Вирощування енергетичного кризу в дата-центрах

Центри обробки даних є невисокими стовпами цифрової економіки, що підтримують все від потокових послуг до хмарних робочих навантажень підприємств. Незважаючи на те, що їх апетит для електроенергії є перепадом. За даними Департаменту енергетики, центри даних споживають близько 1–2% від глобальної електроенергії, і ця частка зростає як штучний інтелект, 5G, а також вимога до кінцевих обчислювальних пристроїв. У типовому об'єкті мережеве обладнання може враховуватися 10-20% від загального використання енергії, багато з них було при цьому в періоди свічок, коли посилання активні, але не витрачаються. IEEE 802.3az Energy-Efficient Ethernet (EEE) стандартно здавлення цих відходів, що дозволяє помітно зв'язувати зв'язки з високою концентрацію мережі або зв'язку для забезпечення низької активності мережі, що забезпечують низької активності мережі, що забезпечують низької активності мережі, що забезпечують низької активності.

Як працює IEEE 802.3az: Технічний фонд

EEE, ратифікований як IEEE 802.3az в 2010 році, працює на фізичному шарі (PHY) моделі OSI. Вводиться механізми для пристроїв Ethernet для входу в стан низької потужності (LPI) при передачі даних немає. Стандарт відноситься до закрученої мідної та задньої панелі Ethernet, включаючи 100BASE-TX, 1000BASE-T, 10GBASE-T, а також оптичні варіанти волокна, такі як 10GBASE-SR/LR.

Низький режим роботи стрибка живлення (LPI)

Під час LPI передавач перестає надсилати нормальні сигнали свічки і замість надсилання періодичних сигналів освіження для підтримки синхронізації посилань. Швидкість оновлення значно нижче, ніж безперервний шаблон свічок, який використовується в звичайному Ethernet, різко зменшуючи потужність, споживана передавачем і ресивером. Для 10GBASE-T, наприклад, PHY може ввести стан сну, який зрізається живленням від грубо 4–6 Вт до менше 1 Вт.

Вейк-Up Тимінг і Латенція

Ключова вимога проектування EEE полягає в тому, що перехід від LPI назад до активного режиму повинен бути досить швидко, щоб уникнути втрати пакету або неприйнятної затримки. Стандарт визначає час проїзду менше 10 секунд для 1000BASE-T і менше 4 мікросекунди для 10GBASE-T. На практиці сучасний перемикач кремнію досягає субмікросекундних переходів. Ця швидкість забезпечує, що EEE може бути розгорнута на виробничих мережах без ударів в режимі реального часу, таких як VoIP або фінансові торги, надана мережа належним чином інженерується.

Вимірювання енергозберігаючих засобів в умовах реального світу

Дослідження та аналізи постачальників підтвердили, що EEE забезпечує суттєве скорочення потужності. У статті 2021 опубліковано EEE Transactions на зелених Комунікаціях та мережах було встановлено, що дозволяє EEE на 10GbE посилання в центрах даних, що скоротилися середні витрати на електроенергію на 45–60% при типових шаблонах трафіку. Для посилань, які свічуються більше 80% часу, — в хребта-листових архітектурах для східного трафіку—збереження підходу 90%.

У масштабі ці заощаджувальні сполуки. Центр даних з розміром 10000 10GbE може зменшити енергозберігаючі рахунки за понад 80,000 кВт•год на рік, еквівалентний приблизно 60 метричними тоннами викидів CO2. Кілька основних хмарних провайдерів, включаючи Google та Microsoft, публічно зараховані EEE, допомагаючи їм задовольняти цілі внутрішнього сталого розвитку.

Для подальшого читання EEE 802.3az-2010 стандарт Деталі механізму LPI, а Керівництво Національної лабораторії з енергоефективності центру даних забезпечує найкращі практики інтеграції EEE в більш широкі стратегії управління потужністю.

Найкращі практики для операторів Центру обробки даних

Оновлення обладнання та оновлення прошивок

EEE підтримується практично на всіх сучасних серверах NICs і центрах даних, які переключаються з постачальників, таких як Cisco, Arista, Juniper і Broadcom. Однак EEE повинен бути явно включений як на кінцях посилання; якщо один пристрій не підтримує підтримку, посилання повертається до не-EEE операції. Важливо переконатися, що всі апаратні засоби в шляху - включаючи проміжні панелі та типи кабелів - може обробляти сигналізацію без деградації. Оновлення прошивки може знадобитися, щоб включити останні низькі потужності держави, зокрема для старших 10GBASE-T PHYs.

Налаштування та моніторинг

Адміністратори мережі повинні ввімкнути EEE на сукупних посиланнях (LACP) ретельно. Хоча EEE можна використовувати на окремих членів групи агрегації посилань, алгоритм балансування загального навантаження може викликати деякі посилання, щоб залишатися безпосереднім, а інші зайняті. Використання EEE на всіх членів дозволяє запускати посилання на сон, але затримки проїзду повинні бути враховані в ненадійне частування. Інструменти, такі як SNMP MIBs і телеметрії (наприклад, SFlow, NetFlow) може звітувати про стан EEE і перерахування рахунків, що дозволяє операторам, які керують фактичні заощадження електроенергії і виявити невідповідності.

Застосування чутливості

Латентно-чутливі навантаження — так як високочастотний торговий, динамічний аналіз або певні промислові додатки-май потребують EEE відключені на критичні посилання. Однак сучасні EEE реалізує з субмікросекундним прокидком вводять недбалий Джиттер для більшості підприємств. Запуск керованих тестів трафіку рекомендується перед широким розкоченням.

Виклики та обмеження

EEE не є панацею. Один обмеження полягає в тому, що економія енергії зменшуються як збільшення використання посилань. На сильно використовуваних посиланнях (наприклад, вище 70% середній), PHY витрачає трохи часу в LPI, тому загальне зниження потужності є скромним. Крім того, деякі старі перемикачі і NICs впроваджують EEE погано, викликаючи посилання на флопінг або надмірні прокидки події, які фактично збільшують споживання енергії. Стандарт також не вирішує споживання енергії в тканині перемикача -тільки порт PHYs.

Ще один виклик є взаємопроникністю між 10GBASE-T і SFP+ пряміаттачні кабелі (DAC). Хоча 10GBASE-T повністю підтримує EEE, SFP+ DAC часто обходити PHY повністю і таким чином не можна важіль EEE. Менеджери центру обробки даних, які планують мінімізувати потужність, повинні віддавати перевагу 10GBASE-T або оптичних перетворювачів з підтримкою EEE над DAC для більш тривалого досягнення.

Шукаю за межі міді, EEE для оптичного Ethernet (наприклад, 25GbE, 40GbE, 100GbE) було стандартизовано в пізніх змінах (IEEE 802.3bj, 802.3bm). Ці використання механізму називають «PHY низькопотужний режим» замість LPI, але принцип енергозберігаючого є однаковим.

Роль ініціатив Центру зелених даних

Energy-Efficient Ethernet є ключовим компонентом більшої зеленої ІТ-фреймворк, таких як Кодекс ЄС про проведення центрів обробки даних та U.S. EPA ENERGY STAR програми для обладнання центру обробки даних. Знизивши потужність накладної мережевої інфраструктури, EEE дозволяє операторам виділити більше їх ІТ-навантаження для компute та зберігання, покращуючи ефективність використання загального споживання електроенергії (PUE). Крім того, тому що EEE знижує тепловіддачу, він може знизити вимоги охолодження, створюючи складаний ефект на енергозбереження.

Для організацій, які здійснюють нетто-нугові цілі, інтегруючи EEE, є низькотемпактним кроком. На відміну від заміни серверів або модернізації систем охолодження, що дозволяє EEE часто є програмним забезпеченням або змінами прошивки без капітального викладання. Кілька хмарних провайдерів пропонують EEE як налаштування за замовчуванням на віртуальних NICs і Bare-metal екземплярах, мовчно вигідно вигодуючи всі орендарів.

За 802.3az: Майбутнє з IEEE 802.3bz і 802.3cd

Промисловість продовжує розвиватися техніки електрозбереження. IEEE 802.3bz (2.5GbE і 5GbE) і IEEE 802.3cd (50GbE, 100GbE, 200GbE) включає в себе механізми енергоефективності, які будують принципи EEE, але оптимізовані для більш високих швидкостей і коротших дистанцій. Наприклад, 25GbE і 50GbE використовують режим «низькі потужності» для зменшення потужності під час свічок, з часом прокидки під 1 мікросекунд. Ці нові стандарти також підтримують підсвітлення, де окремі фізичні смуги багатоланцевого посилання можуть бути використані при не потрібному стані.

У дата-центрах миграт до 25GbE/100GbE топологій, оператори повинні планувати для EEE-enabled оптики та PHYs. IEEE 802.3 робоча група продовжує рефінувати енергоефективність в кожному новому поправку, забезпечуючи, що економія електроенергії масштабується з пропускною спроможністю. 2023 галузеві проекти, які широко поширене прийняття наступного покоління EEE може скоротити глобальну енергоцентру мережі мережі до 30-40% від 2030.

Висновок

IEEE 802.3az Energy-Efficient Ethernet є перевіреним, стандартним механізмом для різання споживання електроенергії в мережах центрів обробки даних без підвищення продуктивності. Розумно розміщення іпожежних портів в низькопотужних станах і відкидаючи їх тільки при необхідності, EEE забезпечує безмірне скорочення використання електроенергії, викиди вуглецю і витрати охолодження. Стандарт широко підтримується в сучасному апараті, легко включити і сумісний з практично всі існуючі Ethernet інфраструктура. Для будь-якої організації, яка прагне до оперативної ефективності і екологічної відповідальності, EEE повинен бути основою стратегії управління мережею. Як прибувають найближчі швидкості, принципи за 802.3az будуть розвиватися, забезпечуючи, що кріпляться, залишаються незмінними.

Додаткові ресурси: У.С. Відділ енергоефективності Центру енергоресурсів та Комплексний огляд енергоефективного Ethernet в дата-центрах (ScienceDirect, 2021).