אזילת ההספק היא דאגה מתמדת עבור מפעילי מרכזי נתונים ותשתית דומה של IT ותקשורת. הקרב למען ייטוב העקבה תוך הגברת היכולות והאכסון הוא קרב ללא סוף. אולם, חוסר היעילות והשימוש המופחת בתשתיות ספקי כוח שוטפות המיועדות לענות לדרישות שיא ניתנים למניעה עתה תוך שימוש בשילוב של חומרה ותוכנה לשם הגברת העמסת ההספק וייטוב הקיבולת הזמינה. השימוש הנבון בהספק הזמין ניתן למימוש בעזרת כלי תוכנה המיעלים את השימוש ומזהים מטלות ראשוניות. ניתן אז להשלים את ההספק השימושי בעזרת אכסון סוללות לשם הספקת דרישות השיא תוך שימוש בהספק המאוכסן בתקופות של שימוש נמוך. בדומה, עומסי עבודה בעלי עדיפות נמוכה ניתנים להשמה לכונני שרתים המוזנים רק כאשר קיימת יכולת הספקה מספקת. בדרך זו, המערכת יכולה לענות לדרישת שיא תוך ניהול תפקידים אחרים לשם פיזור עומס ההספק.
בדרך דומה בה מרכזי נתונים מוגדרי תוכנה מאפשרים למשתמשים עצמאים לתפעל שירותים ועומסי עבודה תוך שניות, גישה זו להספק מוגדר על-ידי תוכנה ® משחררת את יכולת ההספק הנמצא בתת-שימוש והזמין בתוך מערכות קיימות. דבר זה מאפשר ליכולת עיבוד השרת והאכסון לגדול מבלי להעלות את יכולת ספק הכוח, ומשיג חסכונות בהון על-ידי אי-העמסה מיותרת של ההספק. יתר על כן, השימוש באכסון הסוללות כדי לספק הנמכת השיא ואיזון רמת העומס יכול לאפשר תפקודיות ה-UPS בתוך מרכז נתונים או כונן שרתים כדי להגן עליו בפני היעדר הספק.
כיצד להבין את “אתגר ההספק” של מרכז נתונים
הדרישה לשירותי נתוני ענן מוסיפה לגדול בשעה שעסקים וצרכנים פרטיים הופכים ליותר סומכים בנתונים מאוכסנים רחוק שניתנים לגישה מהאינטרנט כמעט מכל מקום. בנוסף, Cisco העריכה שהופעת האינטרנט של הדברים תגרום לכ-50 מיליון “דברים” מחוברים לאינטרנט עד 2020 כאשר המון חיישנים ובקרים מזינים בתים חכמים, משרדים, בתי-חרושת וכו’. בצירוף עם יישומים יותר מבוססים, התחזית לדרישה של יכולת רישות יומית מעל זטהבייט (1021 bytes) כבר ב-2018.
מילוי דרישות לשירותי ענן מוסיף לגדול כאשר דרישות הלקוח עשויות לגבור במהירות. בשעה שתעשיית ה-IT לוחצת לחיזוק מרכזי הנתונים, אחד המשאבים ההכרחיים ביותר הוא הספק. במקרים רבים יכולת ההספק של מרכזי נתונים קיימים אוזלת הרבה לפני שהם מנצלים עד תום את האכסון או העיבוד. שני הגורמים העיקריים של הגבלת יכולת הספק זו היו הצורך לספק יתירות של הספק והדרך בה ההספק מחולק בין מרכזי הנתונים, כאשר שניהם צורכים מקום משמעותי אך יותר חשוב, הם זונחים את מקורות ההספק ריקם. וזאת למרות העובדה שתכנוני שרתים שוטפים הם הרבה יותר יעילים בהספק מאשר הדורות הקודמים ויש להם צריכת הספק ריקם משמעותית נמוכה יותר.
הספקת יכולת הספק נוספת בתוך מרכז נתונים היא גם צורכת זמן וגם יקרה אף אם מניחים שהשירות המקומי יכול לספק את העומס הנוסף, אותו תחזיות ה-IDC עשויות להכפיל מ-GW 48 ב-2015 ל-96GW ב-2021 עבור מרכז נתונים אופייני. מבחינת צריכת ההון, כמתואר באיור 1, עלות תשתית ההספק והקירור של מרכז נתונים הוא משני רק לעלות השרתים שלו.
איור 1. עלויות מרכז נתונים מופחתות חודשית (מקור: בלוג של James Hamilton)
האופי של שירותי ענן גם פירושם שהדרישה עשויה להשתנות דרמטית עם הבדל משמעותי בין הספק השיא והממוצע הנצרך על-ידי כונן שרת. לכן, הספקת הספק המספיק לענות לדרישות עומס השיא תגרום בצורה ברורה לתת-שימוש של יכולת ההספק המותקן בזמנים אחרים. כמו כן, ספקי כוח המועמסים קל יהיו תמיד פחות יעילים מאשר אלה הפועלים בתנאי עומס מלא. ברור שיש לברך כל מידה שיכולה לאזן את עומס ההספק ולשחרר יכולת הספקה נוספת כאשר הדבר יאפשר למפעילים לספק דרישה של לקוח נוסף ללא הצורך להתקין יכולת הספק נוספת.
באשר לשיקולי יעילות,שרתים וכונני שרתים משתמשים בארכיטקטורות של הספק מבוזר בהן המרת ההספק מ-ac ל-dc מתחייבת ברמות שונות. לדוגמה, ניתן להזין כונן על-ידי ספק ac-dcהמספק פס הספק של 48 וולט dc. אזי, בשרת הפרטי או ברמת הכרטיס, ממיר פס אמצעי (intermediate bus converter – IBC) יפחית זאת עד 12 וולט dc תוך השארת ההמרה הסופית למתחים הנמוכים יותר הדרושים על-ידי ה-CPUs והתקנים נוספים, עד לנקודת העומס (point-of-load (POL) המעשית. ביזור זה של הספק במתחים גבוהים יותר מסייע ליעילות על-ידי מזעור הפסדי ההמרה כלפי מטה וגם מונע הפסדי ההספק ההתנגדותי בכבלים ועקבות של כרטיס במעגל, שהם יחסיים לזרם ולמרחק.
המעבר החדש ביותר לספקי כוח מבוקרים דיגיטלית אפשר הכנסת טכניקות של הספק מוגדר בתוכנה (Software Defined Power ®) שיכולות לנטר ולבקר את ההעמסה של כל ספקי הכוח. דבר זה מאפשר לשנות מתחי ביניים וסופיים כך ששלבי ההספקה השונים יוכלו לפעול תמיד ביעילות הגבוהה ביותר. למרות זאת, שיפורי המשך בביצועי החומרה משיגים את הגבולות שלהם ויש צורך בפתרונות אחרים.
הבעיה עם אספקת הספק של מרכזי נתונים קיימים
ארכיטקטורות מסורתיות של ספקי כוח במרכזי נתונים מתוכננות כדי לספק זמינות גבוהה תוך שימוש ביתירות האספקה כדי להתמודד עם עומסי עבודה של תהליכים קריטיים למשימה. דבר זה מוצג באיור 2, המראה תצורת 2N המספקת את דרישות היתירות של 100% המצופות ממרכז נתונים נדבך 3 או נדבך 4. כמו שניתן לראות, עבור שרת דו-תילי הדבר מספק ניתוב הספק עצמאי מספקי שרותים נפרדים או מחוללי גיבוי בעלי הגנה נוספת של ספקי כוח ביניים רצופים בעלי יתירות. אפילו לשרתים חד-תילים יש הביטחון של מחולל גיבוי וספקי כוח ללא-הפסקה (uninterruptible power supplies – UPS).
אולם, קשורה בגישה זו היא ההנחה השגויה בד”כ שכל השרתים משרתים תפקידים קריטיים למשימה וההעמסה לכל אחד (ולכן דרישת ההספק) היא שווה. במציאות עד 30% מהשרתים יוכלו לטפל במשימות פיתוח או בדיקה כלומר מחצית ההספק המוקדש להם איננו דרוש במציאות, כלומר כ-15% מיכולת ההספק של מרכז הנתונים מנותקת מלשמש במקום אחר.
איור 2. ארכיטקטורת הספק 2N ביתירות של 100% עבור מרכז נתונים נדבך 3/4
הסוגיה האחרת היא שעל-פי הסכם, יכולת האספקה מיועדת לספק מספיק הספק לשם שימוש שיא ב-CPU. ההשתנות בצריכת הספק השרת ניתנת לדגימה על-ידי המשוואה הליניארית הבאה:
כאשר Pidle היא הספק השרת הנצרך בסרק ו-u הוא השימוש ב-CPU.
עם הטכנולוגיה החדשה המספקת צריכת סרק נמוכה יותר, ההפרש בין סרק והספק מלא הופך אף ליותר משמעותי. הרחבה זו הופכת ליותר גדולה עדיין ברמת הכונן, והופכת את תכנון יכולת ההספק המבוססת על שימוש משוער ב-CPU למאתגר מאוד. יתר על כן, סוג עומס העבודה מגדיל את השוני בצריכת ההספק. לדוגמה, Google מצאה שהיחס בין הספק ממוצע והספק שיא נצפה עבור שרתים המטפלים בדואר של הרשת היה 89.9% בעוד פעילות הרשת במחקר גרמה ליחס נמוך הרבה יותר של 72.7%. כך שהזנת יכולת ההספק של מרכז הנתונים על בסיס יחס המחקר של הרשת עשויה לגרום לתת-שימוש של עד 17%.
לרוע המזל, זה לא נגמר כאן. החשש הוא ששיאים מעשיים עשויים לעבור על אלה שדוגמו מקודם, תוך העמסת-יתר של מערכת ההספקה וגרימת הפסקות הספק. דבר זה גורם למתכננים להוסיף יכולת נוספת כדי לספק חורץ ביטחון. לכן אין זה מפתיע למצוא שהשימוש הממוצע במרכזי נתונים בעולם הוא פחות מ-40% רק על-ידי חישוב של דגימת הצריכה המרבית ובנוסף החריצה הנוספת – ונתון זה נופל עוד יותר כאשר כוללים את שיקולי היתירות.
פתיחת יכולת ספק הכוח התת-מנוצלת
סוגיית צריכת הספק השיא לעומת הממוצע שנדונה לעיל נועלת בבירור יכולת הספק משמעותית. כאשר השיא קורה בזמנים צפויים ובעלי משך זמן ארוך יחסית, מרכזי הנתונים משתמשים לרוב ביכולות ההזנה של ההספק המקומי כדי להשלים את הספקת השרות שלהם, בדומה לאופן בו חברות השירותים מעלים ומפחיתים את יכולת היצור שלהם במהלך היום כדי לענות לדרישות הצפויות של הצרכנים והעסקים.
לרוע המזל, השימוש במערכי יייצור אינו עונה לבעיה של שיאים הנוצרים משימוש יותר דינמי ב-CPU מאשר מאופיין על-ידי יחס הספק השיא לממוצע גבוה יותר, שהוא בעל משך קצר יותר וקורה בתדירות גבוהה יותר. הפיתרון לכך הוא לספק אכסון הספק על-ידי סוללה. העיקרון כאן פשוט, הסוללות מספקות הספק כאשר הדרישה בשיאה והן נטענות במהלך התקופות של שימוש נמוך יותר. גישה זו, המכונה גילוח שיא (peak shaving) מוצגת באיור 3, המראה כיצד כונן שרתים שידרוש בד”כ 16 קילוואט יכול לפעול עם 8-10 קילו-ואט של הספק ספק. אכן, אם הספק השרת מוגבל, ניתן להזין את העברת ההספק מ-8 קילו-ואט ל-10 קילו-ואט על-ידי הספק המיוצר מקומית, תוך שמירת הספקת השירות לרמה קבועה של 8 קילו-ואט.
איור 3, על-ידי יצירת פרופיל של דרישת הספק ושימוש באכסון סוללות אפשר לנהל דרישת שיא תוך שימוש בהספק המאוחסן במהלך תקופות השימוש הנמוך
ייטוב באמצעות יתירות דינמית
ההנחה המוטעית, שצוינה לעיל, שכל השרתים במרכזי הנתונים בנדבך 3/4 מטפלים בעבודות קריטיות למשימה ניתנת לשיקול על-ידי הצבת תפקידים לא-קריטיים לכונני שרתים ספציפיים בעלי עדיפות נמוכה. דבר זה מאפשר יכולת נוספת של השרת להיות מותקן במרכז הנתונים עד לגבול המוגדר על-ידי העומס הלא-קריטי המרבי. כך, לדוגמה, אם מרכז נתונים שלם בו עומס של 400 קילו-ואט עבור כל הכוננים דורש ספקים כפולים של 400 קילו-ואט כדי לספק יתירות של 100%, היה אפשר לספק כונני שרתים בעלי עדיפות נמוכה נוספים כדי לשרת אולי עד 100 קילו-ואט של עומס עבודה לא-קריטי. לכן במקרה שאחד מספקי ה-400 קילו-ואט כושל, הכוח מופסק לכונני השרתים בעלי עדיפות נמוכה כדי להבטיח שהכוננים הקריטיים למשימה מקבלים כוח מלא מהספק החילופי של 400 קילו-ואט.
שימוש חכם בניהול העומס בדרך זו עשוי לשחרר את יכולת ההספקה היתירה, שאיננה בעלת ערך מוסף, כדי לספק גידול משמעותי ביכולת העבודה של מרכז הנתונים – במקרה זה תוך תוספת של 25% ללא צורך בהספקת הספק נוסף. שוב, פיתרון משולב בתוכנה ובחומרה יכול לספק ניהול דינמי זה של הספק, תוך ניטור וגילוי שיבוש בהספקה ומיתוג מידי של הספק החילופי כדי להבטיח פעולה רציפה של כונני השרתים הקריטיים למשימה.
פיתרון הבקרה החכמה של אנרגיה (Intelligent Control of Energy – ICE®)
CUI שיתפה פעולה עם Virtual Power Systems כדי להנהיג את המושג של גילוח שיא בפיתרון Software Defined Power® עבור מערכות IT. מערכת ה-Intelligent Control of Energy (ICE®) משתמשת בשילוב של חומרה ותוכנה כדי לרבות את השימוש ביכולת ולייטב ביצועים. החומרה כוללת מודולים שונים, כולל אכסון סוללות המותקן בכונן ויחידות מיתוג, שניתן למקם בנקודות בקרת הספק שונות במרכז הנתונים כדי לתמוך בהחלטות בתוכנה על מקור ההספק. תוכנת ה-ICE מורכבת ממערכת הפעלה האוספת נתוני טלמטריה מה-ICE וחומרת תשתית אחרת כדי לאפשר בקרה בזמן-אמת תוך שימוש באלגוריתמי ייטוב ההספק.
איור 4. חומרת ICE מורכבת בכונן של CUI עבור מיתוג הספק חכם ואכסון סוללה
כדי לתאר את יתרונות המערכת, איור 5 מציג ניסוי של מערכת ICE במרכז נתונים בעל נדבך עליון. הניסוי הראה את היכולת לשחרר 16 מגה-ואט של הספק מהיכולת המותקנת של 80 מגה-ואט. יתר על כן, הוצאת ההון בהוספת ה-ICE איננה רק רבע מהעלות שהייתה נרשמת תוך התקנת יכולת הספקה נוספת של 16 מגה-ואט אלא גם הזמן הדרוש היה שבריר והוצאות ההפעלה השוטפת מוקטנות.
איור 5. הצעת הערך של התקנת ICE כדי לפתוח יכולת הספק בלתי-מנוצלת
מסקנה
הרחבת היכולת של מרכזי נתונים לטפל בדרישה הגוברת של מחשוב ענן ואכסון נתונים עשויה לעתים קרובות להיות מוגבלת על-ידי ההספק המצוי. לעתים זה עשוי להוות מגבלה של הספקת השירות באתר מסוים אך, גם אם הוא איננו כזה, היכולת של הוספת כונני שרתים נוספים עשויה להיות מוגבלת על-ידי ההספק הקיים ותשתית הקירור. הספקת יכולת הספק נוספת היא יקרה, שנייה רק לעלות של הוספת שרתים, כך שיש לברך על כל אמצעי לשפר את השימוש של מקורות הספק קיימים.
באמצעות פיתרון ה-Intelligent Control of Energy (ICE®), Virtual Power Systems, בשיתוף עם CUI,מספקת יכולת ניהול הספק מלאה עבור מרכזי נתונים ויישומי תשתית רשת ו-IT דומים. היא ממרבת את השימוש בשירותים דרך גילוח שיא ומשחררת יכולת נוספת ממערכות שהן לא קריטיות למשימה במלואן. חשוב, מודולי מיתוג ההספק ואכסון הסוללות Li-ion ניתנים לפריסה מידית במתקני מרכזי נתונים קיימים וחדשים עם הפחתה דרמטית בעלות הכוללת של בעלות, עד 50%.
לקבלת מידע נוסף על פלטפורמת ICE®, בקרו ב- www.cui.com/sdp-infrastructure-solutions.
Mark Adams – Senior Vice President, CUI Inc.
ל-Mark Adams מעל 25 שנות ניסיון בתעשייה והוא תרם רבות לארגון מחדש של מבנה השיווק של CUI.
