Aktuální vydání

celé číslo

08

2022

MSV 2022

Projektování, konstruování a programování automatizačních a řídicích systémů

celé číslo

Informační a komunikační technika musí snížit svou energetickou náročnost

Článek upozorňuje na nezbytnost dosáhnout v blízké době významného nárůstu energetické účinnosti výpočetní a komunikační techniky i celých datových center. Stručně informuje o projektu Evropské unie FIT4Green zaměřeném na tuto oblast.
 
V současné době je celospolečensky věnována velká pozornost oteplování zemského klimatu a v té souvislosti je vyvíjen značný tlak na snižování emisí oxidu uhličitého (CO2). Velmi důležitým ukazatelem je přitom úspora elektrické energie. Při běžné skladbě zdrojů se totiž na každou jednotlivou vyrobenou kilowatthodinu elektrické energie vypustí do ovzduší asi 0,63 kg CO2. Velké možnosti při řešení problémů s energií nabízejí informatika a komunikační technika, při jejichž inteligentním použití lze energii účinněji než dosud vyrábět, dopravovat, distribuovat i používat. Například videokonference, elektronický obchod nebo elektronická pošta, typické vymoženosti vytvořené oborem informatika komunikací, přispěly ke snížení spotřeby energie a emisí CO2 v dopravě tím, že umožňují minimalizovat cesty za obchodními partnery.
 
Obor informatiky a komunikační techniky je ale naproti tomu sám také velkým konzumentem energie, a tudíž znečišťovatelem životního prostředí.
 
Podle Mezinárodní agentury pro energii (IEA) jdou na vrub informatiky a komunikací asi 2 % globálních emisí CO2 uvolňovaných do vzduší v důsledku výroby elektřiny potřebné pro provoz asi tří miliard stolních PC a notebooků a více než 500 milionů ústředních počítačů, které se nyní ve světě používají a mají dohromady příkon větší než jedna miliarda kilowattů (1 TW), tj. asi stejné množství CO2, jaké v současnosti ročně vyprodukuje světová letecká doprava. Z toho asi 1,75 procentního bodu je důsledkem přímého používání produktů a služeb informatiky a komunikační techniky a 0,25 procentního bodu pochází z výroby příslušných prostředků (např. při výrobě jednoho notebooku se dostává do ovzduší asi 600 kg CO2). Obor informatiky a komunikací musí proto urychleně nalézt cesty, jak do budoucna energetickou náročnost svých produktů i své produkce radikálně snížit, aby nepřekračovaly mez přijatelnou pro trvale udržitelný rozvoj.
 

Prvořadý úkol: zvýšit energetickou účinnost

 
Zejména díky internetu, který se stal neustále rostoucí celosvětovou multimediální komunikační základnou, vzrostla intenzita datového provozu v sítích za posledních patnáct let na více než dvojnásobek. Digitalizace televize, stahování hudby, filmů a her a nové internetové služby jako video na přání (VoD), internetová telefonie (VoIP) nebo videosemináře a videokonference nejenom vedly k nárůstu datového provozu, ale ovlivnily také výrazně spotřebu elektrického proudu. Zejména v důsledku intenzivnějšího používání koncových přístrojů jako PC, monitorů a televizorů, ale také většího zatížení datových center a telekomunikačních sítí. Stále větší nabídka aktuálních informací a cílené vyhledávání obsahu na webu vyžadují současně růst počtu a výkonnosti serverů v datových centrech i dalších komponent potřebných při rozšiřování počítačových sítí. Odborníci odhadují, že jen v celosvětové vyhledávací síti Google je dnes zapojeno na 400 000 serverů a k vyhledání odpovědi na každý jednotlivý dotaz se spotřebuje přibližně takové množství energie, jaké spotřebuje jeden úsporný zdroj světla (zářivka) za půl hodiny provozu.
 
Protože trend růstu v budoucnosti nepoleví, odborníci naléhavě vyzývají k výraznému zlepšení energetické účinnosti v oblasti informační a komunikační techniky, kde vidí velké rezervy jak u výrobců a provozovatelů datových sítí, tak i u konečných uživatelů. Výrobci musí snížit spotřebu stolních PC nejméně na úroveň současných notebooků a důsledně používat úsporné komponenty jako např. procesory s pokročilou správou napájení a s malou spotřebou v pohotovostním režimu, polovodičové disky (SSD) atd. Počítače musí nabízet v diferencovaných sestavách a energetických třídách pro různé kategorie použití tak, aby se uživatelé mohli při výběru počítače rozhodovat podle účelu, k němuž jim má sloužit. Je tomu tak proto, že je velký rozdíl v požadavcích na výkonnost, a tedy i ve spotřebě energie mezi počítači pro běžné kancelářské použití a surfování na internetu (kterých je převážná většina) a počítači pro profesionální použití např. při grafické tvorbě (i např. her ve virtuální realitě), projektování či k náročným simulacím apod. Výrazně bude třeba také urychlit nahrazování současných PC počítači s redukovaným vybavením v provedení tzv. tenkých klientů (thin client). Zatímco příkon standardního PC je v průměru 85 W, spokojí se počítač s redukovaným vybavením včetně serveru s příkonem jen 40 až 50 W. Je to dáno tím, že počítače s redukovanou výbavou nezpracovávají a neukládají data do paměti samy, což spotřebuje relativně hodně energie, ale svěřují tyto úkony výkonnému počítači v síti (grid computing). Jejich použití podporuje zejména nový, rychle se prosazující model cloud computing, který lze stručně charakterizovat jako sdílení hardwaru i softwaru prostřednictvím sítě. V podstatě jde o poskytování služeb nebo programů uložených na serverech na internetu, ke kterým mohou uživatelé přistupovat odkudkoliv např. při použití webového prohlížeče, přičemž neplatí za vlastní software, ale jen za jeho skutečné použití a poskytnuté služby.
 

Spotřeba energie v datových centrech rychle roste

 
Vážným problémem se stává stále rostoucí spotřeba elektrické energie v datových centrech (DC), která jsou uzlovými body na komunikačních trasách moderní informační společnosti. Podle průzkumu uskutečněného organizací LBNL (Lawrence Berkeley National Laboratory) se roční objem energie spotřebovávané servery a datovými centry ve světě mezi roky 2000 a 2005 zdvojnásobil [2]. V posledních několika letech rostla tato spotřeba v průměru o více než 16 % ročně a očekává se, že v roce 2010 překročí hodnotu 200 000 GW·h. Příčinou je jak samotný rychlý růst počtu a kapacity datových center, tak i jejich často velmi neefektivní provozování. V současnosti je v typickém datovém centru spotřebováno samotnou výpočetní a komunikační technikou (servery, archivace dat, komunikace) běžně pouze 30 % celkové spotřeby energie, zatímco 70 % energie spotřebovávají infrastruktura a pomocné vybavení datového centra (chlazení, UPS, klimatizace, rozvody energie, osvětlení – viz obr. 1). Také nedávná analýza nákladů, kterou provedl největší britský internetový obchod Amazon ve svém datovém centru, ukázala, že zatímco provoz serverů tohoto giganta elektronického obchodu se na celkových nákladech podílí 53 %, na výdaje za energii připadá 42 % [5].
 
Pro objektivní a měřitelné posuzování efektivity provozu datového centra je velmi vhodný ukazatel efektivity využití elektrické energie PUE (Power Usage Effectiveness), definovaný konsorciem Green Grid [3] jako poměr celkového odběru energie pro provoz datového centra a odběru energie pro instalovanou výpočetní a komunikační techniku. Ve starších datových centrech má ukazatel PUE hodnotu zpravidla větší než 2,5, což znamená, že podíl výpočetní techniky na celkové spotřebě energie je menší než 40 %, tj. z každého kilowattu celkového příkonu datového centra připadá na výpočetní techniku méně než 400 W. Provozovatelé datových center by se měli podle odborníků snažit dosáhnout hodnoty PUE menší než dvě a co nejvíce se přiblížit k ideálnímu stavu PUE = 1 [4]. V nejmodernějších datových centrech se hodnota PUE pohybuje obvykle v hodnotách od 1,3 do 1,7 (77 až 58 % spotřeby připadá na výpočetní techniku).
 
Snížením spotřeby elektřiny i jen o několik procent lze dosáhnout výrazné redukce jak množství CO2 vznikajícího při její výrobě, tak i finančních nákladů na provoz datového centra. Některá opatření pro snížení spotřeby energie lze přitom realizovat poměrně snadno. Ukazuje se např. že v současných, převážně bezobslužných datových centrech není nutné stabilizovat teplotu prostředí na 20 °C, jak je nyní běžné, protože servery i úložiště dat pracují bez problémů i při teplotách okolo 30 °C. Lze tudíž ušetřit až 30 % z elektrické energie v současnosti používané ke chlazení. K optimalizaci spotřeby energie může přispět i větší vytížení serverů použitím virtualizace nebo soustředění kapacit serverů do velkých středisek. Mnoho podniků totiž provozuje ještě relativně malé servery ve vlastní režii, což je méně hospodárné.
 

Projekt FIT4Green má zelenou

 
Účelným řešením problémů spojených s hospodárným využíváním energie jsou modulární datová centra s efektivním programovým řízením spotřeby elektrické energie podle aktuální potřeby. Jedno z možných řešení podporuje Evropská unie v rámci mezinárodního projektu FIT4Green s názvem Federated IT for a sustainable environmental impact (Udržitelná energetická účinnost v sítích IT), v jehož rámci se evropské výzkumné ústavy a univerzity chtějí s problémem nadměrné spotřeby energie v datových centrech vypořádat do roku 2012 [5]. Odborníci zapojení do projektu FIT4Green navrhují řešení, která umožní podstatně snížit energetickou náročnost datových center zejména lepším propojením a využíváním serverů a pružným automatickým vypínáním výpočetní kapacity, která není v daném okamžiku zapotřebí, a tudíž zbytečně odebírá proud. Cílem projektu je zmenšit množství energie spotřebovávané servery a dalšími technickými prostředky v sítích IT nejméně o 20 % a dalších 30 % energie ušetřit v důsledku menších požadavků na chlazení, samozřejmě bez omezení výkonových charakteristik specifikovaných v dohodách o úrovni poskytovaných služeb (Service Level Agreement – SLA) nebo snížení kvality služeb (Quality of Services – QoS). Během projektu budou členové pracovního týmu navržená řešení testovat v provozních podmínkách a vyhodnotí jejich vhodnost a použitelnost ve třech reprezentativních typech datových center (standardní webový portál služby/podniky, superpočítačová síť a cloud computing).
 
Projekt FIT4Green, dotovaný částkou 3,18 milionu eur, je zařazen do sedmého rámcového programu pro výzkum a technický rozvoj (RP7). Zahájen byl 1. ledna 2010, ukončen má být v červnu 2012. První dílčí výsledky budou k dispozici v březnu 2011. Práce na projektu FIT4Green koordinuje společnost GFI Informática (Španělsko) a jejich technickým vedením je pověřeno inovační středisko HP Italy Innovation Centre (Itálie). Dalšími partnery projektu jsou mimo jiné VTT Technical Research Centre of Finland (Finsko), univerzity v Pasově a Mannheimu (Německo), Superpočítačové středisko Jülich (Německo), Imperial College London (Velká Británie) atd.
 

Závěr

 
Aby závratně rychle rostoucí záplava dat způsobila co nejmenší nárůst spotřeby energie, bude třeba ještě hodně udělat a změnit. Nemá-li množství energie spotřebovávané v datových a komunikačních centrech do roku 2020 až příliš rychle vzrůst, je třeba v nejbližší době najít a postupně zavést vhodná technická i organizační opatření. Své povinnosti přitom mají nejenom výrobci přístrojů, provozovatelé sítí a mobilní operátoři. Svým dílem musí přispět také podniky, drobní podnikatelé a živnostníci i domácnosti – v neposlední řadě alespoň tím, že každý večer úplně vypnou a odpojí od rozvodné sítě svůj počítač.
 
Literatura:
[1] NORDWIG, H.: Mehr, aber sparsamer. Das Fraunhofer – Magazin 2010, No. 1, pp. 30–31.
[2] RADECKÝ, A. – SMITH, B. – BRODKIN, J.: Infrastruktura datových center. Business World, 2008, č. 2, s. 48–50.
[3] MARSANOVÁ, C. D.: Snižte náklady za energii pro datová centra. Computerworld, 2008, č. 15, s. 23–27.
[4] SYNEK, P.: Evoluce datových center. Computerworld, 2009, č. 19, s. 23–25.
[5] EU Research Information Centre: Plugins to cut back on energy waste [on-line, cit. 2010-07-06]. Dostupné z <http://ec.europa.eu/research/infocentre/article_en.cfm?id=/research/headlines/news/article_10_07_26_en.html&item=&artid=17373>.
Ing. Karel Kabeš
 
Obr. 1. Spotřeba energie v typickém současném datovém centru (zdroj: Networkworld)