डेटा सेंटर में बढ़ती ऊर्जा संकट

डेटा केंद्र डिजिटल अर्थव्यवस्था के अनगिनत स्तंभ हैं, जो स्ट्रीमिंग सेवाओं से लेकर एंटरप्राइज क्लाउड वर्कलोड तक सब कुछ का समर्थन करते हैं। फिर भी बिजली के लिए उनकी भूख बहुत अधिक है। अमेरिकी ऊर्जा विभाग के अनुसार, डेटा केंद्र वैश्विक बिजली के लगभग 1-2% का उपभोग करते हैं, और यह हिस्सा कृत्रिम बुद्धिमत्ता, 5G और एज कंप्यूटिंग ड्राइव की मांग के रूप में बढ़ रहा है। एक विशिष्ट सुविधा के भीतर, नेटवर्किंग उपकरण कुल बिजली उपयोग के 10-20% के लिए जिम्मेदार हो सकता है, जब लिंक सक्रिय होते हैं तो निष्क्रिय अवधि के दौरान इसमें से अधिकांश बर्बाद हो गए थे लेकिन कोई डेटा नहीं बह रहा है। IEEE 802.3az एनर्जी-एफ़िशिएंट ईथरनेट (EEE) मानक सीधे इस अपशिष्ट से निपटने के बिना नेटवर्क इंटरफेस को सक्षम बनाता है।

कैसे IEEE 802.3az वर्क्स: The Technical Foundation

EEE, 2010 में IEEE 802.3az के रूप में मान्यता प्राप्त, OSI मॉडल की भौतिक परत (PHY) पर काम करता है। यह ईथरनेट उपकरणों के लिए तंत्र को कम-शक्ति वाले निष्क्रिय (LPI) राज्य में प्रवेश करने के लिए पेश करता है जब संचारित करने के लिए कोई डेटा नहीं है। मानक 100BASE-TX, 1000BASE-T, और 10GBASE-T सहित मुड़-जोड़ी तांबे और बैकप्लेन ईथरनेट पर लागू होता है, साथ ही साथ 10GBASE-SR/LR जैसे ऑप्टिकल फाइबर वेरिएंट जैसे ऑप्टिकल फाइबर वेरिएंट भी लागू होता है।

लो पावर आइडल (एलपीआई) मोड

LPI के दौरान, ट्रांसमीटर सामान्य निष्क्रिय संकेतों को भेजने से रोकता है और इसके बजाय लिंक सिंक्रनाइज़ेशन को बनाए रखने के लिए आवधिक ताज़ा संकेतों को भेजता है। ताज़ा दर पारंपरिक ईथरनेट में इस्तेमाल किए गए निरंतर निष्क्रिय पैटर्न की तुलना में बहुत कम है, नाटकीय रूप से पीएचवाई ट्रांसमीटर और रिसीवर द्वारा खपत की गई शक्ति को कम करती है। 10GBASE-T के लिए, उदाहरण के लिए, पीएचवाई एक नींद की स्थिति में प्रवेश कर सकता है जो 1 वाट से कम तक लगभग 4-6 वाट से बिजली ड्रॉ को काटता है।

Wake-Up Time and Latency

EEE की एक महत्वपूर्ण डिजाइन आवश्यकता यह है कि LPI से सक्रिय मोड में संक्रमण को पैकेट हानि या अस्वीकार्य विलंबता से बचने के लिए काफी तेज़ होना चाहिए। मानक 1000BASE-T के लिए 10 माइक्रोसेकेंड से कम समय की जाग-ऊपर की अवधि को परिभाषित करता है और 10GBASE-T के लिए 4 माइक्रोसेकेंड से कम होता है। व्यवहार में, आधुनिक स्विच सिलिकॉन उप-माइक्रोसेकेंड संक्रमण को प्राप्त करता है। यह गति यह सुनिश्चित करती है कि EEE को उत्पादन नेटवर्क पर लागू किया जा सकता है, वास्तविक समय के अनुप्रयोगों जैसे कि VoIP या वित्तीय व्यापार को प्रभावित किए बिना, बशर्ते कि नेटवर्क को ठीक से इंजीनियर किया गया है।

रियल-विश्व तैनाती में ऊर्जा बचत को मापने

स्वतंत्र अध्ययन और विक्रेता परीक्षणों ने पुष्टि की है कि EEE ने महत्वपूर्ण बिजली कटौती की है। A 2021 शोध पत्र प्रकाशित किया गया है IEE लेनदेन on ग्रीन कम्युनिकेशंस और नेटवर्किंग पाया कि EEE को डेटा सेंटर रैक में 10GbE लिंक पर सक्षम करने से ठेठ यातायात पैटर्न के दौरान औसत पोर्ट बिजली की खपत 45-60% हो जाती है। उन लिंकों के लिए जो समय के 80% से अधिक निष्क्रिय होते हैं - पूर्वी-पश्चिम यातायात के लिए रीढ़-पत्ती के वास्तुकला में आम तौर पर 90% बचत दृष्टिकोण।

पैमाने पर, ये बचत यौगिक 10,000 10GbE बंदरगाहों के साथ एक मध्यम आकार का डेटा केंद्र प्रति वर्ष 80,000 kWh से अधिक नेटवर्किंग ऊर्जा बिल को कम कर सकता है, लगभग 60 मीट्रिक टन CO2 उत्सर्जन के बराबर है। Google और Microsoft सहित कई प्रमुख क्लाउड प्रदाताओं ने सार्वजनिक रूप से EEE को श्रेय दिया है, जिससे उन्हें आंतरिक स्थिरता लक्ष्य से मिलने में मदद मिलती है।

आगे पढ़ने के लिए, IEEE 802.3az-2010 मानक LPI तंत्र का विवरण, और Lawrence Berkeley राष्ट्रीय प्रयोगशाला के डेटा सेंटर ऊर्जा दक्षता पर गाइड व्यापक शक्ति प्रबंधन रणनीतियों में EEE को एकीकृत करने के लिए सर्वोत्तम प्रथाओं को प्रदान करता है।

डाटा सेंटर ऑपरेटरों के लिए सर्वश्रेष्ठ अभ्यास का कार्यान्वयन

हार्डवेयर संगतता और फर्मवेयर अद्यतन

EEE को लगभग सभी आधुनिक सर्वर एनआईसी और डेटा सेंटर स्विचेस पर सिस्को, अरिस्टा, जुनिपर और ब्रॉडकॉम जैसे विक्रेताओं से समर्थन दिया गया है। हालांकि, EEE को लिंक के दोनों सिरों पर स्पष्ट रूप से सक्षम होना चाहिए; यदि किसी डिवाइस में समर्थन की कमी है तो लिंक गैर-EEE ऑपरेशन में वापस आ जाता है। यह सत्यापित करना आवश्यक है कि सभी हार्डवेयर रास्ते में - मध्यवर्ती पैच पैनल और केबल प्रकार सहित - अवक्रमण के बिना ताज़ा संकेत को संभाल सकते हैं। फर्मवेयर अद्यतनों को नवीनतम कम शक्ति वाले राज्यों को सक्षम करने की आवश्यकता हो सकती है, खासकर पुराने 10GBASE-T PHYs के लिए।

विन्यास और निगरानी

नेटवर्क प्रशासकों को EEE को समग्र लिंक (LACP) पर सावधानी से सक्षम करना चाहिए। जबकि EEE को लिंक एकत्रीकरण समूह के व्यक्तिगत सदस्यों पर इस्तेमाल किया जा सकता है, समग्र लोड संतुलन एल्गोरिदम कुछ लिंक निष्क्रिय रहने के लिए कारण हो सकता है जबकि अन्य व्यस्त हैं। EEE का उपयोग करके सभी सदस्यों को निष्क्रिय लिंक को नींद की अनुमति मिलती है, लेकिन जागना विलंबता को विफलता के समय में कारक होना चाहिए। SnMP MIBs और टेलीमेट्री स्ट्रीम (जैसे, SFlow, NetFlow) जैसे उपकरण प्रति-पोर्ट EEE स्टेट और संक्रमण की गिनती की रिपोर्ट कर सकते हैं, ऑपरेटरों को वास्तविक बिजली बचत को मात्रा में बदलने और गलत विन्यास का पता लगाने में सक्षम बनाता है।

अनुप्रयोग संवेदनशीलता

विलंबता-संवेदनशील कार्यभार- जैसे उच्च आवृत्ति व्यापार, वास्तविक समय विश्लेषण, या कुछ औद्योगिक नियंत्रण अनुप्रयोग-की आवश्यकता होती है EEE को महत्वपूर्ण लिंक पर अक्षम किया गया। हालांकि, उप-माइक्रोसेकंड जगाने-अप के साथ आधुनिक EEE कार्यान्वयन अधिकांश एंटरप्राइज़ अनुप्रयोगों के लिए नगण्य जिटर पेश करते हैं। व्यापक रोलआउट से पहले नियंत्रित यातायात परीक्षणों को चलाने की सिफारिश की जाती है।

चुनौतियां और सीमाएं

EEE एक panacea नहीं है। एक सीमा यह है कि ऊर्जा बचत लिंक उपयोग में वृद्धि के रूप में कम हो जाती है। भारी उपयोग किए गए लिंक (जैसे 70% औसत से अधिक) पर, PHY LPI में थोड़ा समय बिताता है, इसलिए समग्र बिजली में कमी मामूली है। इसके अतिरिक्त, कुछ पुराने स्विच और NICs EEE को खराब रूप से लागू करते हैं, जिससे लिंक फ़्लैपिंग या अत्यधिक जाग-अप घटनाएं होती हैं जो वास्तव में बिजली की खपत को बढ़ाती हैं। मानक भी स्विच कपड़े में बिजली की खपत को संबोधित नहीं करता है - केवल पोर्ट PHYs।

एक अन्य चुनौती 10GBASE-T और SFP + प्रत्यक्ष-attach तांबे (DAC) केबलों के बीच अंतर-operability है। जबकि 10GBASE-T पूरी तरह से EEE का समर्थन करता है, SFP+ DAC अक्सर पूरी तरह से PHY को बायपास करता है और इस प्रकार EEE का लाभ नहीं उठा सकता है। डेटा सेंटर मैनेजर बिजली को कम करने की योजना 10GBASE-T या ऑप्टिकल ट्रांसीवर को DAC पर लंबे समय तक पहुंच के लिए EEE समर्थन के साथ पसंद करना चाहिए।

तांबे से परे, ऑप्टिकल ईथरनेट के लिए EEE (जैसे, 25GbE, 40GbE, 100GbE) को बाद में संशोधनों (IEEE 802.3bj, 802.3bm) में मानकीकृत किया गया था। ये LPI के बजाय "PHY लो पावर मोड" नामक एक अलग तंत्र का उपयोग करते हैं, लेकिन ऊर्जा की बचत सिद्धांत समान है।

ग्रीन डाटा सेंटर इनिशिएटिव में ईई की भूमिका

ऊर्जा-कुशल ईथरनेट बड़े हरे IT ढांचे का एक प्रमुख घटक है जैसे डेटा सेंटर के लिए EU कोड ऑफ कंडक्शंस और डेटा सेंटर उपकरण के लिए US EPA ENERGY स्टार प्रोग्राम। नेटवर्क इन्फ्रास्ट्रक्चर के पावर ओवरहेड को कम करके, EEE ऑपरेटरों को अपने IT लोड को कम्प्यूट और स्टोरेज के लिए आवंटित करने की अनुमति देता है, समग्र पावर उपयोग प्रभावशीलता (PUE) में सुधार करता है। इसके अलावा, क्योंकि EEE गर्मी अपव्यय को कम करता है, यह शीतलन आवश्यकताओं को कम कर सकता है, जिससे ऊर्जा बचत पर एक मिश्रित प्रभाव पैदा हो सकता है।

नेट-शून्य कार्बन लक्ष्यों को पूरा करने वाले संगठनों के लिए, EEE को एकीकृत करना एक कम-effort, उच्च-प्रभाव कदम है। सर्वरों को बदलने या कूलिंग सिस्टम को अपग्रेड करने के विपरीत, EEE को सक्षम करना अक्सर पूंजीगत व्यय के साथ एक सॉफ्टवेयर या फर्मवेयर परिवर्तन होता है। कई क्लाउड सर्विस प्रदाता EEE को आभासी एनआईसी और नंगे-धातु के उदाहरणों पर डिफ़ॉल्ट सेटिंग के रूप में पेश करते हैं, चुपचाप सभी किरायेदारों को लाभान्वित करते हैं।

802.3az से परे: IEEE 802.3bz और 802.3cd के साथ भविष्य का समर्थन

उद्योग बिजली की बचत तकनीकों को विकसित करना जारी रखता है। IEEE 802.3bz (2.5GbE और 5GbE) और IEEE 802.3cd (50GbE, 100GbE, 200GbE) में ऊर्जा दक्षता तंत्र शामिल हैं जो EEE सिद्धांतों पर निर्माण करते हैं लेकिन उच्च गति और कम दूरी के लिए अनुकूलित हैं। उदाहरण के लिए, 25GbE और 50GbE 1 माइक्रोसेकेंड के तहत जागने के समय के साथ निष्क्रिय होने के दौरान बिजली को कम करने के लिए "कम बिजली प्रशिक्षण" मोड का उपयोग करते हैं। ये नए मानक उप लेन बंदडाउन का समर्थन भी करते हैं, जहां एक बहु लेन लिंक के व्यक्तिगत भौतिक लेन की आवश्यकता नहीं होने पर संचालित की जा सकती है।

चूंकि डेटा केंद्र 25GbE / 100GbE टोपोलॉजी में माइग्रेट होते हैं, ऑपरेटरों को EEE-enabled प्रकाशिकी और PHYs के लिए योजना बनाना चाहिए। IEEE 802.3 कामकाजी समूह प्रत्येक नए संशोधन में ऊर्जा दक्षता को परिष्कृत करना जारी रखता है, यह सुनिश्चित करता है कि बैंडविड्थ मांगों के साथ बिजली बचत पैमाने पर। एक 2023 उद्योग रिपोर्ट परियोजनाओं जो अगली पीढ़ी के EEE को व्यापक रूप से अपनाने से 2030 तक वैश्विक डेटा केंद्र नेटवर्क ऊर्जा को 30-40% तक काट सकता है।

निष्कर्ष

IEEE 802.3az एनर्जी-एफिशिएंट ईथरनेट एक सिद्ध, मानक आधारित तंत्र है जो डेटा सेंटर नेटवर्क में प्रदर्शन का त्याग किए बिना बिजली की खपत को काटने के लिए है। बुद्धिमानी से निष्क्रिय बंदरगाहों को कम बिजली राज्यों में रखने और उन्हें केवल तभी जागने से EEE बिजली के उपयोग, कार्बन उत्सर्जन और शीतलन लागत में मापनीय कमी को बचाता है। मानक व्यापक रूप से आधुनिक हार्डवेयर में समर्थित है, सक्षम करने में आसान है और लगभग सभी मौजूदा ईथरनेट बुनियादी ढांचे के साथ संगत है। किसी भी संगठन के लिए परिचालन क्षमता और पर्यावरण की जिम्मेदारी के लिए प्रतिबद्ध है, EEE को अपनी नेटवर्क पावर मैनेजमेंट रणनीति का एक आधार तत्व होना चाहिए। अगली पीढ़ी की गति के रूप में पहुंचती है, 802.3az के पीछे के सिद्धांत तेजी से आगे बढ़ना जारी रहेगा, यह सुनिश्चित करना जारी रहेगा कि ईथरनेट और दोनों को सुनिश्चित करना जारी रहेगा।

अतिरिक्त संसाधन: U.S. ऊर्जा डाटा सेंटर ऊर्जा दक्षता विभाग और डेटा सेंटरों में ऊर्जा कुशल ईथरनेट की व्यापक समीक्षा (ScienceDirect, 2021) [FLT: 3]]].