datakeskuksessa

Energiatehokas Ethernet on keskeinen osa laajempia vihreitä IT-kehyksiä, kuten EU:n datakeskusten toimintaohjeita ja Yhdysvaltain EPA ENERGY STAR -ohjelmaa datakeskusten laitteita varten. Vähentämällä verkkoinfrastruktuurin virtavirtaa sähkö- ja elektroniikkalaitteet mahdollistavat sen, että operaattorit voivat kohdentaa enemmän tietoteknistä kuormitustaan laskeakseen ja varastoidakseen, parantaakseen yleistä tehonkäyttöä (PUE). Lisäksi koska sähkö- ja elektroniikkalaitteet vähentävät lämmönjakoa, ne voivat alentaa jäähdytysvaatimuksia ja luoda kerrannaisvaikutuksen energiansäästöön.

Organisaatioille, jotka tavoittelevat netto-nolla hiilitavoitteita, sähkö- ja elektroniikkalaitteiden integrointi on pienitehoinen, suuritehoinen askel. Toisin kuin korvaavat palvelimet tai päivittämällä jäähdytysjärjestelmiä, mahdollistavat sähkö- ja elektroniikkalaitteet ovat usein ohjelmisto tai firmware muutos ilman pääoman hukka. Useat pilvipalvelujen tarjoajat tarjoavat sähkö- ja elektroniikkalaitteita oletuksena asettaa virtuaalisia NICs ja paljasmetalli tapauksissa, jotka hiljaa hyödyttää kaikkia vuokralaisia.

Yli 802,3az: Tulevaisuuden suunnittelu IEEE 802,3bz:llä ja 802,3cd:llä

Ala kehittää edelleen energiaa säästäviä tekniikoita. IEEE 802,3bz (2,5GbE ja 5GbE) ja IEEE 802,3cd (50GbE, 100GbE, 200GbE) sisältävät energiatehokkuutta edistäviä mekanismeja, jotka perustuvat sähkö- ja elektroniikkalaitteiden periaatteisiin mutta optimoidaan suuremmille nopeuksille ja lyhyille etäisyyksille. Esimerkiksi 25GbE ja 50GbE käyttävät matalatehoista koulutusta.Nämä uudet standardit tukevat myös monikaistaisen yhteyden alikaistan sulkemista, jossa voidaan tarvittaessa laskea yksittäisiä fyysisiä kaistanosoituksia.

Kun datakeskukset siirtyvät 25GbE/100GbE-topologioita, operaattorien olisi suunniteltava sähkö- ja elektroniikkalaitteiden mahdollistamia optiikkaa ja PHY-laitteita. [IEEE 802,3-työryhmä[] jatkaa energiatehokkuuden parantamista jokaisessa uudessa muutoksessa, varmistaen, että virransäästöasteikolla ja kaistanleveyden vaatimuksilla. A 2023-teollisuus raportoi hankkeista, joiden mukaan seuraavan sukupolven sähkö- ja elektroniikkalaitteiden laajamittainen käyttöönotto voisi vähentää maailmanlaajuista datakeskusten energiatehokkuutta 30.

Päätelmät

IEEE 802.3az Energiatehokas Ethernet on todistettu, standardipohjainen mekanismi katkaista sähkönkulutus datakeskusverkoissa uhraamatta suorituskykyä. Asettamalla älykkäästi joutokäytettävissä olevat portit matalatehoisiin valtioihin ja herättämällä ne vain tarvittaessa, sähkö- ja elektroniikkalaitteiden pitäisi olla verkon tehonhallintastrategiansa perusta. Seuraavan sukupolven nopeuksilla saavutetaan 802.3azin periaatteiden kehitys, joka varmistaa, että Ethernet pysyy sekä nopeana että röyhkeänä.

Lisäresurssit: U.S. Department of Energy Data Center Energy Efficiency ja .Kattava katsaus energiatehokkaasta Ethernetistä datakeskuksissa (ScienceDirect, 2021).