مهاجرت به مراکز داده ابری؛ راهکار طلایی و بلندمدت برای حل ناترازی برق

رسیدن ایران به ناترازی انرژی، آن هم در بسترِ هم‌آیندیِ بحران‌های گوناگون، اهمیت بخش انرژی را دوچندان می‌کند. از سوی دیگر، در همین شرایط، توسعه‌ی مراکز داده‌ به عنوان یکی از زیرساخت‌های کلیدی کشور - که از قضا نیازمند مصرف بخش قابل‌توجهی از برق کشور است - یک ضرورت است. حفظ امنیت و محرمانگی داده‌های گوناگون و کاهش ریسک آسیب‌پذیری آن‌ها، باعث می‌شود بسیاری از سازمان‌ها و شرکت‌ها، توسعه‌ی مراکز داده درون مرزهای کشور و حفظ استقلال نسبی از مراکز داده‌ی فرامرزی را در اولویت قرار دهند.

به‌طور کلی، برق مورد نیاز مراکز داده در شش حوزه مصرف می‌شود:

۱. رایانش و عملیات محاسباتی | شامل CPU، GPU، شتابدهنده‌های AI، حافظه و منبع تغذیه‌ی سرورها (PSU)

۲. سیستم‌های ذخیره‌سازی | شامل NAS/SAN، دیسک‌ها و SSD

۳. تجهیزات شبکه | شامل سوییچ‌ها، روترها، و load balancers

۴. سیستم‌‌های خنک‌کننده و تنظیم شرایط محیطی | شامل چیلرها، پمپ‌ها، برج‌های خنک‌کننده، فن‌ها و CRAH/CRAC

۵. تلفات انتقال و تنظیم قدرت | شامل تلفات UPS، ترنسفورمرها، واحدهای توزیع برق (PDU) و رکتیفایرها

۶. سایر زیرساخت‌ها | نورپردازی، امنیت، سیستم‌ مدیریت ساختمان (BMS)، پشتیبانی و دفتر کار

مصرف برق در هر یک از این ۶ حوزه، بسته به نوع مرکز داده، متفاوت است؛ اما آن‌چه که میان همه‌ی انواع مشترک است، این است که بخش ۱ یعنی «رایانش و عملیات محاسباتی» و بخش ۴ یعنی «سیستم‌‌های خنک‌کننده و تنظیم شرایط محیطی»، بیشترین سهم را در مصرف برق مراکز داده دارند. بنابراین، در راستای کاهش مصرف برق در مراکز داده، راهکارهای مربوط به این دو بخش اولویت دارند.

۱. تعیین سقف مصرف انرژی: مصرف انرژی - به‌ویژه‌ برای GPUها - می‌تواند براساس هر بارِ کاری (workload) دارای سقفِ تعیین‌شده باشد. این راهکار به طور ویژه مناسب پردازش سریع (HPC) و هوش مصنوعی است. بدیهی است که تعیین سقف‌های بسیار محتاطانه، باعث کاهش شدید عملکردهای محاسباتی (مانند تربیت الگوریتم‌های هوش مصنوعی) می‌شود.

۲. مدیریت پویای ظرفیت پردازشی: خاموش کردن سرورها یا قرار دادن آن‌ها در وضعیت خواب عمیق در زمان عدم فعالیت و استفاده از آن‌ها «در هنگام نیاز» (on-demand) و تحت محدودیت‌های تعیین‌شده بر اساس موافقت‌نامه‌های سطح خدمات (SLA)، مصرف برق را کاهش می‌دهد. این راهکار به طور ویژه برای مصارف دارای ترافیک‌های متغیر - مانند ترافیک وبسایت‌ها و اپلیکیشن‌ها - می‌تواند کارآمد باشد.

۳. مجازی‌سازی (Virtualization) و ادغام سرورها: با مجازی‌سازی سرورها و ادغام بارهای کاری روی سرورهای کمتر، زمینه برای بازنشسته‌ کردن سرورهای اضافی فراهم می‌شود. سازمان‌های دارای مرکز داده‌ی اختصاصی، در صورتی که ترجیح ندهند که به‌طور کامل به مراکز داده‌ی ابری مهاجرت کنند، می‌توانند از این رویکرد بهره ببرند.

۴. بهینه‌سازی پیشرفته بر مبنای هوش مصنوعی و یادگیری ماشین: تجهیز زیرساخت تأسیساتی مراکز داده به حسگرها و کنشگرها، خودکارسازیِ فعالیت‌ِ آن‌ها، و تنظیم میزان فعالیت بر اساس ورودی‌های گوناگونِ داده - که با هوش مصنوعی و یادگیری ماشین تحلیل می‌شوند - شرایط محیطی را به‌سوی بهینه شدن پیش می‌برد. این راهکار به طور ویژه برای مراکز داده‌ی بزرگ کارآمدتر است.

۵. اصلاح جریان هوا: طراحی راهروهای گرم و سرد به‌صورت تفکیک‌شده و نیز مسدود کردنِ نشتی‌های هوا، می‌تواند از اختلاط هوای سرد و گرم پیش‌گیری کرده و بازدهی مصرف برق را افزایش دهد. مادامی که انسان‌ها و سرورها در یک فضای مشترک به نام مرکز داده فعالیت می‌کنند، تفکیک فضاهای تردد انسان‌ها به کاهش مصرف برق کمک زیادی می‌کند. این در حالی است که انتظار می‌رود در آینده‌ی نزدیک، مسئولیت بخش مهمی از کارهای مربوط به نگهداری، تعمیرات، پایش و ... به ربات‌های انسان‌نما و سایر ربات‌ها سپرده شود. در این صورت، راهروهای گرم می‌توانند از مراکز داده حذف شوند و دمایی نسبتاً یکدست متناسب با نیازهای سرورها در محیط تنظیم شود.

۶. به کارگیری سرمایش مایع: انتقال گرما به‌صورت معمول توسط هوا و از طریق فن انجام می‌شود. در صورتی که حامل گرما از هوا به مایعات تغییر پیدا کند، می‌تواند نیاز به استفاده از فن‌ را کم کند. این راهکار بیشتر برای محدوده‌های بسیار متراکم سرورها مناسب است و با وجود هزینه‌ی اولیه‌ی بالا، می‌تواند با کاهش مصرف برق در بلندمدت، از نظر مالی هم صرفه داشته باشد.

بنابراین، اگر به‌عنوان یک سازمان یا بنگاه اقتصادی دارای مرکز داده‌ی اختصاصی، قصد داریم مصرف برق مرکز داده‌ را کاهش دهیم، می‌توانیم به اجرای راهکارهای بالا بپردازیم. اما چنان‌چه قصد داریم بر اساس تجربه‌ی کشورهای توسعه‌یافته در مسیری استوارتر با نگاهی بلندمدت‌تر گام برداریم، گزینه‌ای طلایی پیشِ رو داریم: مهاجرت به مراکز داده‌ی ابری.

مهاجرت به ابر، از منظر سه شاخص کلیدی، یک راهبرد اثربخش در کاهش مصرف برق مراکز داده است:

مزیت‌های مراکز داده‌ی ابری از نظر شاخص PUE: شاخص اثربخشی مصرف برق (PUE) یکی از مهم‌ترین شاخص‌های اندازه‌گیریِ بهره‌وری انرژی در مراکز داده است. با این شاخص می‌توان فهمید که نسبت کل برق مصرفی مرکز داده به برق مصرفی تجهیزات IT چه‌قدر است. هرچه PUE به عدد ۱ نزدیک‌تر باشد، یعنی سهم برق غیرمستقیم (سرمایش، تلفات UPS، توزیع برق، روشنایی و…) کمتر است. طبق نظرسنجی مؤسسه‌ی Uptime در سال ۲۰۲۴، میانگین جهانی PUE مراکز داده نزدیک به ۱.۵۶ است [۰۴]؛ عددی که بیشتر تحت تأثیر مراکز داده‌ی کوچک، قدیمی و غیر ابری باقی مانده است. این در حالی است که اپراتورهای بزرگ ابری، به شاخص PUE پایین‌تری دست یافته‌اند. برای نمونه، میانگین PUE مراکز داده‌ی گوگل در سال ۲۰۲۴ برابر با ۱.۰۹ بوده است.[۰۵] این عدد برای مراکز داده‌ی متا نیز ۱.۰۸ برآورد می‌شود.[۰۶] این بدان معنی است که مراکز داده‌ی ابری گوگل، متا، هوآوی و سایر اپراتورهای ابریِ هم‌تراز، فاصله‌ی چندانی تا این نقطه ندارند که بتوان گفت تقریباً همه‌ی برق آن‌ها صرف محاسبات می‌شود. هرچند ساخت یک مرکز داده‌ی غیر ابری با PUE پایین نیز ممکن است، اما در مقیاس بزرگ، تنها توسعه‌ی مراکز داده‌ی ابری است که از نظر انرژی و نیز هزینه، می‌تواند صرفه داشته باشد.

مزیت‌های مراکز داده‌ی ابری از نظر شاخص نرخ استفاده: حتی اگر دو مرکز داده PUE یکسانی داشته باشند، میزان مصرف برق آن‌ها به نرخ استفاده از سرورها (Utilization) وابسته است. سروری که روشن است اما بار کاری کمی دارد، بخش بزرگی از برق خود را همچنان مصرف می‌کند. میانگین نرخ بهره‌برداری از سرورهای غیرابری (on-premise) حدود ۲۰٪ برآورد می‌شود. این در حالی است که در سرورهای ابری به دلیل تجمیع تقاضا و مقیاس بزرگ، این نرخ بیش از ۵۰٪ است. [۰۷] این یعنی سرورهای کمتری روشن می‌مانند و در نتیجه برق کمتری مصرف می‌شود.

مزیت‌های مراکز داده‌ی ابری از نظر شاخص چابکی در بهبود: مراکز داده‌ی ابری به دلیل مقیاس بزرگ‌، ظرفیت کنترل زنجیره‌ی تأمین، و ظرفیت پیشگیری از درگیر شدن مشتریان با لایه‌ی سخت‌افزاری، می‌توانند سریع‌تر از سایر مراکز داده به معماری‌های کم‌مصرف‌تر مهاجرت کنند. برای نمونه، پردازنده‌های AWS Graviton3 در مقایسه با نمونه‌های قبلیِ EC2، می‌توانند تا ۶۰٪ انرژی کمتری برای همان سطح عملکرد مصرف کنند. [۰۸] بنابراین، مراکز داده‌ی ابری علاوه بر این که برق کمتری مصرف می‌کنند، در پذیرش فناوری‌های جدید و کم‌مصرف، چابک‌تر عمل می‌کنند.