Zatracené horko

26. 3. 2008

Obrovské náklady na provoz...

Celý podtitul: Obrovské náklady na provoz - a chlazení - datových center nutí technologický průmysl, aby se snažil efektivně využívat energii

Pětatřicet minut jízdy na jih od islandské metropole Reykjavíku leží malá rybářská vesnička Grindavík. Jednoho lednového dne jel Kristinn Haflioason autem několik minut z města ven do obrovského zasněženého prostoru na sopečné skále vybíhající do Atlantického oceánu. Vysedl a pustil se do neuvěřitelné slovní propagace, která - jak doufá - přesvědčí korporace z USA a Evropy, aby tam umístily podniky. „Zájem projevily desítky společností,“ tvrdí. To není vtip. Haflioason pracuje pro vládní organizaci Invest in Iceland (Investujte na Islandu). Propaguje tuto opuštěnou končinu u Grindavíku jako místo pro datacentra, rozrůstající se zařízení přeplněná počítači, která budují technologické společnosti, aby zvládaly rozšiřující se oceány digitálních informací.
Problémy, jimž čelí společnosti při provozování datacenter, dokládá to, že Google, Yahoo! a Microsoft už tento vzdálený kout světa zkoumaly (i když se ještě žádná závazně nevyjádřila). Důvod: Island má výjimečnou kombinaci nevyužité půdy, levné geotermální energie a studeného klimatu, díky jemuž je chlazení datacentra téměř zadarmo.
Technologický průmysl čelí energetické krizi. Cena elektřiny spotřebované v datacentrech se v letech 2000 až 2006 zdvojnásobila na 4,5 miliardy dolarů a do roku 2011 by se dle americké vlády mohla znovu zdvojnásobit. Při prudkém zvyšování cen elektřiny se pohon a chlazení těchto SUV technologického světa staly jedním ze zásadních problémů korporací a energetických společností. „Digitální ekonomika je všudypřítomná,“ uvádí Andy Karsner, náměstek pro energetickou účinnost na americkém ministerstvu energetiky. „Požadavky na výpočetní techniku porostou exponenciálně, ale spotřeba elektřiny nemůže růst stejným způsobem.“ Právě teď se vyvíjejí usilovné snahy o navržení tvůrčích řešení. Společnosti pátrají po celé zeměkouli, aby našly nové technologie a výhodné lokality. Island má možná ideální klima, Saúdská Arábie může zase nabídnout nejnižší energetické náklady. Každá společnost z oboru se snaží omezovat výdaje v naději, že se z ní stane nízkonákladový výrobce digitálního věku.
Kde vzniknou zásadní objevy? Problémem se zabývají energetické společnosti, stavební firmy i technologické týmy. Bruno Michel, badatel z curyšské laboratoře IBM, vymýšlí způsoby, jak by biologie lidského těla mohla být přetransformována do chladicích systémů počítačů. Mark Bramfitt, hlavní programový manažer společnosti Pacific Gas & Electric, experimentuje se stimuly, jak snižovat celkové využívání energie. U jednoho počítače může mít význam jen několik wattů. Účinné datacentrum využívá asi o 25 procent méně elektřiny než centrum průměrné. Ve středně velkém podniku by se tak mohlo ušetřit 4,5 milionu dolarů ročně.

Státní tajemství

Moderní datacentrum je jako obrovská chladnice se stovkami tisíců pecí, které se uvnitř neustále rozpalují. V řadách stojí vyrovnané dva metry vysoké stojany, do nichž jsou jako krabice na pizzu nacpané počítače, paměťová zařízení a síťové směrovače. Podlahami „chladných uliček“ je do zařízení vháněn ventilátory ledový vzduch. Horký vzduch se vypouští vzadu do „horkých uliček“ a je odsáván a vypouštěn z budovy ven. Uvnitř center je slyšet monotónní hučení, protože trubkami, ventilátory a počítači rychle proudí velké množství vzduchu.
Soutěž mezi technologickými společnostmi o snižování nákladů na zpracovávání dat je natolik intenzivní, že některé nakládají s informacemi o využívání energie jako se státním tajemstvím. Když Google před několika lety vybudoval datacentrum u řeky Columbia v Oregonu, zakoupil pozemek přes třetí stranu, a proto byla jeho účast utajená, a starosta musel podepsat dohodu o mlčenlivosti. Zákony o využívání sluneční energie platné v Severní Karolíně přinutily tento stát, aby prozradil balík stimulů, který nabídl Googlu, aby tam umístil jedno datacentrum, ale firemní plány týkající se spotřeby energie byly redigovány jako státní tajemství. Možná není divu. O budoucí soutěži Googlu s Microsoftem v oblasti vyhledávání na internetu by mohla rozhodnout energetická účinnost datacenter stejně jako to, která společnost napíše nejlepší vyhledávací algoritmus.
Představte si, že datacentrum je továrnou informační ekonomiky. V tisících nevýrazných budov v zázemí nebo suterénech kancelářských věží se biliony porcí informací zakódovaných do jedniček a nul každý den přesunují, ukládají a sestavují do nových podob. Tyto elektronické balíky obsahují miliony e-mailů, stránek sítě Facebook, blogových zápisů a videí YouTube; obrovská kvanta elektronických transakcí; navíc je třeba ukládat, porcovat, krájet a analyzovat stále se rozpínající vesmír dat. Firma IDC zabývající se výzkumem technologického trhu odhaduje, že digitální svět každý rok vytváří asi třímilionkrát více informací, než je obsaženo ve všech knihách, které kdy vyšly. Lidé si zpravidla nemyslí, že informace jsou hmotné, ale základem výpočetní techniky je fyzika. Když se datové bity ve formě elektrických nábojů pohybují drátky polovodičových čipů, přičemž se zapínají a vypínají miliony tranzistorů, narážejí na odpor. Překonávání odporu vyžaduje energii a vytváří teplo. (Když běží příliš rychle, čipy sice nevzplanou, ale prasknou jako přehřátý motorový blok automobilu.) Budete-li přesunovat mnoho bitů, budete platit obrovské částky za pohánění a chlazení zařízení: 4,5 miliardy dolarů vynaložených v roce 2006 se rovná účtům za elektřinu 5,8 milionu amerických domácností. Spotřeba energie v datacentrech se v posledních dvou letech stala závažným problémem. Dle průzkumu, který u svých členů provedla v lednu asociace manažerů datacenter AFCOM, 88,5 procenta z nich uvedlo spotřebu energie jako vážný nebo velmi vážný problém - oproti 36,1 procenta před pěti lety. „Člověk si uvědomuje, na kolik všechna ta elektřina přijde. Hledá možnosti, jak náklady snížit, ale cena elektřiny stoupá,“ uvádí Sal Cefalu, viceprezident pro provozování datacenter u telekomunikačního obra Verizonu, který má po celých Spojených státech amerických osmnáct datacenter. Na každý dolar vynaložený na počítačové zařízení datacenter se v současnosti vynakládá dalších 50 centů ročně na jejich provoz a chlazení. Asi polovinu energie spotřebuje klimatizace.

Teplotní mapa

Microsoft se problémem energie začal vážně zaobírat před třemi lety. Výkonný ředitel Steve Ballmer a další členové vrcholného vedení se rozhodli značně rozšířit služby nabízené na internetu spotřebitelům i podnikům včetně e-mailu a internetové služby pro rychlou výměnu zpráv (instant messaging), aby čelili náporu Googlu. Skupina asi dvaceti lidí se tedy sešla na výjezdním jednání v hotelu Salish Lodge ve washingtonském Redmondu, kde měli z okna výhled na vodopád, aby dali dohromady předpověď potřeb datacenter. „Rozhodli jsme se, že se pustíme do toho nejsmělejšího, nejbláznivějšího plánu, který vymyslíme,“ vzpomíná Michael Manos, vyšší ředitel služeb datacenter. „Ohlédnu-li se, byli jsme konzervativní.“ Od té doby Microsoft vynaložil přes dvě miliardy dolarů na výstavbu čtyř obrovských zařízení - v Chicagu, Dublinu, San Antoniu a Quincy ve státě Washington. Teď hledá lokality v zámoří včetně Islandu a Sibiře. Jeho výpočetní potřeby se v posledních třech letech každoročně zdvojnásobily a Microsoft očekává, že v dohledné budoucnosti se budou nadále každý rok zvětšovat dvojnásobně. Spotřeba energie je jedním z významných faktorů v plánování Microsoftu. Společnost vytvořila takzvanou teplotní mapu zeměkoule, která při výběru lokality bere v úvahu 35 faktorů, mezi nimi cenu a dostupnost elektřiny. Skupina vědců zkoumá nejnovější poznatky z oboru projektování datacenter a účinnosti výpočetní techniky. A Manos hledá místní zdroje, jichž by mohl využívat - jako je voda ze soustavy na úpravu odpadu, která chladí počítače v novém datacentru v San Antoniu. Manos se domnívá, že v důsledku veškerého tohoto úsilí má jeho dvacet datacenter o 30 až 50 procent vyšší energetickou účinnost, než je průměr v tomto oboru.
Řešení energetické krize v technologickém průmyslu nebudou snadná. Výstavba největších datacenter může stát přes 200 milionů dolarů a jejich modernizace, aby mohly využívat nejnovější energeticky úspornou technologii, je drahá.
Existuje však řada relativně rychlých řešení. Většina serverových počítačů využívá v jakémkoli daném okamžiku jen asi deset procent kapacity, a proto operátoři datacenter používají software, který přesunuje výpočetní práce mezi servery tak, aby se co nejlépe využil jejich potenciál. Nové systémy hospodaření s elektřinou automaticky vypínají servery a další zařízení, když se nepoužívají. A většina počítačových společností začala vyznávat „zelené náboženství“. Tvrdí, že jejich nejnovější zařízení je energeticky ultraúčinné.
Problém je, že neexistují obecně uznávaná měřítka pro porovnávání jednoho serverového počítače s jiným, aby se ukázalo, který je „zelenější“. U serverů nebo datacenter neexistuje ekvivalent klasifikace automobilů dle vzdálenosti ujeté na galon benzinu. Na vytvoření měřítek spolupracuje Agentura pro ochranu životního prostředí (EPA) s ministerstvem energetiky.
Ačkoli je třeba většího pokroku, v oblasti úspory energie v datacentrech se dospělo k některým výrazným posunům. Vědecké objevy byly v každém jednotlivém případě výsledkem toho, že vědci a další zpochybnili obecně vžité názory ve svých odvětvích. Vezměme si konstrukci vlastních čipů. Před deseti lety se čipový průmysl soustřeďoval jen na jediné: aby čipy zpracovávaly bity a bajty stále rychleji. Marc Tremblay, přední vědec ze společnosti Sun Microsystems, však v této strategii viděl fatální chybu. Čím rychleji čipy pracovaly, tím více se zahřívaly a nakonec byly příliš horké, aby správně fungovaly. Navrhl tedy takzvaný vícejádrový čip, který má na jednom kousku silikonu několik procesorů. Každé jádro pracuje pomaleji a tolik se nezahřívá jako procesor, který totéž množství práce provádí úplně sám.

Zásadní obrat

Kvůli složitostem polovodičové technologie to trvalo téměř deset let, než Tremblayova novinka přišla na trh. Od té doby, co se před dvěma lety začaly prodávat serverové počítače Sunu založené na Tremblayových návrzích, pomohly firmě odrazit se ode dna a podstatně snížit spotřebu energie. Každý čip v těchto serverech spotřebovává jen 70 wattů elektřiny, což je asi třetina spotřeby konvenčního mikroprocesoru. Signály překvapivé změny se objevují i v tradičně pomalé energetice. Vezměme si společnost PG & E. Před dvěma lety, když Bramfitt dostal za úkol navrhnout pro technologické společnosti v Severní Karolíně stimuly k úspoře energie, přišel s originálním řešením. Rozhodl se, že poskytne finanční stimuly společnostem, které se rozhodnou používat takzvaný virtualizační software. Bez tohoto softwaru každý server zpravidla zvládá v určitou dobu jen jeden program a využívá se pouze zlomek jeho kapacity. S virtualizačním softwarem může běžet na jednom počítači mnoho programů. Výsledkem je, že manažeři mohou napěchovat do každého serveru více programů, čímž se sníží počet potřebných počítačů a spotřebuje se méně elektřiny. V rámci Bramfittova stimulačního programu firma PG & E platí zákazníkům za každou kilowatthodinu energie, kterou ušetří díky používání softwaru.
Bramfittův program je inovací podnikatelského modelu, ale většina úspor energie v datacentrech bude pravděpodobně pramenit z technologických zlepšení. Badatel Michel se v IBM zaměřuje na málo probádané území - tam, kde se setkává biologie s fyzikou. Michel, který má titul PhD z oboru biochemie na Curyšské univerzitě, navrhuje zařízení, o nichž předpokládá, že jednou budou ochlazovat čipy systémem vytvořeným po vzoru lidského těla. Procesory serverových počítačů se typicky chladí vzduchem, kdežto tyto čipy se ochlazují kapalinou dodávanou soustavou podobnou kapilárám těla. Jedním z Michelových vynálezů je kovové víčko, které se umístí nad procesor a rozstřikuje vodu asi z 50 tisíc trysek do mikroskopických kanálků vyrytých do kovu. Kanálky tekutinu účinně šíří a snižují množství energie potřebné k čerpání vody. Třebaže v různých oblastech počínaje technologií a konče energetickými společnostmi se uskutečnila značná zlepšení, budou třeba další inovace. Umístění datacenter na Island nebo na Sibiř může pomoci, ale k vyřešení energetické krize v technologickém průmyslu to samo o sobě nebude stačit.

Popisek s. 62:
Tremblay ze Sunu razil cestu vícejádrovým čipům, které pracují pomaleji, ale jsou chladnější

Popisek s. 63:
V Aplách: Michel z IBM vymyslel způsob chlazení čipů vodními tryskami

Graf s obrázkem s. 63:
Horké stroje, horentní účty za elektřinu
Důvody, proč se rapidně zvyšují výdaje datacenter za energii

Elektřina použitá v datacentrech

Miliardy kilowatthodin ročně

2000 2001 2002 200š 2004 2005 2006
28 34 40 42 50 55 62

Pramen: Americká Agentura pro ochranu životního prostředí (EPA)

Jak jsou datacentra chlazená

1. Chladicí přístroje vhánějí ledový vzduch prostřednictvím větracích otvorů v podlaze do stojanů s počítači.
2. Horký vzduch se vypouští ze stojanů a stoupá vzhůru k recirkulaci.