データセンターにおけるエネルギー危機の拡大

データセンターは、ストリーミングサービスからエンタープライズクラウドワークロードまで、あらゆるものをサポートする、デジタルエコノミーの不当な柱です。しかし、電力の食欲は驚くべきことです。米国のエネルギー省によると、データセンターは、グローバル電力の約1〜2%を消費し、そのシェアは人工知能、5G、およびエッジコンピューティングドライブの需要として上昇しています。典型的な施設内では、ネットワーク機器は、電力消費量が10〜20%、アイドル中の電力消費量が80〜2まで上昇することを可能にします。 電力負荷が少ない場合、ネットワークは、ネットワークの負荷が少ないときに電力消費量が80〜2倍に制限されます。

IEEE 802.3azの仕組み:技術財団

EEEは、2010年にIEEE 802.3azとして批准され、OSIモデルの物理層(PHY)で動作します。 送信するデータがないときに、イーサネットデバイス用のメカニズムを低電力アイドル(LPI)状態に入力します。 標準は、100BASE-TX、1000BASE-T、10GBASE-T、および10GBASE-Tを含むツイストペア銅およびバックプレーンイーサネットに適用されるだけでなく、10GBASE-SR/LR.R.R.R.R.R.R.R.R.R.R.R.R.R.R.R.R.R.R.R.R.R.R.R.R.R.R.R.R.R.R.R.R.R.R.R.R.R.R.R.R.R.R.R.R.R.R.R.R.R.R.R.R.R.R.R.R.R.R.R.R.R.R.R.R.R.R.R.R.R.R.R.R.R.R.R.R.R.R

低電力のひよこ(LPI)モード

LPI では、送信機は通常のアイドル信号を送らず、リンク同期を維持するために定期的なリフレッシュ信号を送ります。従来の Ethernet で使用される連続アイドルパターンよりもはるかに低いリフレッシュレートで、PHY 送信機と受信機によって消費される電力を大幅に削減します。例えば、10GBASE-T では、PHY は、電力が約 4–6 ワットから 1 ワット未満に切るスリープ状態に入ることができます。

ウェイクアップタイミングとレイテンシー

EEEのキーデザイン要件は、LPIからアクティブモードへの移行がパケットロスや不受容性の遅延を避けるために十分に高速である必要があることです。 標準は、1000BASE-Tの10マイクロ秒未満のウェイクアップ時間を定義し、10GBASE-Tの4マイクロ秒未満です。 実際には、現代のスイッチシリコンはサブマイクロ秒間移行を実現します。 この速度は、EEEがVoIPエンジニアや金融ネットワークなどのリアルタイムアプリケーションに影響を与えることなく、製造ネットワークに展開できることを確認してください。

リアルワールド展開における省エネルギーの計測

独立した研究とベンダーテストは、EEEが重要な電力削減を実現します。 に公表された2021研究論文がIEEEのグリーンコミュニケーションとネットワークに関する取引は、データセンターラック内の10GbEリンクでEEを有効にすることが判明した一般的なトラフィックパターンの45〜60%による平均ポート電力消費量を削減しました。 アイドルが80%以上であるリンクについては、東西のトラフィックのための一般的なスピンリーフアーキテクチャで-90%以上-90%の節約を削減します。

スケールで、これらは化合物を保存します。 10,000 10GbEポートを備えた中規模のデータセンターは、CO2排出量の約60トン相当の1年間で80,000kWhを超えるネットワークエネルギー法案を削減することができます。 GoogleやMicrosoftを含む複数の主要なクラウドプロバイダーは、それらが内部の持続可能性目標を達成するのを支援して、一般にEEEを信用しています。

さらなる読書のために、 IEEE 802.3az-2010標準]は、LPI機構の詳細と[]]ローレンス・バークレー国立研究所のデータセンターエネルギー効率に関するガイド[]は、より広範な電力管理戦略にEEを統合するための最良のプラクティスを提供します。

データセンターオペレーターのベストプラクティスの実装

ハードウェアの互換性とファームウェアの更新

EEEは、Cisco、Arista、Juniper、Broadcomなどのベンダーから、ほぼすべての近代的なサーバーNICとデータセンタースイッチでサポートされています。 しかし、EEEは、リンクの両端に明示的に有効にする必要があります。 1つのデバイスがサポートが欠如している場合は、リンクは非EE動作に戻ります。 中間パッチパネルとケーブルタイプを含むすべてのハードウェアが、劣化することなくリフレッシュ信号を処理することが不可欠です。 ファームウェアは、最新のP HY を有効化するために必要があり、特に古い PBASE 10 を有効にする必要があります。

構成および監視

ネットワーク管理者は、EEEを集計されたリンク(LACP)に慎重に有効にする必要があります。 EEEは、リンク集計グループのメンバーに使用できる一方で、全体的な負荷分散アルゴリズムは、他の人が忙しい間にアイドル状態を維持するためのいくつかのリンクを引き起こす可能性があります。 EEEを使用して、すべてのメンバーはアイドルリンクをスリープすることができますが、ウェイクアップレイテンシは、故障したタイミングに要因を与えられる必要があります。 SNMP MIBやテレメトリーストリーム(例えば、NetFLOW)などのツールは、実際の作業員がEEEを識別し、EEEを検証し、EEEを検証し、実際の作業員が無効にすることができます。

適用 感受性

レイテンシブに敏感なワークロード(高周波取引、リアルタイム分析、または特定の産業制御アプリケーションなど)は、EEEが重要なリンクに無効になっている必要があります。ただし、サブマイクロ秒のウェイクアップを備えた現代のEEE実装は、ほとんどの企業アプリケーションに必須のジッタを導入しています。 制御されたトラフィックテストを実行すると、ワイドなロールアウト前に推奨されます。

課題と限界

EEEは、パンセアではありません。 1つの制限は、リンク使用率が増加するにつれて減少するエネルギーが減少するということです。 重く利用されたリンク(例、70%平均以上)では、PHYはLPIに少し時間を費やすので、全体的な電力削減が控えめです。 さらに、一部のスイッチは古いものとNICsはEEEを適切に実装し、リンクのフラッピングや過度のウェイクアップイベントが実際にパワー消費量を増加させます。 標準は、スイッチ生地自体の消費電力に対処しません。 PHYは、ポートのみです。

10GBASE-TとSFP+直接アタッチ銅(DAC)ケーブル間の相互運用性が異なる課題です。10GBASE-TはEEEを完全にサポートする一方で、SFP+ DACはPHYを完全に迂回し、EEEを活用することはできません。データセンターマネージャは、電力を最小限に抑えるために計画を立てる場合には、より長い到達のためにEEEサポートで10GBASE-Tまたは光学トランスシーバを好む必要があります。

銅を超えて、光学イーサネット(例えば、25GbE、40GbE、100GbE)のEEは、後方修正(IEEE 802.3bj、802.3bm)で標準化されました。これらは、LPIではなく「PHY低電力モード」と呼ばれる異なるメカニズムを使用しますが、省エネ原理は同じです。

グリーンデータセンターの取り組みにおけるEEの役割

エネルギー効率性のあるイーサネットは、データセンターおよび米国EPAエネルギースタープログラムのEU行動規範、データセンター機器のEU行動規範、およびEUの欧州委員会などのより大きなグリーンITフレームワークの重要なコンポーネントです。ネットワークインフラストラクチャの電力量を削減することにより、EEEは、オペレータがIT負荷の多くを計算し、ストレージを割り当て、全体的な電力使用効率を向上させることができます(PUE)。 EEEは、熱放散を削減するので、冷却要件を低下させ、省エネ効果を発揮することができます。

ネットゼロカーボン目標を追求する組織にとって、EEE の統合は、低機能、高機能なステップです。サーバーやアップグレードの冷却システムの変更とは異なり、EEE は多くの場合、ソフトウェアやファームウェアが資本の発生無しで変化することを可能にします。複数のクラウドサービスプロバイダは、仮想 NIC およびベアメタルインスタンスのデフォルト設定としてEEE を提供しています。サイレントは、すべてのテナントに利益をもたらします。

802.3azを超えて:IEEE 802.3bzと802.3cdで未来のプロファイリング

業界は、パワーセービング技術を進化させ続けています。IEEE 802.3bz(2.5GbEと5GbE)とIEEE 802.3cd(50GbE、100GbE、200GbE)は、EEEの原則に基づいて構築されたエネルギー効率メカニズムを組み込んでいますが、より高い速度と短距離で最適化されています。例えば、25GbEと50GbEは、IDleのパワーを削減するために「低電力トレーニング」モードを使用して、1秒未満のマイクロレーンを切り替える必要があり、個々の標準は、マルチレーンは不要です。

データセンターは25GbE / 100GbEのトポロジーに移行するにつれて、オペレータはEEE対応光学とPHYsを計画する必要があります。 []]IEEE 802.3ワーキンググループは、各新しい改正におけるエネルギー効率の低下を継続し、電力削減が帯域幅の要求にスケールアップすることを保証します。 2023業界レポートプロジェクトでは、次世代EEの広範な採用により、30〜40%のグローバルデータセンターネットワークエネルギーを削減することができます。

コンテンツ

IEEE 802.3az Energy-Efficient Ethernet は、データセンターネットワークの電力消費を犠牲にすることなく切断するための実証済みの標準ベースのメカニズムです。 インテリジェントにアイドルポートを低電力状態に置き、必要なときにのみそれらを無駄にすることで、EEE は電力使用、カーボン排出量、冷却コストの測定可能な削減を実現します。 標準は、ほぼすべての既存の Ethernet インフラストラクチャに簡単に、そして互換性を発揮する、現代のハードウェアで広くサポートされています。 組織が、EEE は、エネルギー効率と効率性を向上するために、EEE の両立たせるよう努力しています。

追加リソース: 米国エネルギーデータセンターエネルギー効率と]]データセンター内のエネルギー効率性イーサネットの包括的な見直し(ScienceDirect、2021)。