Den växande energikrisen i datacenter

Datacenter är de osunga pelarna i den digitala ekonomin, som stöder allt från strömmande tjänster till företag moln arbetsbelastningar. Ändå deras aptit för el är svindlande. Enligt US Department of Energy, datacenter konsumerar cirka 1-2% av den globala elektriciteten, och den andelen stiger som artificiell intelligens, 5G och kantberäkningsdrivning efterfrågan. Inom en typisk anläggning kan nätverksutrustning stå för 10-20% av total strömförbrukning, mycket av den slösas under idle perioder när länkar är aktiva inte data flödande.

Hur IEEE 802.3az fungerar: Tekniska stiftelsen

EEE, ratificerad som IEEE 802.3az 2010, fungerar på det fysiska lagret (PHY) av OSI-modellen. Det introducerar mekanismer för Ethernet-enheter för att ange en låg effekt-IDLE (LPI) tillstånd när det inte finns några data att överföra. Standarden gäller för vriden-par koppar och backplan Ethernet, inklusive 100BASE-TX, 1000BASE-T och 10GBASE-T, samt optiska fibervarianter som 10GBASE-SR / LR.

Låg effekt Idle (LPI) läge

Under LPI upphör sändaren att skicka normala tomgångssignaler och skickar istället periodiska uppfriskningssignaler för att upprätthålla länksynkronisering. Den uppfriskande hastigheten är mycket lägre än det kontinuerliga tommönster som används i konventionella Ethernet, vilket dramatiskt minskar den kraft som konsumeras av PHY-sändare och mottagare. För 10GBASE-T kan till exempel PHY komma in i ett sömntillstånd som skär strömavdrag från ungefär 4-6 watt ner till mindre än 1 watt.

Wake-Up Timing och Latency

Ett viktigt designkrav för EEE är att övergången från LPI tillbaka till aktivt läge måste vara tillräckligt snabb för att undvika paketförlust eller oacceptabel latens. Standarden definierar en väckarklocka på mindre än 10 mikrosekunder för 1000BASE-T och mindre än 4 mikrosekunder för 10 GBASE-T. I praktiken uppnår modern switchsilikon undermikrosekund övergångar. Denna hastighet säkerställer att EEE kan distribueras på produktionsnät utan att påverka realtidsapplikationer som VoIP eller finanshandel, förutsatt att

Mätning av energibesparingar i verkliga utplaceringar

Oberoende studier och leverantörstest har bekräftat att EEE levererar betydande effektminskningar. Ett 2021 forskningspapper publicerat i ]] IEEE Transaktioner på grön kommunikation och nätverkande fann att möjliggör EEE på en 10GbE-länk i ett datacenter rack minskad genomsnittlig portkraftförbrukning med 45-60% under typiska trafikmönster. För länkar som är tomgång mer än 80% av tiden - vanliga i ryggblad arkitekturer för öst-väst-trafik - besparing 90%.

I stor skala kan dessa besparingar sammansättas. Ett medelstort datacenter med 10 000 10 GbE-portar kan minska sin nätverksenergiräkning med över 80 000 kWh per år, motsvarande cirka 60 ton CO2-utsläpp. Flera stora molnleverantörer, inklusive Google och Microsoft, har offentligt krediterat EEE med att hjälpa dem att uppfylla interna hållbarhetsmål.

För vidare läsning, ]] IEEE 802.3az-2010 standard ]] detaljer LPI-mekanismen, och ]]]]]]] Lämna Berkeley National Laboratory guide om datacenter energieffektivitet ger bästa praxis för att integrera EEE i bredare strömhanteringsstrategier.

Implementering bästa praxis för datacenteroperatörer

Hardware kompatibilitet och Firmware uppdateringar

EEE stöds på praktiskt taget alla moderna server NICs och datacenter switchar från leverantörer som Cisco, Arista, Juniper och Broadcom. EEE måste dock uttryckligen aktiveras på båda ändarna av länken; om en enhet saknar stöd, länken faller tillbaka till icke-EEEE-operation. Det är viktigt att kontrollera att all hårdvara i vägen - inklusive mellanliggande patchpaneler och kabeltyper - kan hantera den uppdaterade signaleringen utan nedbrytning. Firmware uppdateringar kan krävas för att möjliggöra de senaste låga krafterna, särskilt för gamla PHT 10G

Konfiguration och övervakning

Nätverksadministratörer bör göra det möjligt för EEE på aggregerade länkar (LACP) noggrant. Medan EEE kan användas på enskilda medlemmar av en länk aggregationsgrupp, kan den övergripande belastningsbalanseringsalgoritmen orsaka vissa länkar förblir tom medan andra är upptagna. Använda EEE på alla medlemmar tillåter tomgångskopplingar till sömn, men väcknings latens måste vara factored i failover timing. Verktyg som SNMP MIB och telemetri strömmar (t.

Application Känslighet

Latency-känsliga arbetsbelastningar - som högfrekvent handel, realtidsanalys eller vissa industriella kontrollapplikationer - kan behöva EEE inaktiverat på kritiska länkar. Men moderna EEE-implementeringar med undermikrosekund väcka in försumbar jitter för de flesta företagsapplikationer. Körning kontrollerade trafiktest rekommenderas innan bred utrullning.

Utmaningar och begränsningar

EEE är inte en panacea. En begränsning är att energibesparingar minskar som länkutnyttjande ökar. På tungt utnyttjade länkar (t.ex. över 70% genomsnitt), spenderar PHY lite tid i LPI, så total effektminskning är blygsam. Dessutom, vissa äldre switchar och NICs implementera EE dåligt, vilket orsakar länkflapping eller överdriven väckningshändelser som faktiskt ökar strömförbrukningen. Standarden tar inte heller strömförbrukningen i växeltyget själv - bara porten PHYs.

En annan utmaning är interoperabilitet mellan 10 GBASE-T och SFP + direkta kopplingskoppar (DAC) kablar. Medan 10GBASE-T stöder helt EEE, SFP + DACs ofta kringgår PHY helt och därför inte kan utnyttja EEE. Datacenter chefer som planerar att minimera kraft bör föredra 10 GBASE-T eller optiska transceivers med EEE stöd över DAC för längre räckhåll.

Tittar bortom koppar, EEE för optisk Ethernet (t.ex. 25GbE, 40GbE, 100GbE) standardiserades i senare ändringar (IEE 802.3bj, 802.3bm). Dessa använder en annan mekanism som kallas "PHY låg effekt läge" snarare än LPI, men energibesparande princip är densamma.

EEE:s roll i Green Data Center-initiativ

Energieffektiv Ethernet är en viktig del av större gröna IT-ramverk som EU:s uppförandekod för datacenter och det amerikanska EPA ENERGY STAR-programmet för datacenterutrustning. Genom att minska kraftöverföringen av nätverksinfrastrukturen tillåter EEE att operatörerna fördelar mer av sin IT-belastning för att beräkna och lagra, förbättra den totala effekten av energianvändning (PUE). Dessutom, eftersom EE minskar värmeavspridningen, kan det sänka kylningskraven, vilket skapar en sammansatt effekt på energibesparingar.

För organisationer som bedriver netto-noll kolmål, integrera EEE är ett lågt, högeffektivt steg. Till skillnad från att ersätta servrar eller uppgradera kylsystem, gör det möjligt för EEE är ofta en programvara eller firmware förändring utan kapitalutlägg. Flera molntjänstleverantörer erbjuder EEE som standardinställning på virtuella NIC och knappmetall instanser, tyst gynnar alla hyresgäster.

Utöver 802.3az: Framtidsbevis med IEEE 802.3bz och 802.3cd

Branschen fortsätter att utveckla kraftbesparande tekniker. IEEE 802.3bz (2.5GbE och 5GbE) och IEEE 802.3cd (50GbE, 100GbE, 200GbE) innehåller energieffektivitetsmekanismer som bygger på EEE-principer men är optimerade för högre hastigheter och kortare avstånd. Till exempel, 25GbE och 50GbE använder ett "lågkraftsutbildning" -läge för att minska strömmen under tomgångstiden 1 mikrosekunderstöd.

Eftersom datacenter migrerar till 25GbE / 100GbE topologier, bör operatörer planera för EEE-aktiverade optik och PHYs. ] IEEE 802.3 arbetsgrupp ] fortsätter att förfina energieffektivitet i varje ny ändring, vilket säkerställer att kraftbesparingar skala med bandbreddskrav. En 2023-rapport projekt som utbredd antagande av nästa generation EEEE kan minska den globala datacenternätet med 30-40% av 2030.

Slutsats

IEE 802.3az Energieffektiv Ethernet är en beprövad, standardbaserad mekanism för att minska strömförbrukningen i datacenternät utan att offra prestanda. Genom att intelligent placera tomgångar i låg effektstater och väcka dem endast när det behövs, EEE levererar mätbara minskningar av elanvändning, koldioxidutsläpp och kylkostnader. Standarden stöds i stor utsträckning i modern hårdvara, lätt att möjliggöra och kompatibel med nästan all befintlig Ethernet-infrastruktur. För alla organisationer som arbetar med operativ effektivitet och miljöansvar bör EEEEEEE vara en grundlig grund förbli en stiftning av nästa hastighet.

Ytterligare resurser: ]]U.S. Department of Energy Data Center Energy Efficiency] och ]]] En omfattande översyn av energieffektiv Ethernet i datacenter (ScienceDirect, 2021)]