Criza energetică în creștere în centrele de date

Centrele de date sunt pilonii nesiguri ai economiei digitale, sprijinind totul de la serviciile de streaming la volumul de lucru al cloud-urilor de întreprindere. Cu toate acestea, apetitul lor pentru electricitate este uimitor. Conform Departamentului de energie al SUA, centrele de date consumă aproximativ 1 20122% din energia electrică globală, iar această cotă crește ca inteligență artificială, 5G și cererea de unitate de calcul de margine. Într-o instalație obișnuită, echipamentele de rețea pot reprezenta 10 2012 2012 2012 2012 din consumul total de energie, o mare parte din ea irosită în perioadele de repaus atunci când legăturile sunt active, dar nu există date. Standardul IEEE 802.3az Energy-Efficient Ethernet (EEE) abordează direct această risipă, permițând interfețelor rețelei să reducă consumul de energie în timpul activității scăzute fără a compromite integritatea legăturii sau provocând vârfuri de latență observabile.

Cum funcționează IEEE 802.3az: Fundația Tehnică

EEE, ratificate ca IEEE 802.3az în 2010, operează la nivelul fizic (PHY) al modelului OSI. Acesta introduce mecanisme pentru dispozitivele Ethernet de a introduce o stare la ralanti de joasă putere (LPI) atunci când nu există date de transmis. Standardul se aplică cuprului cu pereti răsuciți și backplane Ethernet, inclusiv 100BASE-TX, 1000BASE-T și 10GBASE-T, precum și variantelor de fibră optică, cum ar fi 10GBASE-SR/LR.

Modul de idle de putere scăzută (IPL)

În timpul IMP, transmiţătorul încetează să mai trimită semnale normale inactive şi în schimb trimite semnale periodice de reîmprospătare pentru a menţine sincronizarea de legătură. Rata de reîmprospătare este mult mai scăzută decât modelul continuu de inactivare folosit în convenţionale Ethernet, reducând dramatic puterea consumată de transmiţătorul PHY şi receptorul. Pentru 10GBASE-T, de exemplu, PHY poate intra într-o stare de somn care taie puterea trage de la aproximativ 4 ION6 Ł în jos la mai puţin de 1 watt.

Timpul de trezire și latenta

O cerinţă de proiectare cheie a EEE este că trecerea de la modul LPI înapoi la modul activ trebuie să fie suficient de rapidă pentru a evita pierderea pachetelor sau latenţa inacceptabilă. Standardul defineşte un timp de trezire mai mic de 10 microsecunde pentru 1000BASE-T şi mai puţin de 4 microsecunde pentru 10GBASE-T. În practică, siliciul modern de comutare realizează tranziţii sub microsecunde. Această viteză asigură că EEE pot fi utilizate pe reţelele de producţie fără a avea impact asupra aplicaţiilor în timp real, cum ar fi VoIP sau tranzacţionarea financiară, cu condiţia ca reţeaua să fie proiectată corect.

Măsurarea economiilor de energie în cadrul unor misiuni în lumea reală

Studiile independente și testele furnizorilor au confirmat că EEE oferă reduceri semnificative ale puterii. O lucrare de cercetare 2021 publicată în IEEE Tranzacții pe comunicații verzi și rețele a constatat că permiterea unei legături de 10GbE într-un centru de date reducerea consumului mediu de energie portuară cu 45 2016/1360% în timpul modelelor tipice de trafic. Pentru link-uri care sunt inactive mai mult de 80% din timp [în arhitectură de bază pentru traficul de est-vest], abordarea de economisire 90%.

La scară, aceste economii sunt compuse. Un centru de date de dimensiuni medii cu 10 000 de porturi 10GbE poate reduce factura sa de energie în rețea cu peste 80.000 kWh pe an, echivalent cu aproximativ 60 de tone metrice de emisii de CO2. Mai mulți furnizori mari de cloud, inclusiv Google și Microsoft, au creditat public EEE pentru a le ajuta să îndeplinească obiectivele interne de durabilitate.

Pentru o citire ulterioară, IEEE 802.3az-2010 standard[ detalii privind mecanismul IPC, și Lawrence Berkeley National Laboratory

Punerea în aplicare a celor mai bune practici pentru operatorii de centre de date

Compatibilitate hardware și actualizări de firmware

EEE este sprijinit pe aproape toate serverele moderne NIC și comutatoare centru de date de la furnizori, cum ar fi Cisco, Arista, Juniper, și Broadcom. Cu toate acestea, EEE trebuie să fie activat în mod explicit pe ambele capete ale link-ului; în cazul în care un dispozitiv nu are suport, link-ul cade înapoi la funcționarea non-EEE. Este esențial pentru a verifica dacă toate hardware-ul în calea de cale . Inclusiv panouri intermediare petice și tipuri de cablu pot mânui semnalizarea de reîmprospătare fără degradare. Actualizări Firmware pot fi necesare pentru a permite cele mai recente state de joasă putere, în special pentru mai vechi 10GBASE-T PHYs.

Configurare și monitorizare

Administratorii de rețea ar trebui să permită EEE pe legături agregate (APE) cu atenție. În timp ce EEE pot fi utilizate pe membrii individuali ai unui grup de agregare a legăturilor, algoritmul global de echilibrare a sarcinii poate determina unele legături să rămână inactive în timp ce altele sunt ocupate. Utilizarea EEE pe toți membrii permite legăturile inactive pentru a dormi, dar latența de trezire trebuie să fie luată în considerare în calendarul de a nu se derula. Instrumente precum MIB-uri SNMP și fluxuri de telemetrie (de exemplu, sFlow, NetFlow) poate raporta starea și numărul de tranziție a EEE-urilor pe port, permițând operatorilor să cuantifice economiile reale de energie și să detecteze configurațiile eronate.

Sensibilitatea aplicației

Latenta-sensibile de locuri de muncă . Cum ar fi de înaltă frecvență tranzacționare, analiști în timp real, sau anumite aplicații de control industrial . Poate avea nevoie de . Dezafectat pe link-uri critice . Cu toate acestea, implementarea modernă EEE cu sub-microsecunde trezire introduce nervozitate neglijabilă pentru majoritatea aplicațiilor de întreprinderi . Rularea testelor de trafic controlate este recomandată înainte de rularea largă .

Provocări şi limitări

EEE nu este un panaceu. O limitare este că economiile de energie se diminuează pe măsură ce utilizarea link-uri utilizate puternic (de exemplu, peste 70% medie), PHY petrece puțin timp în LPI, astfel încât reducerea globală a puterii este modestă. În plus, unele întrerupătoare mai vechi și NIC implementează EEE slab, provocând legături flapping sau evenimente de trezire excesivă care de fapt crește consumul de energie. Standardul, de asemenea, nu se referă la consumul de energie în tesatura comutatorului în sine.

O altă provocare este interoperabilitatea între cablurile 10GBASE-T și SFP+ direct-atach de cupru (DAC). În timp ce 10GBASE-T sprijină pe deplin EEE, DAC SFP+ ocolesc de multe ori FY în întregime și, prin urmare, nu pot influența EEE. Managerii de centre de date care intenționează să minimizeze puterea ar trebui să prefere 10GBASE-T sau transceivertizore optice cu suport EEE peste DAC pentru accesări mai lungi.

Privind dincolo de cupru, EEE pentru Ethernet optic (de exemplu, 25GbE, 40GbE, 100GbE) a fost standardizat în modificările ulterioare (IEEE 802.3bj, 802.3bm). Acestea folosesc un mecanism diferit numit

Rolul EEE în iniţiativele Centrului Verde de Date

Ethernet, eficient din punct de vedere energetic, este o componentă cheie a cadrelor IT ecologice mai mari, cum ar fi Codul de conduită al UE pentru centrele de date și programul EPA Energy STAR pentru echipamentele centrului de date. Prin reducerea puterii de supratensiune a infrastructurii de rețea, EEE permite operatorilor să aloce mai mult din sarcina lor IT pentru a calcula și stoca, îmbunătățind eficiența generală a utilizării energiei (PUE). Mai mult, deoarece EEE reduce disiparea termică, poate reduce cerințele de răcire, creând un efect de complexare asupra economiilor de energie.

Pentru organizaţiile care urmăresc obiective cu carbon net zero, integrarea EEE este un pas de impact redus, de mare impact. Spre deosebire de înlocuirea serverelor sau modernizarea sistemelor de răcire, care permite EEE este adesea un software sau o schimbare firmware fără o acoperire de capital. Mai mulţi furnizori de servicii de cloud oferă EEE ca un set implicit pe NIC virtuale şi instanţe de tip bare-metal, beneficiind în tăcere de toţi chiriaşii.

Dincolo de 802.3az: Proba de viitor cu IEEE 802.3bz și 802.3cd

Industria continuă să evolueze tehnici de economisire a energiei. IEEE 802.3bz (2.5GbE și 5GbE) și IEEE 802.3cd (50GbE, 100GbE, 200GbE) încorporează mecanisme de eficiență energetică care se bazează pe principiile EEE, dar sunt optimizate pentru viteze mai mari și distanțe mai scurte. De exemplu, 25GbE și 50GbE utilizează un mod de formare

Ca centre de date migrează la 25GbE/100GbE scuze, operatorii ar trebui să planifice pentru optica și PHYs activate EEE. IEEE 802.3 grup de lucru] continuă să rafineze eficiența energetică în fiecare nou amendament, asigurându-se că scala de economisire a energiei cu cerințe de lățime de bandă. Un Raport al industriei 2023 proiecte care adoptă pe scară largă de energie în continuare ar putea reduce energia din centrul de date global până în 2030 cu 3040%.

Concluzie

IEEE 802.3az Energy-Eficient Ethernet este un mecanism dovedit, bazat pe standarde, pentru reducerea consumului de energie în rețelele de centre de date fără a sacrifica performanța. Prin plasarea inteligentă a porturilor inactive în state cu putere scăzută și trezirea lor numai atunci când este necesar, EEE oferă reduceri măsurabile în utilizarea energiei electrice, emisiile de carbon și costurile de răcire. Standardul este susținut în mare măsură în hardware modern, ușor de activat și compatibil cu aproape toate infrastructurile existente Ethernet. Pentru orice organizație angajată în eficiența operațională și responsabilitatea mediului, EEE ar trebui să fie un element fundamental al strategiei sale de gestionare a energiei din rețea. Pe măsură ce vitezele de nouă generație sosesc, principiile din spatele 802.3az vor continua să evolueze, asigurându-se că Ethernet rămâne atât rapid cât și frugal.

Resurse suplimentare: S. Departamentul de date al Centrului de energie Eficienţă energetică și O evaluare cuprinzătoare a Ethernet-ului eficient energetic în centrele de date (ScienceDirect, 2021).