Come Ieee 802.3az Ethernet a basso consumo energetico riduce il consumo energetico nei data center

La crisi energetica in crescita nei data center

I centri dati sono i pilastri non presenti dell'economia digitale, supportando tutto, dai servizi di streaming ai carichi di lavoro sul cloud aziendale. Tuttavia, il loro appetito per l'elettricità è in aumento. Secondo il Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti, i centri di dati consumano circa 1–2% dell'elettricità globale, e che la quota sta aumentando come intelligenza artificiale, 5G, e la domanda di unità di calcolo del bordo.

Come funziona l'IEEE 802.3az: La Fondazione Tecnica

EEE, ratificato come IEEE 802.3az nel 2010, opera allo strato fisico (PHY) del modello OSI. Presenta meccanismi per i dispositivi Ethernet per entrare in uno stato di idle a bassa potenza (LPI) quando non ci sono dati da trasmettere. Lo standard si applica a rame e backplane Ethernet contorto, tra cui 100BASE-TX, 1000BASE-T, e 10GBASE-T, come fibra ottica.

Modalità di basso potere (LPI)

Durante l'LPI, il trasmettitore cessa di inviare normali segnali di inattività e invia invece periodici segnali di aggiornamento per mantenere la sincronizzazione del collegamento. La frequenza di aggiornamento è molto inferiore rispetto al modello continuo di inattività utilizzato in Ethernet convenzionale, riducendo drasticamente la potenza consumata dal trasmettitore e dal ricevitore PHY. Per 10GBASE-T, ad esempio, il PHY può entrare in uno stato di sonno che taglia l'alimentazione di circa 4–6 watt.

Wake-Up Timing e Latency

Un requisito fondamentale del progetto EEE è che il passaggio da LPI alla modalità attiva deve essere sufficientemente veloce per evitare la perdita di pacchetti o la latenza inaccettabile. Lo standard definisce un tempo di sveglia di meno di 10 microsecondi per 1000BASE-T e meno di 4 microsecondi per 10GBASE-T. In pratica, il silicio moderno di commutazione raggiunge transizioni submicroseconde.

Misurare i risparmi energetici nei dislocamenti reali

Gli studi indipendenti e i test dei fornitori hanno confermato che EEE offre significative riduzioni di potenza. Un 2021 di ricerca pubblicato in [IEEE Transazioni su Green Communications and Networking ha rilevato che consentire EEE su un collegamento 10GbE in un data center rack ridotto il consumo medio di energia portuale del 45-60% durante i modelli di traffico tipici.

Un centro dati di medie dimensioni con 10.000 porte 10GbE può ridurre la sua bolletta energetica di rete di oltre 80.000 kWh all'anno, pari a circa 60 tonnellate di emissioni di CO2. Diversi principali fornitori di cloud, tra cui Google e Microsoft, hanno accreditato pubblicamente EEE con l'aiuto di soddisfare obiettivi di sostenibilità interna.

Per ulteriori informazioni, il IEEE 802.3az-2010 standard[] dettaglia il meccanismo LPI, e il [Lawrence Berkeley National Laboratory guida sull'efficienza energetica del data center fornisce le migliori pratiche per integrare EEE in strategie di gestione più ampie.

Migliori pratiche di attuazione per gli operatori del data center

Compatibilità hardware e aggiornamenti firmware

EEE è supportato su quasi tutti i moderni NIC server e commutatori di data center da fornitori come Cisco, Arista, Juniper e Broadcom. Tuttavia, EEE deve essere esplicitamente abilitato su entrambe le estremità del link; se un dispositivo non supporta, il collegamento rientra al funzionamento non EEE. È essenziale verificare che tutti gli hardware del percorso, inclusi i pannelli di patch intermedi e gli aggiornamenti dei cavi, possano gestire il aggiornamento del aggiornamento del aggiornamento senza degradazione.

Configurazione e monitoraggio

Gli amministratori di rete dovrebbero consentire agli EEE di collegare i link aggregati (LACP) con attenzione. Mentre gli EEE possono essere utilizzati su singoli membri di un gruppo di aggregazione di collegamento, l'algoritmo di bilanciamento del carico generale può causare alcuni collegamenti per rimanere inattivo mentre altri sono impegnati.

Sensibilità di applicazione

I carichi di lavoro sensibili allatenza, come ad esempio il trading ad alta frequenza, l'analisi in tempo reale o alcune applicazioni di controllo industriale, possono avere bisogno di EEE disabilitato su link critici. Tuttavia, le moderne implementazioni EEE con il wake-up submicrosecondo introducono jitter trascurabili per la maggior parte delle applicazioni aziendali.

Sfide e limitazioni

EEE non è una panacea. Una limitazione è che il risparmio energetico diminuisca come l'utilizzo dei collegamenti aumenta. Su collegamenti pesantemente utilizzati (ad esempio, sopra la media del 70%), il PHY spende poco tempo in LPI, quindi la riduzione generale della potenza è modesta. Inoltre, alcuni switch più vecchi e NIC implementano EEE in modo povero, causando il collegamento a ribalta o eventi di wake-up eccessivi che effettivamente aumentano il consumo di energia.

Un'altra sfida è l'interoperabilità tra i cavi in rame da 10GBASE-T e SFP+ (DAC) mentre 10GBASE-T supporta completamente EEE, SFP+ DAC spesso bypassano il PHY del tutto e quindi non possono sfruttare EEE. I responsabili del data center che intendono ridurre al minimo il potere dovrebbero preferire i transceiver 10GBASE-T o ottici con il supporto EEE su DAC per raggiungere più a lungo.

Oltre al rame, EEE per Ethernet ottica (ad esempio, 25GbE, 40GbE, 100GbE) è stato standardizzato in modifiche successive (IEEE 802.3bj, 802.3bm).

Il ruolo dell'EEE nelle iniziative del Centro dati verde

Energy-Efficient Ethernet è un componente chiave di più grandi framework IT verdi come il Codice di condotta UE per i Data Centres e il programma EPA ENERGY STAR per le apparecchiature data center. Riducendo la potenza di testa dell'infrastruttura di rete, EEE consente agli operatori di assegnare più del loro carico IT per calcolare e immagazzinare, migliorare l'efficienza generale di utilizzo di energia (PUE). Inoltre, perché EEE riduce i requisiti di dissipazione del calore,

Per le organizzazioni che perseguono obiettivi di carbonio net-zero, l'integrazione di EEE è un passo basso e ad alto impatto. A differenza della sostituzione di server o dell'aggiornamento di sistemi di raffreddamento, l'EEE è spesso un cambiamento software o firmware senza outlay di capitale. Diversi fornitori di servizi cloud offrono EEE come impostazione predefinita su NIC virtuali e istanze bare-metal, beneficiando silenziosamente tutti gli inquilini.

Oltre 802.3az: Proofing futuro con gli EEE 802.3bz e 802.3cd

IEEE 802.3bz (2.5GbE e 5GbE) e IEEE 802.3cd (50GbE, 100GbE, 200GbE) incorporano meccanismi di efficienza energetica che si basano sui principi EEE, ma sono ottimizzati per velocità più elevate e distanze più brevi. Ad esempio, 25GbE e 50GbE utilizzano un “basso di formazione”

Poiché i data center migrano a 25GbE/100GbE topologie, gli operatori dovrebbero pianificare per l'ottica EEE-enabled e PHYs. Il [IEEE 802.3 gruppo di lavoro[] continua a migliorare l'efficienza energetica in ogni nuovo emendamento, garantendo che la scala di risparmio energetico con le esigenze di banda.

Conclusioni

IEEE 802.3az Energy-Efficient Ethernet è un meccanismo collaudato basato su standard per ridurre il consumo di energia nelle reti di data center senza sacrificare le prestazioni. Posizionando intelligentemente le porte idle in stati di bassa potenza e risvegliandole solo quando necessario, EEE offre fondazioni misurabili riduzioni di utilizzo dell'elettricità, emissioni di carbonio e costi di raffreddamento.

Risorse aggiuntive: U.S. Dipartimento di Energia Data Center Efficienza energetica[[[] e ]Una rassegna completa di Energy Efficient Ethernet nei data center (ScienceDirect, 2021)].