Az adatközpont és hálózati terem infrastruktúra. többletköltségek elkerülése. White Paper # 37. Revision 4

Átírás

1 Az adatközpont és hálózati terem infrastruktúra túlméretezéséből eredő többletköltségek elkerülése White Paper # 37 Revision 4

2 Összefoglalás Az adatközpontok és hálózati termek fizikai mérete és áramellátási infrastruktúrája jellemzően több mint 100%-al túlméretezett. Bemutatjuk a túlméretezéssel kapcsolatos statisztikákat. Meghatározzuk a túlméretezéssel kapcsolatos költségeket. Megvitatjuk a túlméretezés előfordulásának alapvető okait. Bemutatjuk a túlméretezés elkerülésének a menetét és módszerét. 2

3 Bevezetés Ez a tanulmány bemutatja, miképpen kerülhetőek el egy tipikus adatközpont és hálózati terem infrastruktúrájával kapcsolatosan a túlméretezésből eredő többletköltségek. Egy adatközpontban vagy hálózati teremben a fizikai és áramellátási infrastruktúra kihasználtsága jellemzően sokkal kisebb, mint 50%. Az adatközpont és hálózat terem kihasználatlan kapacitása felesleges, de elkerülhető beruházási, továbbá működtetési és fenntartási költségeket is jelent. Ez a tanulmány három részből áll. Az elsőben bemutatjuk a túlméretezéssel kapcsolatos tényeket és statisztikákat. A következőben megvitatjuk a túlméretezés előfordulásának okait. Végül ezen költségek elkerülésének menetét és módszerét mutatjuk be. A túlméretezéssel kapcsolatos tények és statisztikák Az informatikai vagy szolgáltató szektorban dolgozók közül sokan láttak már kihasználatlan helyet, áramellátási kapacitást vagy egyéb kihasználatlan infrastruktúrát az adatközpontokban. Annak érdekében, hogy meghatározzuk ezt a jelenséget, fontos definiálni a vita során használt kifejezéseket. A túlméretezéssel kapcsolatos definíciók Ezen tanulmány céljára a következő kifejezéseket az alábbi módon határozzuk meg: Kifejezés Tervezett élettartam Terem kapacitás Installált kapacitás Várható terhelés Valós terhelés Definíció Egy adatközpont átlagos tervezett élettartama. Jellemzően 6-15 év. Feltételezhetően 10 év a jellemző érték. A terem maximális terhelhetősége. Ezt a kapacitást kiszolgálni képes tápellátási és hűtési berendezések egészét vagy részét lehetséges a beüzemeléskor installálni. Az installált tápellátási és hűtési berendezések terhelhetősége. Egyenlő vagy kevesebb, mint a Terem Kapacitás Az a becsült enerigaérték, amely a rendszer beüzemelésekor és élettartama alatt szükséges. Jellemzően az idő múlásával változik és a beüzemeléstől kezdve nő. Az a valós enerigaérték, amely a rendszer beüzemelésekor és élettartama alatt szükséges. Jellemzően időben változik és a beüzemeléstől kezdve nő. 3

4 Modellezési feltételezések Annak érdekében, hogy a túlméretezéssel kapcsolatos adatokat összegyűjtsük és elemezzük, az APC felmérést végzett a felhasználók körében és kifejlesztett egy egyszerűsített modellt az adatközpontok infrastruktúra teljesítmény terveinek leírására. A modell a következő feltételezéseken alapul: Az adatközpont tervezett élettartama 10 év. Az adatközpont terv rendelkezik legnagyobb tervezett tápellátási kapacitással és becsült indítási energiaszükséglettel. Az adatközpont jellemző élettartama során az Várható Terhelés a becslések szerint a várható indítási szükséglettől kiindulva lineárisan nő és a végső legmagasabb értéket várható élettartama felénél éri el. A fent definiált modellből következő tervezési modellt az 1. ábra mutatja be. Feltételezhetően ez a rendszertervezés reprezentatív modellje. 1. ábra: Tervezett áramellátási kapacitás és az adatközpont élettartama során felmerülő szükséglet 120% Kapacitás %-ban 100% 80% 60% 40% 20% TEREMKAPACITÁS INSTALLÁLT KAPACITÁS VÁRT TERHELÉS A túlméretezésből származó veszteség VALÓS TERHELÉS 0% A beüzemeléstől eltelt idő években Az ábra egy tipikus tervezési ciklust mutat be. Az installált tápellátási és hűtőberendezések Installált Kapacitása egyenlő a Terem Kapacitással. A rendszer tehát már működése elején teljesen kiépített. A terv szerint az adatközpont és a hálózati terem Várható Terhelése a végső Várható Terhelés értékének 30%-tól indul és eléri a végső Várható Terhelést. Azonban a Valós Indítási Terhelés általában alacsonyabb, mint a Várható Indítási Terhelés, és eléri a Legnagyobb Valós Terhelést, ami jelentősen kevesebb, mint az Installált Kapacitás. (Megjegyezzük, hogy az installált készülék Névleges áramellátási kapacitása lehet nagyobb, mint az Installált Kapacitás, a redundancia vagy a felhasználó által megkívánt aláminősítési határok miatt). 4

5 Valós installálásokból származó adatok Ahhoz, hogy megértsük a valódi installációkban előforduló túlméretezés igazi mértékét, az APC számos ügyfelétől gyűjtött be adatokat. Ezek az adatok valódi installációk felméréséből és ügyfelekkel készített interjúkból származnak. Azt találtuk, hogy a Várható Indítási Terhelés jellemzően a végső Várható Terhelés 30%-a. Továbbá: a Valós Indítási Terhelés a Várható Indítási Terhelés 30%-a és a Legnagyobb Valós Terhelés az Installált Kapacitás kb. 30%-a. Az adatokat az 1. ábra foglalja össsze. Egy átlagos adatközpont végül a tervezett értéknél háromszorosan túlméretezett. Beüzemeléskor a túlméretezés még drámaibb, jellemzően kb. tízszeres nagyságrendű. A túlméretezéssel kapcsolatos többletköltség A túlméretezéssel kapcsolatos életciklus költség két részre osztható: az eszközberuházási költségekre és működési költségekre. A beruházással kapcsolatos többletköltséget a 1. ábra árnyékolt területe mutatja be. Az ábrán az árnyékolt terület a rendszer kapacitásának azt a hányadát jelöli, amely egy átlagos installáció során kihasználatlan marad. A többletkapacitást egyenesen lefordíthatjuk beruházási többletköltségre. A felesleges beruházási költség magában foglalja a felesleges tápellátási és hűtési berendezéseket éppúgy, mint a felesleges tervezési és installációs költségeket, például a huzalozást és csatornázást. A tápellátási és hűtési rendszerek költsége egy áltagos 100 kw-os adatközpontban nagyságrendileg USD vagy a költség meghatározható 5 USD/kW értékben is. Az elemzés kimutatta, hogy ennek a befektetésnek a 70%-a, vagyis USD felesleges. Az első időkben ez a pazarlás még nagyobb. Amikor az idő/költség ábrát megrajzoljuk, a túlméretezéssel kapcsolatos jellemző veszteség eléri az adatközpont teljes befektetési költségének a 100%-át. Azaz az eredeti tőke kamata egyedül majdnem elég lenne a valós befektetéshez szükséges összeg fedezésére. A túlméretezéssel kapcsolatos életciklus többletköltségek magukban foglalják a berendezés működtetési költségeit is. Ezek a költségek tartalmazzák a fenntartási szerződéseket, fogyóeszközöket és a villanyszámlát. A fenntartási költségek általában kicsit alacsonyabbak, mint az adatközpont vagy hálózati terem élete során felmerülő beruházási költség, amennyiben a berendezést a gyártó utasításai alapján üzemeltetik. Mivel a túlméretezés kihasználatlan berendezést jelent, amelyet fenn kell tartani, a fenntartási költség nagy része kidobott pénz. Például egy 100 kw-os adatközpont esetén, annak élettartama alatt a felesleges költség eléri a USD-t. A felesleges áramköltségek szintén jelentősek, ha az adatközpontok vagy a hálózati termek túlméretezettek. Az adatközpont vagy hálózati terem energiarendszerének vesztesége 5%-a felhasznált energiának. Ha ehhez hozzávesszük a hűtés költségeit, akkor a veszteség eléri a 10%-ot. Egy átlagosnak mondható, túlméretezett 100 kw-os adatközpont esetén, a rendszer 10 éves élettartama során az elpocsékolt elektromosság eléri a kwh-t, ami kb USD. A teljes többletköltség így egy adatközpont vagy hálózati terem élettartama alatt átlagosan a tápellátási és hűtési rendszer költségének 70%-a körül lesz. Ez az a felesleges kiadás, amely elvileg elkerülhető, ha az adatközpont infrastruktúráját a valós követelményekhez igazítva megváltoztatnánk. 5

6 Számos vállalat esetében a beruházásra és fenntartásra elpazarolt összegek sokszorta nagyobbak lehetnek, mint a folyó kiadások. Előfordult, hogy internetszolgáltatók buktak el, amikor az egy installációra lekötött elkerülhető tőkebefektetésre más befektetésekhez lett volna szükség. Miért fordul elő túlméretezés? Az adatok azt mutatják, hogy a megtörtént installációk között nagyon sok különböző mértékű adatközpont és hálózati terem túlméretezés fordul elő. Természetesen felmerül a kérdés, hogy tervezett és várható volt-e a túlméretezés, hogy ez hibás tervezés eredménye volt-e, illetve vannak-e olyan alapvető okok, amelyek miatt a túlméretezés szükségszerűen bekövetkezik. Tervezett túlméretezés Az átlagos adatközpontok kezelőivel készített beszélgetésekből kiderült, hogy az adatközpontok tervezésénél a terhelés megfelel a jövőben lehetséges maximális teljesítmény-követelményeknek. A Terem Kapacitást és az Installált Kapacitást egy picit nagyobbra csinálják, mint a legnagyobb Várható Terhelés. Számos ügyfelünknek bevett gyakorlata van az energiarendszer aláminősítésére és csak egy részének felhasználására, mint pl. a névleges kapacitás 80%-ára; emögött az az ideológia áll, hogy a rendszer teljes kapacitásnál kisebbel való működtetése növelni fogja annak általános megbízhatóságát. Az a gyakorlat, hogy az Installált Kapacitást nagyobbra tervezik, mint az adatközpont legnagyobb Várható Terhelését, az 1. ábrán jelenik meg. Ez a túlméretezés tervezett, szándékos formáját képviseli. A túlméretezésnek ezen formája a részleges kihasználás egy formája, jóllehet nem ez jelenti az összes többletköltség nagyobb részét. Tervezési folyamat és hiányosságai Egy átlagos adatközpont tervezési folyamatába számos, a jövőbeli követelményekre való feltételezést építenek be. Ilyen feltételezések a következők: Annak az ára, ha az adatközpont vagy hálózati terem nem biztosít elegendő kapacitást, nagyon magas, ezért ez a lehetőség elkerülendő. Nagyon költséges az adatközpont vagy hálózati terem életciklusa közben növelni a kapacitást. Az adatközpont vagy hálózati terem életciklusa alatt a növekvő kapacitással járó munka hosszú leállási időt és elfogadhatatlan kockázatot eredményez. Valamennyi, az adatközpont vagy hálózati terem végső kapacitására vonatkozó mérnöki és tervezési munkát előre kell elkészíteni. Az adatközpont vagy hálózati terem terhelési követelménye növekedni fog, de nem lehet megbízhatóan meghatározni, hogy mennyivel. Ezeknek a feltételezéseknek az eredménye, hogy az adatközpontokat vagy hálózati termeket úgy tervezik és építik meg, hogy egy előre nem ismert igényt elégítsenek ki, és az adatközpont vagy hálózati terem kapacitását úgy tervezik meg, hogy konzervatív módon bármilyen ésszerű növekedési forgatókönyv legrosszabb lehetőségeit veszik figyelembe. 6

7 A túlméretezés alapvető okai A tervezési folyamat eredményeként olyan tervek születnek, amelyeknek általában elég rossz a kihasználtságuk, és mint valós adatokkal bemutattuk, gazdasági szempontból is hibás döntésnek bizonyulnak. Mégis, a fent bemutatott tervezési folyamat vizsgálata nem tárt fel semmilyen alapvető hiányosságot. Ez a nyilvánvaló ellentmondás feloldható az adatok behatóbb elemzésével és a folyamat keretek közé szorításával. A 2. ábra bemutatja a végső kihasználtsági arány eloszlását valós installációk esetén, azaz a legnagyobb Valós Terhelést osztva a legnagyobb Installált Kapacitással. 2. ábra A valós kihasználtsági arány eloszlása tipikus adatközpontok esetén Adatközpontok aránya (%-ban) 18% 16% 14% 12% 10% 8% 6% 4% 2% 0% A végül valóban kihasznált kapacitás aránya Ezen adatok elemzésével a következőket szűrhetjük le: A végső kihasználtsági arány várt értéke kb. 30%. A felesleges vagy szükségtelen energiakapacitás várt értéke 70%. A végső kihasználtsági arány jelentősen változik, ami a tervezési folyamat során a jövőre vonatkozóan általában elég rossz előre jelezhetőséget sugall. Ha az Installált Kapacitást rutinszerűen a várható érték 30%-ban határoznánk meg az általános értékek helyett, akkor a rendszerek 50%-a nem tudná a terhelési követelményeket teljesíteni az életciklusuk alatt. A méretezés jelenlegi technikája logikus megalkuvás, ahol a túlméretezett rendszer védelmet nyújt a legnagyobb Valós Terhelés nagymértékű változékonysága ellen úgy, hogy lecsökkenti annak az esélyét, hogy a rendszer élettartama során ne tudja teljesíteni a terhelési követelményeket. Arra a meglepő következtetésre jutottunk, hogy a tervezés adott elemei és a jövő megjósolhatatlan energiakövetelményei mellett az adatköpontok és hálózati termek jelenlegi tervezési módszere logikus. Ha egy, a követelményeket nem teljesítő adatközpont vagy hálózati terem létrehozásának költsége magas, akkor az adatközpontok vagy hálózati termek tervezésének hagyományos módja, vagyis a jelentős túlméretezés, megfelelő a rendszer várható átlagos költségének a minimalizására. 7

8 A túlméretezés elkerülésének módszere és keretei A jövő követelményeiből adódó alapvető bizonytalanság egy adatközpont tervezési folyamata során olyan leküzdhetetlen kihívás, amely megoldhatatlan anélkül, hogy jóslatokba kelljen bocsátkoznunk. Ebben a helyzetben az a nyivánvaló megoldás, hogy az adatközpont és hálózati terem infrastruktúráját felkészítsük az előre nem látható igények kielégítésére. Az alkalmazhatóság korlátai A kérdés, amely önkéntelenül felmerül egy túlméretezési probléma nagyságrendjének átvizsgálása során, a következő: miért építik ki inkább előre az adatközpont és hálózati terem infrastruktúráját ahelyett, hogy a kiépítés folyamatosan követné a valós terhelési követelményeket? Tulajdonképpen a legtöbb adatközpont tervezésekor számos növekedési fokozatot figyelembe vettek. Például a rack alapú berendezések kiépítése is gyakran fokozatos. Az áramelosztó tápkivezetéseinek kiépítése az adatközpont terében szintén gyakran lépcsőzetes. Számos esetben a redundáns UPS modul alkalmazása is fokozatos. Ezek a megközelítések okozhatnak némi megtakarítást az adatközpont átlagos élettartama alatt felmerülő költségekben. Számos esetben az a többletköltség, amely a berendezés utólagos installációjából ered, jóval magasabb, mintha a berendezést előre installálták volna, ezért számos tervező inkább a teljes berendezés előre történő installálása mellett dönt. Így a gyakorlatban csak egy kis összeg megtakarítására nyílik lehetőség. Alkalmazható infrastruktúra létrehozásának módszere és megközelítése Ideális esetben olyan módszert és felépítést készítünk, amely képes alkalmazkodni a változó követelményekhez. Egy ilyen módszernek és felépítésnek a következő elemei lennének: Az adatközpont és hálózati terem egy menetben történő megtervezésének szükségessége nagy mértékben csökkenthető vagy teljesen elkerülhető lenne. Az adatközpont vagy hálózati terem energetikai infrastruktúrája előre felépített moduláris építőelemekből állna. A részegységek akár a közönséges ajtókon is beférnek, és liften szállíthatók, majd csatlakoztathatók anélkül, hogy működő áramkörökön kelljen szerelést végezni. Elkerülhető lenne a speciális építési előkészítés, mint például álpadlók építtetése. A rendszer változtatás nélkül képes lenne n, n+1, vagy 2n konfiguráció működtetésére. Kiküszöbölhető lenne a szerelés, mint a huzalozás, fúrás, vagdosás. Nem lenne szükség engedélyezési és szabályozási eljárásokra, ha a kapacitást növelni szeretnék. A modulokból álló áramellátási berendezés költsége azonos vagy alacsonyabb lenne, mint a hagyományos központosított rendszereké. A modulokból álló áramellátási rendszer fenntartási költsége azonos vagy alacsonyabb lenne, mint a hagyományos központosított rendszereké. Az alkalmazhatóság gyakorlati és megvalósíthatósági szintjei Ha a fizikai infrastruktúrához hozzáilleszthető rendszert használunk, a túlméretezésből adódó felesleg, melyet az 1. ábrán az árnyékolt terület mutatott be, jelentősen lecsökkenthető. Ezt a megtakarítást 8

9 mutatja be a 3. ábra az alábbiakban. Megjegyezzük, hogy az Installált Kapacitás nem a Terem Kapacitásra épült ki indításkor és az Installált Kapacitás változik, hogy a Valós Terhelést kövesse. 120% 3. ábra A tervezett áramellátásikapaitás és a követelmények alakulása egy adatközpont élettartama folyamán 100% TEREMKAPACITÁS Kapacitás (%-ban) 80% 60% 40% 20% VÁRT TERHELÉS INSTALLÁLT KAPACITÁS A túlméretezésből adódó veszteség VALÓS TERHELÉS 0% A beüzemeléstől eltelt idő években A fenti követelményeket kielégítő alkalmazható energiarendszerre példa az APC InfraStruXure megoldása. Ennek a rendszernek a teljes leírását most itt nem mutatjuk be. A InfraStruXure berendezésekben az energiarendszer több mint 70%-a oly módon használható, mely követi az adatközpont vagy hálózati terem iránt támasztott növekedési követelményeket. A gyakorlatban az energiarendszernek az egyetlen része, amely a jövőben is teljesen kihasználható, a fő hálózati kapcsoló és a főbb áramelosztó panelek, amelyeket úgy méreteztek, hogy megfeleljenek a Terem Kapacitásnak. A szünetmentes tápegység, az akkumulátor-rendszer, az áramelosztó egységek, a biztosítéktáblák és a rack alapú áramelosztó huzalozása a modulokból álló rendszerben úgy alkalmazható, hogy a változó terhelést kövesse. Megjegyzés: ez az anyag az áramellátási rendszerrel kapcsolatos tulajdonságokra fókuszált, mely elsődleges összetevője egy átlagos adatközpont és hálózati terem infrastruktúra költségeinek. Ugyanez az elemzés kiterjeszthető, sőt kiterjesztendő a fizikai méret, a tűzvédelmi berendezések és a biztonsági követelmények igényeinek megértésére ahhoz, hogy az anyag teljes legyen. 9

10 Végkövetkeztetés Az adatközpontokat és hálózati termeket általában a szükséges kapacitásuk háromszorosával méretezik túl. A túlméretezés tetemes beruházási és fenntartási költséghez vezet, amely az átlagos élettartam alatti költség jelentős részét teszi ki. Ennek a többletköltségnek nagy része megtakarítható egy olyan módszer és berendezés alkalmazásával, amely képes költséghatékony módon alkalmazkodni a változó követelményekhez, miközben kiváló rendelkezésre állást biztosít. Referenciák Mitchell-Jackson, J.D., Koomey, J.G., Nordman, B., Blazek, M., Data Center Power Requirements: Measurements From Silicon Valley, May 16, Master s Thesis, Energy and Resources Group, University of California. Berkeley, California. Megtalálható: 10