Sử dụng, quản lý điện năng trong trung tâm dữ liệu như thế nào cho hiệu quả

Hiện nay, các Trung tâm Dữ liệu (TTDL) luôn nỗ lực đạt đến hai mục tiêu cho hệ thống: tăng độ sẵn sàng và nâng cao hiệu suất. Khi chi phí tiêu thụ điện trong TTDL ngày càng tăng, nhà vận hành TTDL không chỉ quan tâm việc đảm bảo công suất nguồn điện đầu vào, mà còn chú trọng hiệu quả sử dụng điện năng trong hệ thống.

Một nghiên cứu gần đây của IDC cho thấy, các TTDL đang phải đối mặt với thử thách về chi phí điện năng tiêu thụ và điện năng làm mát cho hệ thống. Theo khảo sát từ nghiên cứu trên, có 50% ý kiến quan tâm đến giải pháp điều khiển và giám sát công suất nguồn điện nhằm đảm bảo hiệu suất và giảm chi phí vận hành Trung tâm Dữ liệu. Một nghiên cứu khác của EPA cho biết, chi phí điện tiêu thụ trong TTDL chiếm tới 30% ngân sách dành cho hệ thống IT của doanh nghiệp. Có thể thấy, việc phân phối điện năng đóng vai trò chiến lược giúp nâng cao hiệu suất và vẫn đảm bảo độ sẵn sàng cho hệ thống.

Bài viết này Viễn Thông Xanh không chỉ đề cập đến việc lựa chọn nguồn điện phù hợp cho TTDL, mà còn phân tích cách quản lý và phân phối nguồn điện để đạt hiệu quả sử dụng điện tối ưu và đảm bảo độ sẵn sàng cao cho hệ thống TTDL. Dưới đây là năm vấn đề được quan tâm hàng đầu khi lựa chọn, thiết kế điện năng cung cấp cho TTDL .

1.Mức điện áp cung cấp cho thiết bị IT

Hầu hết các thiết bị IT ngày nay đều hoạt động dựa trên nguồn điện một pha với mức điện áp từ 100– 250V. Đây là dải điện áp chung được thiết kế cho hầu hết thiết bị sử dụng trên toàn thế giới. Hầu hết các khu vực có nguồn điện 220V không cần lựa chọn mức điện áp, vì mức 220V là phù hợp với hầu hết thiết bị IT hiện nay. Riêng khu vực Bắc Mỹ, Nhật Bản, Đài Loan… sử dụng điện áp 120V, nên hạ tầng điện có khả năng cung cấp hai mức điện áp cho TTDL là 120V (điện áp pha) và 208V (điện áp dây).Trong trường hợp này, khách hàng nên lựa chọn mức điện áp 208V, vì khi sử dụng mức điện áp cao hơn đồng nghĩa dòng diện cần cung cấp sẽ thấp hơn, ảnh hưởng không nhỏ đến hiệu suất sử dụng. Theo một nghiên cứu, máy chủ hoạt động ở mức điện áp 208V sẽ có hiệu suất cao hơn 2% so với máy chủ đang hoạt động ở mức điện áp 120V; hơn nữa, nhu cầu làm mát thấp hơn, nên lợi ích thực tế lên tới 3% đến 4%. Vì thế nhiều dòng thiết bị IT hiện nay chỉ hỗ trợ chạy ở mức điện áp 220-250V.

2.Khả năng cung cấp dòng điện tối đa cho mỗi tủ Rack

Hầu hết thiết bị IT ngày nay được thiết kế theo dạng dual-corded – hỗ trợ sử dụng hai nguồn điện cung cấp. Để tăng độ dự phòng cho thiết bị, các nhà điều hành nên sử dụng ít nhất hai nguồn điện chạy độc lập từ hai nhà cung cấp dịch vụ khác nhau để cấp điện cho thiết bị trong tủ rack.
Trước nhu cầu công suất cho Trung tâm Dữ liệu ngày càng tăng nhanh hiện nay, các nhà điều hành TTDL nên tính toán công suất điện cần cho mỗi tủ rack tại thời điểm hiện tại và lường trước nhu cầu trong tương lai để  lựa chọn công suất nguồn điện phù hợp. Theo thống kê gần đây từ 100 TTDL quy mô lớn, 81% TTDL có mật độ tải cao hơn mức công suất truyền thống (3 kW/rack).

Với các tải công suất thấp, sử dụng nguồn điện một pha truyền thống cho phép người quản lý dễ dàng phân phối điện thành từng pha riêng lẻ thông qua các thanh PDU. Tuy nhiên, với mật độ tải >5 kW/rack, khách hàng nên sử dụng nguồn điện ba pha cho TTDL vì những lợi ích sau:

– Giảm chi phí cáp: Có thể thay thế ba đường điện một pha (ba dây pha, ba dây trung tính) bằng một đường điện ba pha (ba dây pha, một dây trung tính) để cung cấp điện cho tải, tiết kiệm dây dẫn.

– Tăng độ tin cậy cho hạ tầng điện: Cung cấp nguồn điện ba pha trong các tủ rack sử dụng thanh PDU có khả năng giám sát nguồn điện, người điều hành có thể điều phối tải cân bằng giữa các pha, giúp giảm tối đa dòng điện đi ra dây trung tính để tránh nhiệt lượng tỏa ra trên dây dẫn.

– Nâng cao độ tin cậy hạ tầng CNTT: Giảm dây dẫn bên trong tủ rack sẽ giúp tăng độ thông thoáng, không khí lưu thông dễ hơn, giúp tản nhiệt cho thiết bị tốt hơn.

– Khả năng mở rộng: Nguồn ba pha có công suất cao sẽ hỗ trợ tốt cho khả năng mở rộng hệ thống trong tương lai. Khi cắm thêm thiết bị, nguồn điện ba pha đảm bảo luôn đủ công suất, không ảnh hưởng đến các thiết bị đang hoạt động.
Khi lựa chọn dùng nguồn ba pha cho TTDL, công việc tiếp theo là cần chọn cách đấu nối nguồn điện phù hợp để cung cấp đến tải. Có hai cách đấu nối: hình sao và tam giác.

Đấu nối hình sao cần có thêm một dây trung tính cho tải, thích hợp cho những quốc gia sử dụng điện áp 220V và thiết bị thiết kế phù hợp điện áp 220V.
Đấu nối tam giác thường được sử dụng ở những quốc gia có điện áp 120V như Bắc Mỹ, Nhật Bản, Đài Loan. Khi thiết bị hoạt động ở điện áp 200– 250V, đấu nối nguồn điện ba pha theo hình tam giác sẽ tạo ra điện áp 208V cung cấp cho tải, không cần đến dây trung tính. Tuy nhiên, nếu thiết bị hoạt động ở điện áp 120V, cần đấu nối theo phương pháp hình sao.

3.Lựa chọn thanh PDU

Có ba vấn đề được quan tâm khi lựa chọn thanh PDU trong tủ Rack
Kiểu dáng: PDU dùng trong tủ rack được thiết kế theo hai kiểu: lắp theo chiều ngang và chiều dọc. PDU lắp theo chiều ngang có tối đa 10 ngõ ra, chiếm 1U trên tủ Rack. Khi cần nhiều ổ cắm, người ta thiết kế các thanh PDU theo chiều dọc. Tuy nhiên, khi chọn PDU theo chiều dọc, cần xem kỹ không gian trong tủ rack có đủ để lắp thanh PDU không.
Loại chấu cắm: Hầu hết các thiết bị CNTT ngày nay đều sử dụng kiểu chấu cắm và dây nguồn theo chuẩn IEC. Điều này giúp mọi thiết bị sử dụng thống nhất trên toàn thế giới.
Các nhà điều hành Trung tâm Dữ liệu thường chọn PDU theo chuẩn IEC. Ngoài ra, cần lựa chọn cáp nguồn phù hợp để kết nối từ PDU tới các thiết bị. Trước đây, các chuẩn cắm PDU theo IEC không phù hợp khi sử dụng ở Bắc Mỹ, vì thiết bị của họ sử dụng dây kết nối theo chuẩn cắm NEMA. Sau này, các thanh PDU đã được thiết kế để phù hợp chuẩn cắm NEMA ở những khu vực này.
Số lượng ổ cắm: Cần tính toán số lượng ổ cắm để cung cấp đầy đủ cho các thiết bị. Chú ý rằng, nhiều thiết bị hiện nay thường được thiết kế nhiều hơn một nguồn điện ngõ vào để tăng tính dự phòng.

Những tính năng quan trọng của PDU

Để đảm bảo tính sẵn sàng cao cho các thiết bị CNTT quan trọng, người vận hành TTDL nên cân nhắc sử dụng các thanh PDU có khả năng đo thông số và điều khiển đóng/ngắt nguồn điện trên các ổ cắm.
Trên thực tế, trong bất kỳ hệ thống điện có thể xảy ra tình trạng dòng điện đổ dồn qua một nhánh điện nào đó. Khi đó, dòng điện tại đây sẽ cao hơn mức cho phép so với tính toán ban đầu. Ở những thanh PDU có lượng ổ cắm chưa sử dụng, khi gắn thêm vào một tải, PDU có thể bị quá tải, dẫn đến ngắt CB hoặc đứt cầu chì bảo vệ, gây ảnh hưởng đến các thiết bị đang hoạt động khác. Để giảm rủi ro quá tải PDU tới mức thấp nhất, việc đo kiểm các thông số điện năng là điều hết sức quan trọng.

Nếu chọn PDU có nhiều nguồn điện ngõ vào hoặc dùng nguồn điện ba pha, việc đo thông số điện ở tất cả các nhánh hay các pha riêng biệt là điều nên làm. Dòng điện định danh luôn cao hơn dòng điện thực tế cung cấp cho thiết bị. Do đó, cần đo chính xác các thông số thực tế để cung cấp thông tin đúng cho nhà vận hành TTDL tính toán sử dụng nguồn điện phù hợp khi thiết kế một Trung tâm Dữ liệu mới hay mở rộng thiết bị bên trong rack sau này.
Một số máy chủ ngày nay tích hợp công nghệ có khả năng đóng/ngắt nguồn điện như IPMI, DRAC của DELL hay iLO của HP. Tuy nhiên, giải pháp khởi động lại nguồn cho thiết bị thông qua PDU vẫn được khuyến cáo, vì các PDU cho phép điều khiển thiết bị CNTT bất kể chúng có tích hợp sẵn công nghệ này hay không. Sử dụng PDU có khả năng điều khiển đóng/ngắt nguồn điện ở ngõ ra giúp dễ dàng khởi động lại thiết bị khi xảy ra lỗi hoặc bị treo, giúp người điều hành xử lý sự cố nhanh nhất.

Khả năng quản lý từ xa

Ngoài tính năng đo các thông số điện, đóng/ngắt nguồn điện ngõ ra, một số PDU hiện nay còn có khả năng quản lý, giám sát, điều khiển từ xa qua đường truyền Internet (in-band), có thể gắn card mở rộng để tạo một kết nối riêng dự phòng(out-of-band). Hơn thế, nhiều hãng sản xuất còn hỗ trợ khả quản lý tập trung nhiều PDU trên một phần mềm, nên việc điều khiển dễ dàng hơn bao giờ hết. Công cụ quản lý có thể phát hiện khi thêm vào bất kỳ PDU nào. Quản lý theo nhóm ổ cắm ngõ ra giúp tăng khả năng điều khiển theo từng nhóm, hoặc khởi động lại thiết bị sử dụng hai nguồn điện một cách đồng bộ.
PDU với tính năng quản lý từ xa, hỗ trợ cả “in-band” và “out-of-band” sẽ giúp các nhà vận hành quản lý, giám sát nguồn điện dễ dàng mọi lúc mọi nơi, tăng độ tin cậy và tính sẵn sàng cho hệ thống TTDL. Ngoài ra, giám sát và điều phối điện hợp lý còn giúp tăng hiệu suất và giảm chi phí vận hành hệ thống.

4.Lựa chọn UPS phù hợp

Có thể nói, UPS (Bộ lưu điện) là thiết bị không thể trong bất cứ trung tâm dữ liệu hiện nay. Thiết bị này giúp cho các thiết bị trong hệ thống luôn được bảo vệ, tránh những hư hại do việc nguồn điện bị mất bất ngờ (hoặc không ổn định) gây ra. Tuy nhiên, nhà quản trị mạng cần phẩn cân đo đong đếm lượng điện năng tiêu thụ của các thiết bị trong TTDL một cách tương đối chính xác để tránh trường hợp dung lượng của UPS không thể tải nổi toàn hệ thống hoặc quá thừa thãi, gây lãng phí về mặt tài chính.

Kết luận
Lựa chọn một giải pháp phân phối điện tốt không chỉ đảm bảo cung cấp đủ công suất nguồn điện cho thiết bị, mà còn giúp quản lý, giám sát, điều khiển nguồn điện dễ dàng và hiệu quả hơn.
Về mặt điện năng, nên chọn thiết bị CNTT hoạt động ở dãy điện áp từ 200-250V để tăng hiệu suất. Khi công suất tải trong tủ rack vượt quá
5 kW, cần sử dụng nguồn ba pha thay cho nguồn điện một pha để đảm bảo nguồn điện không bị quá tải. Về mặt vật lý, nên sử dụng các loại PDU thuận tiện cho quá trình lắp đặt, và cần tính toán số lượng, loại ổ cắm phù hợp với yêu cầu của thiết bị.
PDU với khả năng quản lý thiết bị từ xa giúp giám sát và điều khiển nguồn điện một cách dễ dàng mọi lúc mọi nơi, giúp tăng tính sẵn sàng và hiệu suất TTDL lên mức cao nhất có thể.