להזין הספק לענן עבור אינטרנט של הכל יעיל לאנרגיה

שעה שהאינטרנט של הכל מוסיף לחץ גובר על שירותי ענן, המרת הספק מיוטבת-לתוכנה תשיג חסכונות באנרגיה בעלי ערך כדי לסייע למפעילים לשמור על עלויות סבירות.

מבוא:
לשמור על מבול הנתונים
האינטרנט של הכל (Internet of Everything -IoE) ילכוד נתונים ברציפות מפעילויות דוגמת קמעונות, תובלה, ניהול תשתית, ייצור, כריית מכרות, ייצור מזון, ביטחון ורבים אחרים. נתונים מ-Cisco אומרים שחנות קמעונאית גדולה אוספת כ-10GB של נתונים לשעה ומשדרת 1GB מהם אל מרכז נתונים. אתר ייצור אוטומטי יכול להפיק כ-1TB של נתונים בשעה, מהם ניתן לאכסן כ-5GB, ומפעל כרייה גדול יכול להפיק עד 144TB בשעה.
שירותי ענן ישלטו במפתח לשינוי הנתונים הנאספים אל מידע שימושי, אך יעמדו בפני לחץ עצום לשמור על התפוצצות הנתונים הנקלטים מתוך יותר ויותר יישומי IoE.
אנרגיה היא המשאב המשמעותי ביותר הנצרך על-ידי מרכזי הנתונים בלב שירותי הענן של היום. במהלך משך חיים אופייני של שלוש שנים, העלות להזנת שרת עולה למעשה על מחיר רכישת הציוד. יש להתחשב גם בעלות הפעלת מערכות הקירור החיוניות כדי לשמור על טמפרטורת הפעלה בטוחה של הציוד. הרצון למזער עלויות אלו הוא דאגה רצינית עבור מפעילי מרכזי הנתונים, והוא מכתיב מגמות תעשייה עיקריות כגון מיקום מרכזי נתונים חדשים באקלימים קרים יותר ובמקומות קרובים למקורות מתחדשים שלמים של אנרגיה דוגמת מתקנים הידרו-חשמליים.
איתורים מועדפים כיום כוללים את צפון-מערב האוקיאנוס השקט של ארה”ב וסקנדינביה. מפעילים גם נוטים לקבוע טמפרטורות הפעלה מרביות של הציוד כדי לחסוך בעלויות הקירור.
אולם, באותו הזמן כגון קביעת דרכים טובות יותר לטיפול בחום הבלתי רצוי, מפעילים מזהים את חשיבות הטיפול בסיבה: שיפור יעילות האנרגיה הכוללת של ציוד מרכז הנתונים כדי להקטין את עלויות ההפעלה ככל האפשר.

לטפל בסיבה כמו גם בתסמין
השינוי מתקדם בכל מקום, דרך שרתים, ספקי כוח ותוכנת ניהול מערכות, כדי לשפר את היעילות בכל נקודה. ראוי לציין, אמנם, שצריכת ההספק בשיא מוסיפה לגדול כדי לענות לדרישות של יכולות מחשוב משופרות. צריכת כרטיס שרת אופיינית עלתה ממאות ואטים אחדים עד 2 או 3 קילו-ואט, ועשויה להגיע ל-5 קילו-ואט או יותר בעתיד. כתוצאה, יש הבדל גובר בין ההספק המזערי של השרת בעומס קל ובהספק בעומס מלא. ארכיטקטורות של ביזור ההספק הופכות ליותר גמישות, כדי לשמור על יעילות מיטבית בכל תנאי ההפעלה.

לאמץ את ארכיטקטורת ההספק
איור 1 מראה ארכיטקטורת הספק מבוזרת אופיינית הכוללת ממיר AC/DC המספק מבוא של 48 וולט DC לממיר אפיק ביניים (Intermediate Bus Converter – IBC). ה-IBC מספק אפיק ביניים של 12 וולט המזין ממירי DC-DC של מתח נמוך בנקודה של עומס (point-of-load – POL) הממוקמים קרוב לרכיבים צורכי ההספק העיקריים על הכרטיס, כגון מעבדים, מערכות על שבב (System on Chips) או FPGAs. ניתן להשתמש ב-POLs מרובים כדי לספק ליבה, I/O ותחומי מתח אחרים. מוצא הקצה הסופי של 48 וולט dc ומתח אפיק הביניים של 12 וולט נבחרו כדי למזער הפסדי המרה כלפי מטה והפסדים יחסיים לזרם ומרחק כאשר מזינים כרטיסי שרתים אופייניים. אולם, בשל השינויים במתח הליבה, צריכת הזרם, הספק מרבי והבדל בין הספק בעומס מלא ועומס אפס, מתחים קבועים אלה הם פחות מתאימים לספק יעילות מרבית. היכולת לקבוע מתחים שונים ולשנות אותם דינמית בזמן אמיתי, מאפשרת למערכת להתאים בקביעות כדי לייטב את היעילות.

קבל פיקוד על PMBus
פרוטוקול PMBus מספק מסגרת בתקן תעשייתי לתקשורת עם ממירי ביניים ושל נקודת העומס קצה סופי להספק מחובר, הנבדק דיגיטלית (איור 2). בקר מארח יכול לנטר את מצב הממירים ולשלוח פקודות כדי לייטב את מתחי המבוא והמוצא ולנהל היבטים אחרים כגון הפעלה/ניתוק, להשאיר שוליים של מתח, ניהול כשלים, בקרת רצף, כיבוש ועקיבה.
בעוד מהנדסי המערכת מפתחים דרכים יעילות יותר כדי לנצל את מידת הבקרה שה-PMBus תורם, ארכיטקטורות הספק נהיות מוגדרות על-ידי תוכנה ועונות בזמן אמיתי כדי לייטב את היעילות. אחדות מהטכניקות החזקות ביותר לשם ייטוב היעילות כוללות ייטוב Dynamic Bus Voltage (DBV), Adaptive Voltage Scaling והפעלה מרובת ליבות לפי הדרישה.
DBV מספקת אמצעי להתאמת מתח אפיק הביניים בצורה דינמית כדי להתאים לתנאי עומס נפוצים. בדרישת רמות גבוהות יותר של הספק-שרת, הוראות ה-PMBus יכולות להורות על מתח מוצא גבוה יותר מה-IBC כדי להקטין את זרם המוצא ולכן למזער הפסדי ביזור.
AVS היא טכניקה המשמשת על-ידי מיקרו-מעבדים איכותיים מובילים כדי לייטב הן את מתח ההספקה והן את תדר השעון כדי להבטיח שדרישות העיבוד מסופקות תמיד בעזרת צריכת הזרם הנמוכה ביותר. AVS גם מאפשרת קיזוז אוטומטי של השפעות שינויי תהליך הסיליקון והשינויים בטמפרטורת הפעולה. כדי לתמוך ב-AVS, מפרט ה-PMBus שונה לאחרונה כדי להגדיר את ה-AVSBus, דבר המאפשר לממיר POL להשיב לדרישות של AVS מהמעבד המצורף.
הפעלה מרובת-ליבות לפי דרישה מספקת אמצעי להפעלה או הפחתת ההספק של ליבות פרטיות של מעבד מרובה-ליבות בתגובה לשינויים בעומס. ברור, ניתוק הליבות ללא שימוש בזמנים של עומס עיבוד נמוך יכול לסייע בצבירת חסכונות מהותיים באנרגיה.

טכניקות מסתגלות וחסכונות אפשריים
אלו הן התכונות המסתגלות הראשונות למימוש, כאשר מפתחי ספקי הכוח מתחילים לכלול ארכיטקטורות הספק מוגדרות בתוכנה. טכניקות חזקות מרובות נוספות צפויות להופיע, בתמיכה של ההגעה לשוק של ספקי כוח AC-DC של קצה סופי תואמי PMBus כגון ה-PSE-3000 ו-PSA-1100 של CUI וה-IBCs digitalוה-non-isolated DC-DC digital POLs של ®Novum.
ייטוב מתמיד של ארכיטקטורת המרת ההספק ומתחי האפיק יגרום לשיפורים בכל ממיר. בספק כוח הכולל ממיר AC/DC של קצה סופי בעל יעילות ממוצעת של 95%, IBC הפועל ב-93% ו-POL הפועל ב-88%, שיפור של רק 1% בכל שלב יכול להקטין את ההספק המבוזר מ-22% של הספק המבוא ל-19.6%. זה לא רק מציג הפחתה של 12% בהפסדי ההספק, אלא גם מקל על העומס במערכת הקירור של מרכז הנתונים ובכך יוצר חסכונות ביתר האנרגיה.

הצעד הבא: שיפור השימושיות באמצעות וירטואליזציה
להבין כיצד מרכזי נתונים משתמשים בהספק ולמנף את התוכנה כדי לספק ולנהל הספק זה הוא דרך אחרת לממש חסכונות משמעותיים באנרגיה. וירטואליזציה כזו של תשתית ההספק הופכת את ההספק למשאב גמיש ויכולה לשפר את השימוש בעד 50% בתוך עקבת ההספק הקיימת. דבר זה מצביע לא רק על יעילות משופרת במונחים של הספק נצרך אלא גם מונע את השימוש בהון לשם הבאת משאבים נוספים, בלתי נחוצים, במשחק. Virtual Power Systems, חברה המקדמת את ההספק המוגדר על-ידי תוכנה R, שיתפה פעולה לאחרונה עם CUI כדי להרחיב את פיתרון התוכנה שלה לתוך תחום החומרה בעזרת Control of Energy (ICE) Block אשר יחזק את ניהול מקורות ההספק בתוך מרכזי הנתונים ומערכות כלכליות דומות.

סיכום
האינטרנט של הכל יזין כמויות עצומות של נתונים בתוך הענן, אותם יש לעבד במהירות ולאכסן בשביל התייחסות מאוחרת יותר. בשעה שהביקוש למרכזי נתונים בענן עולה, יעילות האנרגיה הופכת לגורם בעל חשיבות עולה השולט על עלויות התפעול. ברמת הכרטיס, הפסד אנרגיה במהלך המרת ההספק יכול לקטון על-ידי התאמת מתחי האפיק כאשר תנאי העומס משתנים. ממירים תואמי PMBus מאפשרים לבקרה מבוססת על תוכנה להשיג הפחתה חשובה בהפסדים אלה. ברמת המערכת, הוירוטאליזציה דרך שילוב של חומרה ותוכנה מיוטבות תשפר בהרבה את השימוש במרכזי נתונים בשעה שהדרישות ליכולת מוסיפות לעלות.

Mark Adams, CUI, Inc.

תגובות סגורות