Den voksende energikrisen i datasentre

Datasentre er de usungne søylene i den digitale økonomien, som støtter alt fra streamingtjenester til bedriftsskyarbeidslast. Men deres appetitt etter elektrisitet er i ferd med å sperre. I henhold til den amerikanske energidepartementet, bruker datasentre ca. 1 ⁇ 2% av den globale elektrisiteten, og den andelen øker som kunstig intelligens, 5G og kant datadriftsbehov. I et typisk anlegg kan nettverksutstyret regne for 10 ⁇ 2% av total strømbruk, mye av det bortkastet i inaktive perioder når koblinger er aktive, men ingen data flyter. IEEEE 802.3az Energi-Efficient Ethernet (EEEEE) standard direkte håndterer dette avfallet, slik at nettverksgrensesnitt kan trefne ned strømforbruket under lav aktivitet uten å gå på kompromiss med linkintegritet eller forårsake merkbar latens pigger.

Hvordan IEEE 802.3az fungerer: Den tekniske stiftelsen

EEE, ratifisert som IEEE 802.3az i 2010, opererer ved det fysiske laget (PHY) i OSI-modellen. Den introduserer mekanismer for Ethernet-enheter til å angi en lav-krafts inaktiv (LPI)-tilstand når det ikke er data å overføre. Standarden gjelder for vridet-par kobber og bakplanet Ethernet, inkludert 100BAE-TX, 1000BASE-T og 10GBASE-T, samt optiske fibervarianter som 10GBASE-SR/LR.

Low Power Idle (LPI) modus

Under LPI slutter senderen å sende normale inaktive signaler og sender i stedet periodiske oppdateringssignaler for å opprettholde linksynkronisering. Oppfriskingshastigheten er mye lavere enn det kontinuerlige inaktive mønsteret som brukes i konvensjonelt Ethernet, og reduserer effekten som forbrukes av PHY-senderen og mottakeren dramatisk. For 10GBASE-T kan f.eks. PHY-en angi en søvntilstand som reduserer effekten fra omtrent 4 ⁇ 6 watt ned til mindre enn 1 watt.

Vekking og latens

Et nøkkeldesignkrav til EEE er at overgangen fra LPI tilbake til aktiv modus må være rask nok til å unngå tap av pakke eller uakseptabel latens. Standarden definerer en vekketid på mindre enn 10 mikrosekunder for 1000BASE-T og mindre enn 4 mikrosekunder for 10GBASE-T. I praksis oppnår moderne bryter silikon sub-mikrosekunde overganger. Denne hastigheten sikrer at EEE kan brukes på produksjonsnettverk uten å påvirke sanntidsapplikasjoner som VoIP eller finansiell handel, forutsatt at nettverket er riktig utviklet.

Måling av energibesparelser i reell-verdens demontering

Uavhengige studier og leverandørtester har bekreftet at EEE leverer betydelige strømreduksjoner. En 2021 forskningspapir publisert i IEEE Transaksjoner på Green Communications and Networking fant at å muliggjøre EEE på en 10GbE-kobling i et datasenter rack redusert gjennomsnittlig portkraftforbruk med 45 ⁇ 60% under typiske trafikkmønstre. For koblinger som er inaktive mer enn 80% av tiden ⁇ vanlig i ryggrad-blad arkitekturer for øst-vest-trafikk ⁇ sparetilnærmingen 90%.

I skala kan disse spareforbindelsene. Et midt-stort datasenter med 10 000 10GbE-porter redusere sin nettverksenergiregning med over 80.000 kWh per år, tilsvarende ca 60 metriske tonn CO2-utslipp. Flere store skyleverandører, inkludert Google og Microsoft, har offentlig kreditert EEE med å hjelpe dem å møte interne bærekraftsmål.

For videre lesing, beskriver IEEE 802.3az-2010 standard LPI mekanismen, og Lawrence Berkeley National Laboratory sin guide om datasenter energieffektivitet gir beste praksis for å integrere EEE i bredere strategi for kraftstyring.

Beste praksis for datasenteroperatører

Maskinvarekompatibilitet og Firmware oppdateringer

EEE støttes på nesten alle moderne server-NICs og datasenterbrytere fra leverandører som Cisco, Arista, Juniper og Broadcom. Men EEE må eksplisitt slås på begge ender av lenken; hvis en enhet mangler støtte, faller lenken tilbake til ikke-EEE-operasjon. Det er viktig å verifisere at all maskinvare i banen ⁇ inkludert mellomliggende plasterpaneler og kabeltyper ⁇ kan håndtere oppdateringssignalering uten nedbryting. Firmware oppdateringer kan være nødvendig for å muliggjøre de nyeste lav-styrke-tilstandene, spesielt for eldre 10GBA-T Phys.

Konfigurasjon og overvåking

Nettverksadministratorer bør aktivere EEE på aggregerte lenker (LACP) nøye. Selv om EEE kan brukes på individuelle medlemmer av en link-aggregation gruppe, kan den generelle belastningsbalansering algoritme føre til at noen koblinger forblir inaktive mens andre er opptatt. Bruk av EEE på alle medlemmer tillater inaktive lenker til å sove, men vekking latens må være faktorisert i feilsøkingstid. Verktøy som SNMP MIB og telemetristrømmer (f.eks. sFlow, NetFlow) kan rapportere per-port EEE-tilstand og overgangstall, slik at operatører kan kvantifisere faktiske strømbesparelser og oppdage feilkonfigurasjoner.

Søknadsfølsomhet

Latentsfølsomme arbeidsbelastninger ⁇ som høyfrekvent handel, sanntidsanalyse eller visse industrielle kontrollapplikasjoner ⁇ kan trenge EEE deaktivert på kritiske lenker. Men moderne EEE-implementasjoner med undermikrosekundsoppvåkning introduserer ubetydelig jitter for de fleste bedriftsapplikasjoner. Kjøring kontrollerte trafikktester anbefales før bred utrulling.

Utfordringer og begrensninger

EEE er ikke en panacea. En begrensning er at energibesparelsene reduseres etter hvert som linkutnyttelsen øker. På sterkt brukte lenker (f.eks. over 70% gjennomsnitt), bruker PHY lite tid i LPI, så total strømreduksjon er beskjeden. I tillegg implementerer noen eldre brytere og NICs EEE dårlig, noe som forårsaker link-flapping eller overdreven vekkelse hendelser som faktisk øker strømforbruket. Standarden adresserer ikke strømforbruk i selve bryteren - bare porten PHYs.

En annen utfordring er samtrafikkevne mellom 10GBASE-T og SFP+ direkteattach kobber (DAC) kabler. Selv om 10GBASE-T fullt støtter EEE, SFP + DACs ofte omgår PHY helt og dermed ikke kan utnytte EEE. Datasenter ledere som planlegger å minimere kraft bør foretrekke 10GBASE-T eller optiske transceivere med EEE støtte over DAC i lengre rekkevidde.

Når man ser utover kobber, ble EEE for optisk Ethernet (f.eks. 25GbE, 40GbE, 100GbE) standardisert i senere endringer (IEEE 802.3bj, 802.3bm). Disse bruker en annen mekanisme som kalles \"PHY lav-kraftmodus\" i stedet for LPI, men energibesparende prinsipp er det samme.

EEEs rolle i Grønne Datasenters initiativ

Energieffektivt Ethernet er en sentral del av større grønne IT-rammeverk som EU-koden for opptreden for datasentre og det amerikanske EPA ENERGY STAR-programmet for datasenterutstyr. Ved å redusere strømoverskuddet til nettverksinfrastruktur, tillater EEE operatører å tildele mer av sin IT-belastning å beregne og lagre, forbedre den totale effekt på strømbruk (PUE). Videre, fordi EEE reduserer varmeavledning, kan det redusere kjølekravene, skape en sammensatte effekt på energibesparelser.

For organisasjoner som forfølger netto-null karbonmål, er integrasjon EEE et lavt utbytte, høy-impact trinn. I motsetning til erstatte servere eller oppgradering av kjølesystemer, slik at EEE ofte er en programvare eller firmware endring uten kapital utlegg. Flere sky tjenesteleverandører tilbyr EEE som standardinnstilling på virtuelle NICs og bare-metall tilfeller, stille fordeler alle leietakere.

Utover 802.3az: Fremtidens proofing med IEEE 802.3bz og 802.3cd

Industrien fortsetter å utvikle kraftbesparende teknikker. IEEE 802.3bz (2.5GbE og 5GbE) og IEEE 802.3cd (50GbE, 100GbE, 200GbE) innbefatter energieffektivitetsmekanismer som bygger på EEE-prinsippene, men er optimalisert for høyere hastigheter og kortere avstander. For eksempel bruker 25GbE og 50GbE en “lav krafttrening” -modus for å redusere kraft under inaktive, med vekkingstid under 1 mikrosekund. Disse nyere standardene støtter også underlans nedstengning, der individuelle fysiske baner av en flerlansforbindelse kan drives ned når det ikke er nødvendig.

Etter hvert som datasentrene trekker til 25GbE/100GbE topologier, bør operatørene planlegge for EEE-aktivert optikk og PHYs. IEE 802,3 arbeidsgruppe fortsetter å forfine energieffektivitet i hvert nytt endring, noe som sikrer at strømbesparelser skaleres med båndbreddekrav. En 2023 industrirapport prosjekter som utbredt adopsjon av neste generasjon EEEE kan kutte global datasentersenergi med 30 ⁇ 40% innen 2030.

Konklusjon

IEEE 802.3az Energieffektiv Ethernet er en bevist standardbasert mekanisme for å kutte strømforbruk i datasenternettverk uten å ofre ytelse. Ved å intelligent plassere inaktive porter i lavkraftstilstander og bare vekke dem når det er nødvendig, leverer EEE målbare reduksjoner i elektrisitetsbruk, karbonutslipp og kjølekostnader. Standarden støttes i moderne maskinvare, lett å aktivere, og kompatibel med nesten alle eksisterende Ethernet-infrastruktur. For enhver organisasjon forpliktet til driftseffektivitet og miljøansvar, bør EEEE være et grunnleggende element i sin nettverkskraftstyringsstrategi. Som neste generasjonshastigheter kommer, vil prinsippene bak 802.3az fortsette å utvikle seg, og sikrer at Ethernet forblir både raskt og fregnt.

Ytterligere ressurser: US Department of Energy Data Center Energieffektivitet og En omfattende gjennomgang av energieffektivt Ethernet i datasentre (ScienceDirect, 2021)].