Najważniejsze wymagania dotyczące systemów zasilania centrów

Najważniejsze
wymagania dotyczące
systemów zasilania
centrów
przetwarzania
danych nowej
generacji
Raport nr 4
Poprawka 4
Streszczenie
Projektanci instalacji o znaczeniu newralgicznym muszą stawić czoła znanym problemom
i wyzwaniom związanym ze współczesnymi i stosowanymi dawniej modelami centrów
przetwarzania danych. W niniejszym dokumencie przedstawiono — w sposób
uporządkowany i z uwzględnieniem priorytetów — wyzwania i wymagania stawiane
systemom
zasilania.
Zestawienie
to
opracowano
na
podstawie
prowadzonych
systematycznie wywiadów z użytkownikami.
©2003 American Power Conversion. Wszelkie prawa zastrzeżone. Żadna część niniejszej publikacji nie może być używana, powielana,
kopiowana, przesyłana, ani przechowywana w żadnym systemie wyszukiwawczym bez pisemnego zezwolenia właściciela praw autorskich.
www.apc.com
Rev 2002-4
2
Wstęp
Mimo rewolucyjnych zmian w technologii IT i budowie urządzeń, jakie miały miejsce w minionych
dziesięcioleciach, zasady projektowania infrastruktury zasilania instalacji newralgicznych, takich jak ośrodki
przetwarzania danych i serwerownie, niewiele zmieniły się od roku 1965. Mimo że urządzenia komputerowe
zawsze wymagały zasilania elektrycznego, współczesne metody instalacji i wdrażania systemów IT stwarzają
nowe problemy dotyczące zasilania, których nie przewidziano przed ponad 30 laty, opracowując zasady
konstruowania systemów zasilania dla nowoczesnych ośrodków przetwarzania danych1. W niniejszym dokumencie
zastosowano metodę systematycznej identyfikacji i klasyfikacji problemów użytkowników, która pozwoliła na
dogłębną analizę natury i cech systemów zasilania w newralgicznych instalacjach nowej generacji.
Ankieta
Wśród kadry zarządzającej — dyrektorów i prezesów ds. IT, administratorów budynków i instalacji (facility
managers) oraz kierowników ds. IT — przeprowadzono ankietę dotyczącą instalacji o znaczeniu newralgicznym.
Ankietą objęto ponad 150 osób z ponad 90 instytucji, w tym firm wymienianych na liście Fortune 1000, instytucji
rządowych i edukacyjnych oraz usługodawców. Około 50% respondentów pochodziło z Ameryki Północnej, 20% z
Europy, a 30% z Japonii, regionu Pacyfiku, Australii i Azji.
Ankieta prowadzona była przez rok z zastosowaniem technik „Głos Klienta” (ang. Voice of the Customer),
bazujących na zbieraniu słownych i/lub pisemnych odpowiedzi na pytania o charakterze otwartym. Zebrane w ten
sposób wypowiedzi miały skrajnie nieuporządkowaną strukturę, zaś zaletą takiej metody było wykluczenie
ograniczeń odpowiedzi wynikających z ewentualnych sugestii zawartych w samym pytaniu. W trakcie ankiety
niektóre pytania rozszerzono i/lub zmieniono, aby uniknąć odpowiedzi niejednoznacznych.
Wyniki: wyzwania stojące przed systemami zasilania
instalacji o znaczeniu newralgicznym
Odpowiedzi na ankietę podzielono na grupy dotyczące szeregu typowych dziedzin, a dla każdej z takich grup
określono oczekiwania w stosunku do budowy instalacji. W procesie tym zidentyfikowano 22 zasadnicze
wyzwania. Te z kolei dalej pogrupowano w następujących 5 obszarów tematycznych:
•
Koszty cyklu eksploatacyjnego
•
Możliwości adaptacji / skalowalność
•
Niezawodność
•
Łatwość zarządzania
•
Konserwacja / serwis
©2003 American Power Conversion. Wszelkie prawa zastrzeżone. Żadna część niniejszej publikacji nie może być używana, powielana,
kopiowana, przesyłana, ani przechowywana w żadnym systemie wyszukiwawczym bez pisemnego zezwolenia właściciela praw autorskich.
www.apc.com
Rev 2002-4
3
Dla każdego z tych obszarów tematycznych przedstawiono — w postaci tabeli — samo wyzwanie, problem, z
którego ono wynika, oraz wymagania stawiane przed systemem zasilania. W ramach każdej grupy tematycznej
problemy o najwyższym priorytecie wymieniono w pierwszej kolejności. Priorytet określono na podstawie liczby
wzmianek o danym problemie, przy czym każdej wzmiance przypisano wagę wynikającą z priorytetu nadanego
problemowi przez respondenta.
Koszty cyklu eksploatacyjnego
Wyzwanie
Bazowe problemy
Wymagania dotyczące
systemu zasilania
Optymalizacja
wykorzystania inwestycji
kapitałowych
i dostępnej przestrzeni
Wymagania odnośnie systemu są trudne do
przewidzenia, a systemy bywają często
przeskalowane.
Systemy modularne, rozbudowywane odpowiednio
do wymagań.
Przyspieszenie wdrożenia
Planowanie i indywidualne prace projektowe
zajmują 6-12 miesięcy; jest to okres zbyt
długi w stosunku do horyzontu czasowego
planów instytucji.
Rozwiązania bazujące na gotowych projektach,
eliminujące i/lub upraszczające większość prac
planistycznych i inżynierskich.
Obniżenie kosztu umów
serwisowych
Nieekonomiczne/zbędne umowy serwisowe
dotyczące sprzętu nieużywanego lub nie w
pełni wykorzystywanego.
Systemy o właściwie dobranej wielkości, które
można błyskawicznie dostosować do
zmieniających się wymagań, pozwoliłyby na
eliminację przeskalowania i zbędnych umów
serwisowych obejmujących niewykorzystany
sprzęt.
Wycofywanie się z
projektów chybionych lub
niezapewniających
wystarczającego zwrotu z
inwestycji
Niezwykle trudno jest ograniczyć skalę już
realizowanego projektu lub wycofać się z
niego, jednak zmieniające się warunki
biznesowe często wymuszają takie zmiany.
Modularna i przenośna infrastruktura zasilania,
którą można w razie potrzeby przenieść w inne
miejsce instalacji.
Rozliczanie użytkowników
z energii
Pożądane byłoby naliczanie użytkownikom
opłat za faktycznie zużytą energię, jednak
obecnie jest to trudne do zrealizowania w
praktyce.
Pomiar energii.
Ankieta wykazała, że problemy związane z kosztami cyklu eksploatacyjnego były podstawą do formułowania
wymagań o najwyższym priorytecie — zwłaszcza dla respondentów wchodzących w skład kierownictwa wyższego
szczebla.
Wyniki ankiety ujawniły spotykany we wszystkich typach firm schemat przeskalowania i niedostatecznego
wykorzystania ośrodków przetwarzania danych i serwerowni. Ten zasadniczy problem omówiono szerzej
w dokumencie APC White Paper #37: „Jak uniknąć kosztów związanych z nadmierną wielkością instalacji w
centrum przetwarzania danych”.
©2003 American Power Conversion. Wszelkie prawa zastrzeżone. Żadna część niniejszej publikacji nie może być używana, powielana,
kopiowana, przesyłana, ani przechowywana w żadnym systemie wyszukiwawczym bez pisemnego zezwolenia właściciela praw autorskich.
www.apc.com
Rev 2002-4
4
Możliwości adaptacji / skalowalność
Wyzwanie
Bazowe problemy
Wymagania dotyczące
systemu zasilania
Ograniczenie zakresu prac
projektowych wymaganych w
przypadku instalacji
niestandardowych
Projektowanie jest czasochłonne,
kosztowne, stanowi główną przyczynę
problemów z jakością zasilania po stronie
instalacji i bardzo utrudnia późniejszą
rozbudowę i modyfikację instalacji.
Rozwiązania bazujące na gotowych
projektach, eliminujące i/lub upraszczające
większość prac planistycznych i inżynierskich.
Nieprzewidywalne i rosnące
wymagania dotyczące
gęstości upakowania źródeł
zasilania
Prognozy dotyczące wymagań
w zakresie gęstości źródeł zasilania są
bardzo niepewne, a mimo to nowe centra
przetwarzania danych muszą spełniać te
wymagania przez 10 lat.
Konstrukcje systemów, które można w prosty
sposób zaadaptować, nawet już po
uruchomieniu instalacji, do szaf zasilających o
dużej gęstości — czy to w przypadkach
odosobnionych, czy też masowo.
Dostosowanie do stale
zmieniających się wymagań
W każdej chwili i w dowolnej szafie mogą
zmienić się wymagania dotyczące
zasilania, napięcia, gniazd, a nawet
dostępności prądu stałego.
Infrastruktura zasilania umożliwiająca szybką
i niewymagającą użycia narzędzi zmianę
napięć, mocy, gniazd i źródeł prądu stałego.
Obsługa coraz liczniejszych
torów zasilania
W systemach dwutorowych na jedną szafę
może przypadać 6 lub więcej torów
zasilania, zaś w torach tych nieustannie
wprowadzane są zmiany okablowania.
Niezwykle trudno jest śledzić te liczne
i stale modyfikowane obwody, a w
szczególności trudno jest stwierdzić, czy
nie są one przeciążone.
Dystrybucja zasilania o większej mocy do
szaf eliminuje konieczność zmian
okablowania oraz umożliwia lokalne i zdalne
pomiary zużycia energii.
Radzenie sobie z coraz
większą liczbą i niską
jakością wyłączników
automatycznych
W centrach przetwarzania danych
i serwerowniach używane są takie same
wyłączniki automatyczne, jak w
budownictwie mieszkaniowym i prostych
zastosowaniach przemysłowych. Nie są to
wyłączniki wysokiej jakości, często ich
faktyczne parametry nie odpowiadają
deklarowanym, a przy tym używane są tak
licznie, że ich wady stają się statystycznie
istotnym czynnikiem wpływającym na
łączny czas przestojów.
Wyłączniki lepszej jakości, wstępnie
instalowane i testowane.
Wymagania dotyczące możliwości adaptacji są w wielu punktach zbieżne z wymaganiami dotyczącymi kosztów
cyklu eksploatacyjnego. W szczególności potrzebne są rozwiązania bazujące na gotowych projektach,
standaryzowane i modularne.
Wiele problemów dotyczących możliwości adaptacji ma związek z architekturą systemu dystrybucji zasilania do
szafy. Temat ten omówiono szczegółowo w dokumencie APC White Paper #29: „Możliwości zasilania szaf w
centrach przetwarzania danych i serwerowniach”.
©2003 American Power Conversion. Wszelkie prawa zastrzeżone. Żadna część niniejszej publikacji nie może być używana, powielana,
kopiowana, przesyłana, ani przechowywana w żadnym systemie wyszukiwawczym bez pisemnego zezwolenia właściciela praw autorskich.
www.apc.com
Rev 2002-4
5
Niezawodność
Wyzwanie
Bazowe problemy
Wymagania dotyczące
systemu zasilania
Ograniczenie do minimum
błędów człowieka
Źle udokumentowane systemy o nietypowej
konstrukcji. Zmieniające się potrzeby wymuszają
modyfikację połączeń w działających systemach.
Gotowe rozwiązania wyposażone w
wyczerpującą dokumentację i funkcje
zapobiegające błędom człowieka.
Ograniczenie liczby
potencjalnych punktów
awarii między zasilaczem
UPS a zasilanymi
urządzeniami
Duże scentralizowane systemy zlokalizowane w
innym miejscu niż zasilane urządzenia, ze
skomplikowanymi systemami rozdziału zasilania,
wymuszają stosowanie dodatkowych
mechanizmów nadmiarowości, takich jak
przełączniki źródeł zasilania.
Systemy, w których do minimum ograniczona
będzie liczba wyłączników i ilość okablowania
między zasilaczem UPS a zasilanymi
urządzeniami.
Eliminacja potencjalnych
punktów awarii, które
mogą powodować
jednoczesne odcięcie
zasilania u kilku
odbiorców
Duże scentralizowane systemy ze
skomplikowanymi układami koordynacji działania
wyłączników automatycznych stwarzają sytuacje,
w których awarie mogą w sposób nieoczekiwany
rozprzestrzeniać się między systemami.
Systemy, w których do minimum ograniczona
będzie liczba wyłączników i ilość okablowania
między zasilaczem UPS a zasilanymi
urządzeniami, zaprojektowane w ramach
gotowego rozwiązania i przetestowane pod
kątem koordynacji wyłączników
automatycznych.
Eliminacja
harmonicznych
Duże scentralizowane systemy UPS stanowiące
istotne obciążenie harmoniczne dla sieci
energetycznej, aparatury rozdzielczej i
generatorów rezerwowych; nieoczekiwane
interakcje i konieczność przeskalowania
systemów.
Niepewność, co do wielkości i wpływu
harmonicznych w urządzeniach komputerowych.
Systemy UPS z korekcją współczynnika
mocy obciążenia. Odbiorniki z korekcją
współczynnika mocy.
Urządzenia rozdzielcze, których konstrukcja
uwzględnia występowanie harmonicznych i
zabezpiecza przed problemami z
przeciążeniem spowodowanym przez
harmoniczne.
Wyciąganie wniosków z
problemów i przenoszenie
doświadczeń na inne
systemy
W przypadku systemów projektowanych
indywidualnie nie jest możliwe przeniesienie
doświadczeń z jednego systemu na inny. Brak
jasno określonej metody przekazywania informacji
o problemach między klientami.
Gotowe, standardowe systemy, w przypadku
których informacje przekazywane są w postaci
powiadomień producenta dla użytkowników
oraz w ramach automatycznych procedur
modernizacji/aktualizacji.
Respondenci ankiety jednoznacznie wskazali błędy człowieka jako dominujący problem wpływający na
niezawodność. Zgodnie z raportem Uptime Institute ponad 50% wszystkich przypadków wyłączenia zasilania w
centrach przetwarzania danych spowodowanych było przez błąd człowieka. Respondenci wyrażali frustrację z
powodu dużej liczby typów błędów człowieka, wśród których jest wiele takich, których praktycznie nie sposób
przewidzieć. Niezależnie od tego jako swoisty „wspólny mianownik” wskazano fakt, że ludzie w swych działaniach
kierują się własnym wyobrażeniem o funkcjonowaniu systemu, które to wyobrażenie bywa często mylne. Takie
błędy zdarzają się nie tylko podczas eksploatacji systemu, lecz także w fazie projektowania i instalacji. Pokonanie
tych trudności wymaga standaryzacji, automatyzacji i uproszczenia systemów.
©2003 American Power Conversion. Wszelkie prawa zastrzeżone. Żadna część niniejszej publikacji nie może być używana, powielana,
kopiowana, przesyłana, ani przechowywana w żadnym systemie wyszukiwawczym bez pisemnego zezwolenia właściciela praw autorskich.
www.apc.com
Rev 2002-4
6
Ankieta wykazała, że respondenci nie zdają sobie sprawy z radykalnego ograniczenia harmonicznych w sprzęcie
IT nowej generacji. Temat ten omówiono bardziej szczegółowo w dokumencie APC White Paper #26: „Zagrożenie
przeciążeniami harmonicznymi i neutralnymi”.
Łatwość zarządzania
Wyzwanie
Bazowe problemy
Wymagania dotyczące
systemu zasilania
Zarządzanie zasilaniem
na poziomie
poszczególnych gniazd
Nieuprawnione wykorzystanie gniazd zasilających
stwarza ryzyko nieoczekiwanego przeciążenia.
Niektóre urządzenia komputerowe wymagają
wyłączenia i ponownego włączenia w celu
zoptymalizowania wydajności lub zresetowania po
zawieszeniu.
Planowe wyłączanie odbiorników według
ustalonego harmonogramu ze względów
bezpieczeństwa lub ekonomicznych (oszczędność
energii) odbywa się ręcznie i jest żmudne.
Możliwość sterowania zasilaniem na
poziomie gniazd, wraz z gotowymi
i łatwymi w obsłudze urządzeniami do
monitorowania dużej liczby gniazd
i sterowania nimi.
Monitorowanie
parametrów zasilania na
poziomie szafy
Trudności z ustaleniem, które szafy są silnie
obciążone termicznie, i które są bliskie
przeciążenia.
Trudności ze skojarzeniem obciążeń obwodów z
szafami z uwagi na częste zmiany konfiguracji.
W systemach dwutorowych: trudności
z ustaleniem, czy wyłączenie jednego toru
spowoduje przeciążenie pozostałych.
Graficzny interfejs użytkownika i
automatyczne powiadomienia —
mechanizm raportowania, zarządzania i
powiadomień sterowany przez parametry
na poziomie szafy.
Predykcyjna analiza
awarii
Większość elementów systemu zasilania ulega
awarii lub wyłącza się niespodziewanie.
Brak jest objawów ostrzegawczych, które
umożliwiłyby podjęcie działań zapobiegających
utracie danych.
Wyposażenie systemu zasilania w
przyrządy generujące wcześniejsze
ostrzeżenia o możliwości awarii
poszczególnych elementów.
W wypadku elementów zużywających
się — automatyczne powiadamianie
o pozostałym spodziewanym czasie
eksploatacji i częstotliwości wymiany.
W przypadku systemów projektowanych indywidualnie spełnienie wymagań w zakresie elastyczności zarządzania
jest niezwykle kosztowne w projektowaniu, instalacji i testowaniu. Oczywista wydaje się potrzeba zastosowania
gotowych, przetestowanych i standardowych narzędzi do zarządzania.
Respondenci ankiety najwyraźniej nie byli świadomi problemów związanych z cechą najnowszego sprzętu
komputerowego, jaką jest zmienność obciążenia w czasie. Dlatego rozwiązanie tego problemu nie zostało
wymienione jako jedno z wyzwań. Można jednak spodziewać się, że kwestia ta pojawi się jako jedno z kluczowych
wyzwań w najbliższej przyszłości. Omówiono ją szczegółowo w dokumencie APC White Paper #43: „Dynamiczne
zmiany obciążenia w centrach przetwarzania danych i serwerowniach”.
©2003 American Power Conversion. Wszelkie prawa zastrzeżone. Żadna część niniejszej publikacji nie może być używana, powielana,
kopiowana, przesyłana, ani przechowywana w żadnym systemie wyszukiwawczym bez pisemnego zezwolenia właściciela praw autorskich.
www.apc.com
Rev 2002-4
7
Obsługa serwisowa
Wyzwanie
Bazowe problemy
Wymagania dotyczące
systemu zasilania
Skrócenie średniego czasu
odzyskania sprawności (czas
naprawy, dotarcia technika,
diagnozy i sprowadzenia
części)
Części zamienne nie są dostępne od razu.
Diagnostyka i naprawy dużych systemów
wymagają skomplikowanego demontażu.
Systemy modularne ze standardowymi
częściami zamiennymi zmagazynowanymi
w miejscu instalacji lub lokalnie.
Proste procedury napraw, które nie
wymagają skomplikowanego demontażu.
Uproszczenie systemu
Systemy są tak skomplikowane, że serwisanci
i pracownicy techniczni użytkowników
popełniają błędy i odłączają zasilanie
odbiorników podczas obsługi i konserwacji
systemu.
W sytuacji kryzysowej nie istnieje możliwość
łatwego ustalenia statusu systemu.
Systemy sterowania pochodzące od firm
trzecich są skomplikowane, nietypowe i nie do
końca przetestowane, co skutkuje ich
nieprzewidywalnym zachowaniem
w warunkach awarii.
Standardowe systemy ze standardową
aparaturą rozdzielczą i jednolitą
nomenklaturą.
Gotowe, przetestowane systemy
sterowania, których konfiguracja nie zajmuje
wiele czasu.
Eliminacja prac przy
włączonym zasilaniu
Potrzeba częstych modyfikacji obwodów
zasilania w połączeniu z koniecznością
zasilania urządzeń w sposób ciągły (7x24)
wymusza modyfikowanie połączeń
obwodów na tablicach rozdzielczych
znajdujących się pod napięciem.
Stwarza to ryzyko popełnienia rozmaitych
błędów, a także zagrożenie dla zdrowia.
System powinien dostosowywać się do
zmiennych wymagań w zakresie napięcia,
mocy i dystrybucji do gniazd bez
konieczności zmian połączeń na tablicach
rozdzielczych pod napięciem.
Ograniczenie liczby
dostawców
Systemy zasilania często składają się
z urządzeń pochodzących od 10 lub
większej liczby dostawców, przez co
pracownicy techniczni użytkownika,
a nawet samych dostawców mają trudności
z ustaleniem, kto jest odpowiedzialny za
dany problem. Prowadzi to do
nieekonomicznego gospodarowania czasem
i pieniędzmi.
Fabrycznie zintegrowane, gotowe systemy,
z czytelnym podziałem odpowiedzialności.
Wyciąganie wniosków z
problemów i przenoszenie
doświadczeń na inne systemy
W przypadku systemów projektowanych
indywidualnie nie jest możliwe przeniesienie
doświadczeń z jednego systemu na inny.
Brak jasno określonej metody przekazywania
informacji o problemach między klientami o
podobnych potrzebach.
Gotowe, standardowe systemy, w
przypadku których informacje przekazywane
są w postaci powiadomień producenta dla
użytkowników oraz w ramach automatycznych
procedur modernizacji/aktualizacji.
Ostatni problem, tj. przenoszenie doświadczeń z już rozwiązanych problemów, niektórzy respondenci wymieniali
jako kwestię związaną z niezawodnością, a inni — jako kwestię obsługi serwisowej. Dlatego problem ten
występuje w obu tabelach.
©2003 American Power Conversion. Wszelkie prawa zastrzeżone. Żadna część niniejszej publikacji nie może być używana, powielana,
kopiowana, przesyłana, ani przechowywana w żadnym systemie wyszukiwawczym bez pisemnego zezwolenia właściciela praw autorskich.
www.apc.com
Rev 2002-4
8
Systemy zasilania instalacji o newralgicznym
znaczeniu
Aby stawić czoła wskazanym w tej ankiecie wyzwaniom dotyczącym zasilania instalacji o newralgicznym
znaczeniu, konieczne jest wprowadzenie szeregu zmian w obecnej praktyce projektowej. Wiele z tych zmian
wiązać się będzie z wprowadzeniem innych niż dotychczas technologii budowy i konstrukcji urządzeń zasilających
oraz ze zmianą sposobu definiowania wymogów technicznych. W integracji elementów podsystemu zasilania
należy odejść od obecnej praktyki projektowania systemów niestandardowych, zwracając się ku gotowym
rozwiązaniom wstępnie zaprojektowanym, a nawet wytwarzanym przemysłowo. Rozwiązania takie powinny być, w
idealnym przypadku, modularne i ujęte w ramy standardów, dowolnie rozszerzalne i dostarczane jako kompletne,
ale w częściach, do szybkiego złożenia na miejscu. Standaryzacja ułatwiać będzie przekazywanie informacji i
wiedzy. Dzięki rozłożeniu kosztów opracowania wydajnych systemów zarządzających między liczne standardowe
instalacje, zaawansowane techniki zarządzania zasilaniem staną się finansowo dostępne dla wszystkich klientów.
Wnioski
Systematyczna analiza problemów klientów dotyczących systemów zasilania centrów przetwarzania danych i
serwerowni jednoznacznie nakreśla kierunek rozwoju nowej generacji instalacji o newralgicznym znaczeniu.
Obecna praktyka projektowania takich systemów nie pozwala na rozwiązanie najbardziej palących problemów, a
stale powracającym motywem jest niezdolność centrum przetwarzania danych do adaptacji wobec zmieniających
się potrzeb. Systemy zasilania instalacji o newralgicznym znaczeniu muszą dać się w szerszym zakresie
dostosowywać do zmiennych potrzeb, tak aby można było uzyskać większą niezawodność i obniżyć koszty.
W wielu branżach poziom dojrzałości uzyskiwany jest na etapie, na którym postęp w dziedzinie niezawodności,
cyklów wdrożeniowych i kosztów wymaga standaryzacji, stosowania gotowych projektów i modularyzacji.
Projektanci instalacji o newralgicznym znaczeniu, używanych w nich urządzeń zasilających, a także właściciele
takich systemów, powinni zastanowić się, czy etap ten nie został właśnie osiągnięty. Wyniki ankiety przytaczane w
niniejszym raporcie wskazują na potrzebę wdrożenia nowej generacji adaptowalnych systemów zasilania instalacji
newralgicznych.
Literatura
1) FIPS PUB 94 „Guideline for Computer Power for ADP Installations”; National Technical Information Service
©2003 American Power Conversion. Wszelkie prawa zastrzeżone. Żadna część niniejszej publikacji nie może być używana, powielana,
kopiowana, przesyłana, ani przechowywana w żadnym systemie wyszukiwawczym bez pisemnego zezwolenia właściciela praw autorskich.
www.apc.com
Rev 2002-4
9