Энергосбережение в компьютерном мире. Часть 1 — основные тенденции

Введение

В 2008 году число используемых во всем мире ПК превысило 1 миллиард, и, по прогнозам специалистов, к 2014 году это число удвоится. Как известно, многие миллиарды долларов в год пропадают впустую из-за потерь электроэнергии за счет неэффективных источников питания личных и домашних электронных приборов, многие из которых продолжают использовать энергию даже тогда, когда они выключены, но не отсоединены от сети: «вокруг нас находятся настоящие электронные вампиры, которые высасывают электричество день и ночь».

Согласно прогнозу Минэкономразвития России, суммарный дефицит энергетических мощностей в России к 2010 году составит 14 ГВт, а стоимость электроэнергии в ближайшее десятилетие будет только расти. Этот факт наряду с глобальным экономическим кризисом заставляют производителей в сфере ИТ пересматривать один из пунктов эффективности ведения бизнеса — его энергоемкость.

«... Энергоемкость экономики России в 2,3 раза выше, чем в среднем в мире. Около 40-45% текущего объема потребления энергии — это потенциал энергосбережения в нашей стране.» (Из выступления В.В. Путина на совещании по вопросам реформирования электроэнергетики в Министерстве энергетики Российской Федерации 18 июля 2008 года.)

Из-за удорожания электроэнергии и ужесточения экологических стандартов на энергетическое и радиационное загрязнение среды на самых емких рынках развитых стран, сегодня все производители переходят на технологии уменьшения потребления электроэнергии и ПК, и периферией, особенно в моменты простоя и ожидания. Это касается и мониторов, и принтеров, и всяческой бытовой техники. Вряд ли кого-то удивит сегодня факт автоматического регулирования телевизором собственной яркости в зависимости от окружающего освещения или самостоятельного переключения в ждущий режим, если хозяин вышел из комнаты или уснул.

Уровень энергопотребления становится важным фактором при покупке аппаратуры. Все большее число потребителей приобретает продукцию, совместимую с последним стандартом Energy Star® V. 4.0. Например, при полной загрузке сервера TX120 (Fujitsu Siemens), имеющего сертификат Energy Star® V. 4.0, максимальный объем потребляемой электроэнергии составит всего 165 Ватт. При среднеевропейских ценах на электроэнергию сервер TX120 позволит потребителю сократить расходы на электроэнергию примерно на 150 евро в год без учета уменьшения расходов на кондиционирование помещения.

Присоединившиеся к инициативе CSCI (Climate Savers Computing Initiative) компании работают над тем, чтобы в 2010 году потребление компьютерами электроэнергии в мировом масштабе сократилось вдвое. Инициатива позволит сократить ежегодные выбросы углекислого газа на объем, равный годовому выхлопу 11 млн автомобилей. К CSCI уже присоединились Apple, Dell, Google, HP, Intel, Lenovo, Microsoft и множество других компаний.

Охватить весь круг многофакторных вопросов энергосбережения в коротком обзоре практически нереально из-за его многогранности. Кроме того, энергосбережение неотделимо сегодня от прогресса в разработке новых технологий «железа», новых технологий ПО, новых технологий организации ИТ-процесса и т.д. И накрывает все общий шатер экологических требований. Поэтому ограничимся только конечным потребителем ИТ-рынка и условно разобьем его (рынок) на ряд сегментов: центры обработки данных (ЦОД), корпоративные пользователи, серверы, ПК. Согласно этому разбиению перечислим ниже ряд интересующих нас фактов и завершим все упоминанием пары перспективных технологий, которые уже на подходе или должны прийти в будущем.

Энергосбережение в центрах обработки данных (ЦОД) или дата-центрах

В России, по ряду экспертных оценок, на строительство и дальнейшую эксплуатацию крупного data-центра в течение пяти лет может уходить до 15 и более миллионов долларов. Цена подключения data -центра к сети в мегаполисах практически равна стоимости строительства самого вычислительного комплекса. Сегодня на Москву и Санкт-Петербург приходится, ориентировочно, от 80 до 90% data-центров. В бюджете ЦОД российских компаний на первом месте традиционно стоят расходы на поддержку, то есть, по сути, на оплату работы персонала (более 40%, по данным опроса СNews Analytics). Расходы на оплату электроэнергии обычно занимают вторую строку. По разным оценкам, это 20-25%.

Источники в Интернете предлагают и анализируют ряд путей снижения энергозатрат как в масштабах одного ЦОД так и по стране:

• Применение эффективных систем кондиционирования и охлаждения ЦОД, например, систем свободного охлаждения. Они ощутимо дороже стандартных решений и имеют большие габариты, но за счет «холодных» месяцев (до полугода) в разы снижают потребление электроэнергии, а потому довольно быстро окупаются.

Системы свободного охлаждения приводят к  уменьшению расходов на электроэнергию

• Оптимизация количества единиц техники. Это снижает потребляемое электричество и уменьшает количество выделяемого тепла, что напрямую связано с инженерной инфраструктурой, как наиболее энергоемкой и критичной системой для обеспечения бесперебойной работы всего оборудования в ЦОД.
• Перенос ЦОД из мегаполисов в регионы.
• Применение технологии виртуализации. Данная технология позволяет значительно снижать затраты на оборудование и ПО ЦОД, повышать коэффициент загрузки серверов, получать большую степень доступности, а также существенно уменьшает энергопотребление.
• Использование солнечных батарей в качестве дополнительного и экологически чистого источника энергии.



Системы солнечных батарей

• Предоставление соответствующих услуг компаниям (аутсорсинг), не способным или не желающим тратить деньги на собственные data-центры. Услуги по размещению данных и информационных систем на мощностях уже существующих ЦОД стали пользоваться устойчивым спросом: во-первых, из-за возможности передачи всех рисков связанных с размещением и поддержкой ИТ-оборудования сервис-провайдеру; во-вторых, благодаря возможности исходить из того, где фактически сосредоточен бизнес, где идут информационные потоки, а также, где дешевле. Все в совокупности приводит к значительной оптимизации ИТ-расходов и в корпоративных масштабах и в масштабах страны.  Например, в США ожидают за счет развития аутсорсинга сэкономить до 40% электроэнергии.

Энергосбережение на серверах

Blade-серверы — это ближайшее будущее традиционных серверных технологий. С одной стороны, blade-серверы — альтернатива решениям на базе разрозненных серверов начального и среднего уровня, с другой — дорогостоящим многопроцессорным серверам с симметричной архитектурой. Как правило, blade-серверы отличаются высокой эффективностью энергосбережения.

Шасси блэйд-сервера. Вид спереди

В новых системах используются новейшие микропроцессоры AMD и Intel с низким напряжением питания, а также реализована инновационная технология хранения для blade-серверов на базе устройств флэш-памяти с низким энергопотреблением.

Практически все Blade-решения имеют собственные интеллектуальные системы управления охлаждением и питанием, что позволяет оптимизировать затраты на них в зависимости от потребностей. Помимо значительной экономии электроэнергии (до 20%), ограничения тепловыделения и потребности в системе охлаждения (т.е. сокращения долгосрочных расходов на эксплуатацию), данный подход существенно экономит время ИТ-персонала и, таким образом, снижает совокупную стоимость владения.

В последние годы такие производители как HP, IBM, Sun, Intel, AMD и другие интенсивно вкладывают деньги в использование энергосберегающих технологий, что вместе с технологией виртуализации серверов дает ощутимую экономию электроэнергии.

Виртуализация серверов – возможность одному компьютеру выполнять работу нескольких. Выигрыш достигается за счет более эффективного использования вычислительных ресурсов; уменьшения количества оборудования при увеличении производительности; снижения расходов на поддержку ИТ; снижение энергозатрат:

Выгода от виртуализации

По данным IBM, при стандартном классическом использовании серверов, эффективность использования процессоров у мэйнфрэйм (mainframe) составляет около 55%, Unix ~ 25%, x86 ~ 10%. В случае x86, при увеличении числа процессоров, доля времени использования каждого процессора становится еще меньше. Виртуализация и новые аппаратные решения позволяют повысить загрузку x86 серверов до 50-70%.

Корпоративный сектор, ПК

В конце января 2008 года создатель Linux Линус Торвальдс заявил, что ядро этой операционной системы несколько лет отставало в области энергосберегающих и энергодиагностирующих технологий, но теперь сделан шаг к их реализации: скоро системы на базе Linux научатся «засыпать» так же эффективно, как и Windows-системы.

Сегодня в США и Европе широко пропагандируется способ энергосбережения, называемый ecobutton и представляющий собой большую круглую зеленую кнопку, нажатие которой переводит компьютер в режим энергосбережения (hibernating). Все последние версии Windows имеют энергосберегающие функции и умеют мгновенно «усыплять» и «будить» компьютер. Другое дело — что большая зеленая кнопка заметней, а ее создатели рекомендуют нажимать на нее даже уходя на короткий перекур.

Эта кнопка открывает окно в зеленый мир

«По расчетам создателей устройства, в мире сейчас порядка миллиарда компьютеров. Они ежегодно потребляют электроэнергии на многие миллиарды долларов. Чтобы произвести все это электричество, требуется выбросить в атмосферу сотни миллионов тонн углекислого газа. Массовое нажатие на ecobutton позволит значительно отсрочить глобальное потепление.»

Еще в 2007 году в США 60% компьютеров оставлялись включенными на ночь. И если корпоративная Америка насчитывала на это время около 100 млн компьютеров, значит 60 млн из них оставались включенными. И если половина из них переводилась в режим сна, то оставалось еще 30 млн бодрствующих ночью ПК. Это привело к потере около $2 млрд за год. Выход был найден в реализации программного обеспечения, которое позволяло системным администраторам переводить в состояние сна все компьютеры сети. Один из швейцарских банков только таким образом сэкономил за год около $4 млн. По расценкам США, на один ПК это составляет  экономию от $25 до $70 в год.

Это красиво. Но очень дорого!

Несколько работающих примеров энергосберегающих технологий ПК

1. Фирма Foxconn задействовала три направления в решении энергосбережения, объединенные общим названием 3G (три «зеленые» технологии): GoD (Green on Demand), GPS (Green Power Saving) и GSM (Green System Mode). Технология Green on Demand обеспечивает экономию 20,5% электроэнергии по сравнению со стандартными системами за счет отключения ненужных в данный момент линий питания процессора в периоды его простоя или сниженной нагрузки. Технология Green Power Saving снижает энергопотребление в дежурном режиме до 99,4% (с 8,1 до 0,05 Вт). GSM является инструментом автоматизированной настройки системы на сниженное энергопотребление. Foxconn иллюстрирует эффективность своих технологий следующим примером: ПК с поддержкой технологий энергосбережения 3G, находящийся 20 часов в дежурном режиме, два часа работающий под высокой нагрузкой и два часа простаивающий, экономит 85% энергии. По данным Foxconn, в среднем компьютеры находятся 15 часов в дежурном режиме и шесть часов в режиме простоя. Если бы все эти компьютеры были оснащены средствами энергосбережения Foxconn, то мировая экономия электроэнергии составила бы около 130 млрд кВт/ч.
2. Энергосберегающие функции сетевого фильтра GreenPower MDP 900 от Monster Cable позволяют экономить существенное количество энергии, когда подключенные приборы уходят в режим standby. Наиболее полезно это устройство в сочетании с настольным компьютером. Когда компьютер переключается в спящий режим, MDP 900 автоматически отключает от сети все периферийные устройства, такие как принтер или монитор, а когда компьютер выходит из спящего режима, подключает их обратно. По мнению создателей, устройство может снизить затраты на электроэнергию (США) на $130 в год, то есть на цену самого сетевого фильтра.
3. Мощная современная видеокарта под полной нагрузкой требует столько же энергии, сколько остальные комплектующие ПК вместе взятые: от 110 до 270 Вт. Поэтому производители приступили к выпуску интеллектуальных видеокарт с управлением потребления электроэнергии в зависимости от нагрузки.

Несколько фактов о технологиях стоящих уже на пороге

1. Интригующим стало недавнее сообщение о прорыве в новых магнитооптических технологиях хранения данных, что может привести к появлению накопителей высокой емкости, которые будут работать на скоростях в тысячи раз превышающих существующие, и имеющих при этом более высокую надежность и низкую энергоемкость. С дешевыми пикосекундными лазерами такие гибридные устройства смогут достичь скорости в 1 Терабит/сек, в то время как самые скоростные современные винчестеры могут достигать скорости передачи данных около 1 Гбита в секунду, твердотельные флэшки — 2-3 Гбит/сек. В случае перехода к более короткоимпульсным фемтосекундным лазерам, цифры становятся фантастическими –  100 Тбит/сек.
2. На основе принципов, открытых физиками Массачусетского технологического института, исследователи Intel разрабатывают технологию беспроводного электропитания Wireless Resonant Energy Link (WREL).
3. Весьма перспективным направлением развития электронных дисплеев могут стать устройства, позволяющие при помощи лазерного луча малой мощности проецировать изображение непосредственно на сетчатку глаза.
4. Особо интенсивный поиск «наследника кремния» ведется среди наноструктур на основе углерода: фуллерены, углеродные нанотрубки, наноспирали, нанопровода и прочие. Так, электроны в графене, например, перемещаются гораздо быстрее, чем в кремнии и благодаря этому можно свести токи утечки к минимуму, которые и ограничивают уменьшение энергозатрат процессорами.
5. Среди традиционных подходов можно назвать создание китайским ученым Вэйсяо Хуан (Weixiao Huang) первого в мире транзистора на основе нитрида галлия GaN. По своим характеристикам транзистор значительно превосходит используемые сегодня кремниевые аналоги и может работать в самых экстремальных условиях. Разработанная Хуаном технология позволяет интегрировать на один чип несколько функций, что невозможно осуществить, используя кремний. Поэтому, переход с кремниевых транзисторов на GaN-транзисторы мог бы позволить значительно упростить электронные схемы. Кроме того, замена кремниевых транзисторов на аналогичные, но выполненные на основе нитрида галлия, позволит существенно уменьшить энергопотребление.
6. Одними из самых перспективных являются оптические технологии. Наряду с множеством преимуществ, благодаря тому, что в качестве носителей информации используются фотоны, а не электроны, информация, которая закодирована оптическим лучом, может передаваться с микроскопическими затратами энергии.

Оптические технологии в вычислительной технике пока еще применяются, в основном, в двух сферах — в сетевой, где для создания магистральных каналов используются волоконно-оптические линии связи, а также в соединительных узлах суперкомпьютеров, где необходима сверхбыстрая передача очень больших объемов данных.

Еще в 2003 году компания Lenslet (Израиль) создала первый в мире оптический процессор. Процессор назывался EnLight256, его производительность составляет 8 тераоп (триллионов арифметических операций в секунду). Высокая производительность достигнута за счет манипуляции потоков света, а не электронов. Оптические технологии пока еще ориентированы на промышленное производство, военную технику – там, где нужно в реальном времени обрабатывать большие потоки информации, где промедление в несколько сотых секунд может закончиться непоправимыми последствиями. Куда продвинулась данная компания можно только догадываться.

Появился прогресс и в создании гибридных оптических чипов. Исследователи компании Intel представили кремниевый чип, преобразовывающий электрические сигналы в оптические с рекордной скоростью 200 Гбит/секунду. Технический директор Intel Джастин Раттнер недавно сообщил, что, по его прогнозам, первые оптические чипы от Intel появятся на рынке уже через 2 года. При этом, в планах компании — использовать оптику не только в серверах и вычислительных центрах, но и на компьютерах обычных пользователей.

К 2012 году компания IBM намерена производить оптические процессоры, которые будут умещаться в ноутбуках, но по производительности будут сравнимы с современными многопроцессорными серверами. Новые процессоры будут экономичны и не будут подвержены перегреву.

И, в заключении, несколько слов о будущем. Сегодня физики разных стран разрабатывают квантовые вычислительные системы, которые по своей вычислительной мощности в миллионы раз превзойдут современные компьютеры. Энергозатраты у квантовых компьютеров на единицу обработанной информации ожидаются быть мизерными. Сроки появления коммерческих квантовых компьютеров оценены в 40-50 лет.

Сергей Шумейко
12/02.2008

Источник: hwp.ru

Статьи не найдены.