Является ли питание постоянным током верным способом повышения эффективности ЦОД?

Большая часть электронных компонентов в дата-центре питается низковольтным постоянным током: микрочипы, резисторы, конденсаторы и т.д. Тем не менее, мы предпочитаем использовать высоковольтный трех- и однофазный переменный ток, который проходит через ряд понижающих преобразований с целью получения необходимого напряжения. Каждое преобразование приводит к потере энергии; КПД даже самых современных трансформаторов, как правило, не поднимается выше 98%.

Задумайтесь над тем, какой путь проходит электроэнергия, прежде чем попасть в ЦОД, и как она распределяется внутри него. Во-первых, выработанная на электростанции энергия должна пройти через повышение напряжения, чтобы ее можно было транспортировать. Далее, на электроподстанции происходит понижение напряжения до стандартного значения, которое иногда выполняется в два этапа. В результате, в дата-центр поступает трехфазное питание с напряжением 450В, или однофазное питание с напряжением 110/220/240В. Далее, выполняется преобразование в постоянный ток с несколькими рабочими напряжениями для питания ИТ-компонентов: 12В, 5В, 3,3В и 1,5В,. Таким образом, в процессе передачи энергии происходит не менее четырех преобразований, что дает общую эффективность на уровне 92%.

Восемь процентов выработанной электроэнергии теряется на трансформаторах, если принять их КПД равным 98%. В реальности, дела обстоят гораздо хуже.

По сети распределения питания внутри ЦОД, как правило, передается однофазный переменный ток. Каждая единица ИТ-оборудования имеет основной трансформатор с несколькими выходными напряжениями; целый ряд дополнительных встроенных трансформаторов преобразуют напряжение для питания отдельных компонентов. Однако, большие трансформаторы, как правило, являются более эффективными, чем небольшие, так что КПД небольших трансформаторов может достигать лишь 95%. Если принять данное значение, и если происходит шестикратное преобразование энергии, то на трансформаторах теряется в общей сложности больше четверти вырабатываемой электроэнергии.

Таким образом, использование постоянного тока везде, где это возможно, является хорошей практикой и позволяет избежать необходимости использовать дополнительные трансформаторы. Однако, необходимо проанализировать ряд факторов, влияющих на реализуемость данного решения.

Вопросы, которые необходимо решить прежде, чем использовать постоянный ток

Во-первых, постоянный ток крайне неэффективен с точки зрения передачи электроэнергии. Согласно законам физики, мощность (Ватт) определяется, как напряжение (Вольт), умноженное на силу тока (Ампер). Высокое напряжение в сотни и тысячи киловольт, используемое при передаче энергии, применяется для снижения величины тока. Это важно, поскольку потери на сопротивлении прямо пропорциональны силе тока. Для передачи электроэнергии может использоваться как постоянный, так и переменный высоковольтный ток, но в настоящее время используется переменный ток. Попытка устранить потери на трансформаторах на этапе передачи энергии вряд ли увенчается успехом. То же самое касается и этапа распределения энергии; перестроить существующую инфраструктуру на использование постоянного тока будет крайне сложно, и никуда не исчезнет необходимость в использовании высоковольтного постоянного тока, так что трансформаторы никуда не денутся.

Сторонники применения постоянного тока в отрасли ЦОД приводят в пример индустрию телекоммуникаций, где постоянный ток используется уже достаточно давно. Однако, тому существует ряд причин. Индустрия целиком строилась на использовании оборудования, питающегося постоянным током, которое практически не требовало для работы напряжений различной величины. Таким образом, распределение энергии на подобном объекте могло производиться с использованием трансформаторов уровня предприятия, а большие медные силовые шины применялись для распределения высоковольтного постоянного тока. Необходимо также учесть, что в 1980х и 1990х, не смотря на изменения цен на электроэнергию, связанные с колебанием нефтяных цен, большая часть энергии вырабатывалась за счет дешевого и доступного угля. Вопросам энергоэффективности в то время уделялось гораздо меньшее значение.

Основным препятствием для питания дата-центра постоянным током является низкая доступность соответствующего оборудования. И хотя ИТ-компоненты питаются постоянным током, производители работают на массовый рынок и поставляют оборудование, которое питается переменным током. Некоторые производители выпускают модели, питающиеся постоянным током, но цена на них существенно выше.

С учетом дополнительных затрат на оснащение объекта трансформаторами постоянного тока, системами распределения тока и управления энергопотреблением, использование серверов, устройств хранения и сетевых компонентов, которые обладают тем же функционалом, что и модели, рассчитанные на переменный ток, но стоят дороже, просто не имеет смысла. Гораздо выгоднее поступать как все и применять дешевые, стандартные системы переменного тока.

Воплощение ЦОД, питаемого постоянным током, в реальность

Существует две больших надежды на создание отрасли дата-центров, питаемых постоянным током. Первая из них – это модульный подход. Такие системы, как UCS от Cisco, vStart от Dell, PureSystems от IBM и им подобные, выпускаются в качестве заранее сконфигурированных «модулей», внутренняя разводка в которых организуется любым удобным производителю способом. Имеет смысл «вырезать» ненужные компоненты, так что необходимость множественных преобразований может быть устранена еще на этапе разработки и сборки систем.

По аналогии с переходом от охлаждающих систем уровня ЦОД к модульным встраиваемым системам, вероятно, будет происходить перенос управления энергопотреблением с уровня предприятия на уровень отдельных модулей. Однофазный переменный ток на объекте будет распределяться  туда, где он необходим.

Вторая надежда заключается в повышении спроса на облачные вычисления. Для провайдера облачных вычислений, использующего десятки и сотни тысяч серверов, массивную инфраструктуру устройств хранения данных  и сложную структуру сети, внедрение системы питания постоянным током на начальном этапе строительства позволит вернуть вложенный капитал в разумные сроки.

Стратегическое решение по переходу на инфраструктуру питания постоянным током, вероятно, обойдется дорого и сделает компанию зависимой от определенных моделей аппаратного обеспечения. Однако, производители оборудования будут способствовать движению в данном направлении за счет оптимизации применения постоянного тока в производимых ими системах.