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민환 황
6 years ago
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1 포 / 커 / 스 포커스 저전력서버기술동향 권원옥 * 김성운 ** 김명준 *** 수십만대의서버를운영하는구글 (Google) 의가장큰고민은전기료이다. 전력문제는비단구글뿐아니라대부분의데이터센터가겪고있는심각한문제이다. 데이터센터의전력비용은전체운영비의가장큰부분을차지하고있다. 여기에서전력전달효율, 냉각효율및서버컴포넌트들의전력효율에이르기까지여러요소가복합적인원인에의해서낭비되는전력이많다. 따라서현재, 데이터센터냉각시스템, 서버플랫폼, 컴포넌트에이르기까지다양한저전력설계기법이연구되고있다. 특히서버전력과발열의가장큰부분을차지하는프로세서의기술은다중코어기술로빠르게발전하며전력소모량대비성능이쟁점이되고있다. 본고는서버플랫폼관점에서전력소모분석과전력절감기술의동향을다루고있다. 목 I. 서론 II. 전력사용현황 III. 서버전력절감기술 IV. 결론 * ETRI 서버플랫폼연구팀 / 연구원 ** ETRI 서버플랫폼연구팀 / 팀장 *** ETRI 인터넷서버그룹 / 그룹장 차 I. 서론 2007 년 2 월 LinuxWorld OpenSolutions Summit 에서전세계데이터센터의연간전력소모량을측정한연구조사가발표되었다 년한해동안미국내데이터센터에서사용된전력량은서버및냉각기구, 관련보조기구등의전력소모를포함해약 450 억 kwh 로, 금액으로환산하면 27 억달러에달하는것으로밝혀졌다. 전세계의데이터센터전력소모에따른비용을환산하면연간 72 억달러, 전력소모량으로는 1,200 억 kwh 에달하였다 [6] 년이후 5 년간데이터센터전력소모량은 2 배로증가하고있다 년 IDC 조사에의하면전산실의전력및냉각비용은새로운시스템구입비용의 4 배이상의비율로빠르게증가하고있다. 국내 IDC 센터의전력사정도비슷하다. 서울의 - 1 -

2 주간기술동향통권 1306 호 한 IDC 의경우최근수전용량을 2 만 kw 로늘렸다. 통상 1 만 kw 의수전용량이 30 평아파트 2 만가구를수용하는전력량이다. 소모전력량측면에서는 10 만가구규모의중소도시와 IDC 5 개가같은급이라는이야기다. 전력소모량증가로인한어려움이단순히데이터센터나 IDC 의수전용량을늘리거나전기료를할인하는정도로해결될사안이아니다. 앞으로데이터센터의신축이잇따르면서에너지효율화문제는더큰이슈로부상할전망이다. 시스템비용보다전력소모량증가에따른운용비용이더큰부담이될것이기때문이다. 세계적으로데이터센터의전력문제를해결하기위한노력은다양하게이루어지고있다. AMD, HP, IBM, SUN 을비롯한많은회사들이 2005 년 4 월 Green Grid Project 란이름으로모임을결성하여데이터센터의전력문제를연구하고있다. 로렌스버클리국립연구소 (Lawrence Berkeley National LAB) 는전력효율을세배로증가시킬수있는새로운데이터센터의연구를시작하고있다. IBM 은 Green Datacenter 구축을위해서서버가상화기술및 프로바이징 (provisioning) 기술, 액체쿨링시스템 등을개발하고있다. 동작속도에열을올리던 Intel, AMD 같은프로세서개발회사는이젠와트당성능을중시하는고효율의프로세서를출시하고있다 년상반기듀얼코어에 65W 소모전력프로세서에서 Quad 코어에 50W 저전력서버프로세서까지시장에출시되고있다. 본고는저전력서버를구현하기위한최근의기술동향을플랫폼관점 (Platform View) 에서다루고있다. 특히프로세서, 전력공급기효율, 랙파워구성에서전력절감의기술동향을분석하도록한다. II. 전력사용현황 1. 데이터센터전력현황 ( 그림 1) 은데이터센터의전력전달경로를나타내고있다. 입력 3 상전압은 UPS 를거쳐공조를위하여 AHU 에전달되며, HVAC(Heating Ventilating Air Conditioning) 를위해데이터센터의 DC 전력의 30~40% 가소모된다. 나머지전력중에서도전력전달, AC to DC 전환, 냉각등에의한전력소모는 30% 를넘는다. 따라서전체데이터센터의전력의 35% 정도만이순수한컴퓨팅파워에사용된다. 나머지 65% 의전력은전력변환손실, 항온항습장치, 냉각장치에등에사용된다. 앞서살펴본바와같이데이터센터의전력소모는크게 3 가지로구분할수있다. 첫째, 순 - 2 -

포커스 - AHU: Air Handling Unit, part of cooling system - PDU: Power Distribution Unit - PS: Power Supply - UPS: Uninterruptible Power Supply Grid 3-Phase ( 그림 1) 데이터센터의전력흐름 [1] 수한컴퓨팅부하,

냉각장치로는 Chiller 가가장큰전력소모를나타내며, 각종냉각팬, 공조장치에서전력소모가있다. Intel 자료에의하면 100W 의전력을서버에공급하기위해서는데이터센터에서는 275W 전력이소모된다고보고되고있다. ( 그림 2) 는 100W 서버부하공급시데이터센터의전력소모를나타내고있다.

3 포커스 - AHU: Air Handling Unit, part of cooling system - PDU: Power Distribution Unit - PS: Power Supply - UPS: Uninterruptible Power Supply Grid 3-Phase ( 그림 1) 데이터센터의전력흐름 [1] 수한컴퓨팅부하, 둘째, 전력전달손실, 셋째, 냉각장치이다. 전력전달손실은 AC to DC 전환을담당하는 PSU(Power Supply Unit) 에서가장큰전력손실이발생한다. 그리고 UPS, VRM (Voltage Regulator Module), PDU(Power Distribution Unit) 등에서전력손실이발생한다. 냉각장치로는 Chiller 가가장큰전력소모를나타내며, 각종냉각팬, 공조장치에서전력소모가있다. Intel 자료에의하면 100W 의전력을서버에공급하기위해서는데이터센터에서는 275W 전력이소모된다고보고되고있다. ( 그림 2) 는 100W 서버부하공급시데이터센터의전력소모를나타내고있다. 부하에서소모되는전력외에데이터센터냉각장치와 PSU 소모전력이가장큰비중을차지함을알수있다. Total 275W Load 100W Room cooling system 70W UPS +PDU 20W Server Fans 15W PSU 50W VR 20W ( 그림 2) 100W 서버부하공급시데이터센터의전력소모 [3] 2. 서버플랫폼의컴포넌트별전력소모 본고는데이터센터의냉각, 전력전달에서전력절감기술보다는서버내부에서전력절감기 - 3 -

4 주간기술동향통권 1306 호 Drives PCI 6% Planar 6% 4% Memory 11% Processors 30% Standby 2% Other 44% Fans 9% DC/DC losses 10% AC/DC losses 10% 894W AC total Planar 3% Memory 9% Processors 25% Drives PCI 9% 7% Standby 2% Other 45% Fans 12% DC/DC losses 8% AC/DC losses 25% 1,082W AC total ( 그림 3) 1U( 좌 ), 2U( 우 ) 서버시스템의컴포넌트별전력소모 [1] 술에초첨을맞추고있다. 따라서서버내부컴포넌트별전력소모를분석할필요성이있다. ( 그림 3) 은 1U( 좌 ) 와 2U( 우 ) 서버로구성된랙의전력소모에대한분석을각각나타내고있다. 1U 시스템은각노드당 894W 전력을소모하며, 랙당 40 개의노드로구성되어있다. 2U 시스템의경우각노드당 1,082W 전력을소모하며, 랙당 20 개의노드로구성되어있다. 두개의시스템의결과는거의유사하며, 일반적으로데이터센터에많이사용되는 1U 시스템을기준으로컴포넌트별전력소모를살펴보도록한다. 서버시스템에서전력을가장많이소모하는소자로는프로세서로약 30% 를차지한다. 다음으로 PSU 의 AC/DC 전환손실이 25% 를차지한다. 다음으로메모리, VRM 의 DC/DC 전환손실, 냉각팬이각각 10% 전력을소모한다. 그외 HDD 저장장치, 메인보드의칩셋, PCI 같은 I/O 장치등은서버전력소모량에비해미미한수준이다. 서버전력절감을위해서는서버에서가장전력소모가많은프로세서와 PSU 효율에중점을두어야함을알수있다. 다음은서버시스템에서전력절감의기술을살펴보도록한다. III. 서버전력절감기술 서버를위한전력절감기술은크게서버플랫폼하드웨어수준과운영체제및관리수준으로 나누어생각할수있다. 본고는플랫폼하드웨어관점에서전력절감기술을살펴보도록한다. 1. 프로세서전력절감기술앞서살펴보았듯이서버컴포넌트중에서가장전력소모가큰부분은프로세서이다. 프로세서전력절감기술은크게디바이스와운영체제가공동으로전력을절감하는기술과 BIOS 레벨에서전력을절감하는기술로나누어볼수있다. 전자의대표적인기술은 Intel 의 DBS(Demand - 4 -

5 포커스 ( 그림 4) Intel 의 DBS 기술 [1] Based Switching) 또는 SpeedStep, AMD 의 PowerNow! 기술이다. DBS 기술은부하에따라프로세서의동작전압과주파수를달리하여전력을절감하는기술이다. ( 그림 4) 는 Intel 의 DBS 기술을사용할경우전력절감을나타내고있다. 일반적으로컴퓨터서버는시간 (X 축 ) 에따라프로세서의부하가달라지며, 따라서 CPU0, 1 의사용량또한이에비례해서변하게된다. 그러나 DBS 기술을사용하지않을경우에는 CPU 의사용량이많고적음에관계없이일정한양의전력이소모된다 (P w/o DBS). ( 그림 4) 에서 CPU 사용량이많을때와적을때소모전력은불과 10% 정도밖에차이가없다. DBS 기술을적용시, Idle 상태에소모전력은 DBS 기술이적용되지않았을때와비교해서 20% 의전력절감효과가있다 (P with DBS). 또한프로세서에부하가많을경우에도 10~15% 정도전력절감의효과가있다. Intel 측은 DBS 를사용할경우약 25% 의전력절감효과가있다고보고하고있다. 이는 316W 전력을소모하는서버의경우 DBS 기술을적용하면 240W 수준으로절감이가능하며, 이로인한연간전력절감액은 500 대서버기준으로 1 억원 ( 냉방비포함 ) 에이른다. 앞서언급한 DBS, PowerNow! 같은기술은프로세서뿐아니라운영체제가이러한전력절감기술을반드시지원해야된다. 만약운영체제가이러한전력관리기능을지원하지않을경우프로세서는항상 Pmax( 최대전력상태 ) 상태에서동작하게된다. 운영체제나프로세서의도움없이 BIOS 수준에서프로세서의부하를모니터링하여자동으로프로세서의전력상태천이를제어하는기술도있다. HP 사의 Power Regulator 라불리우는 BIOS 준위프로세서전력제어기술은매 125ms 마다프로세서의성능카운터를체크하여프로세서의점유율 (Utilization) 을측정하여 Pmax 혹은 Pmin( 최소전력상태 ) 상태를결정하게된다. 일반적으로프로세서의점유율 - 5 -

6 주간기술동향통권 1306 호 이높을경우, 전력이부족하면프로세서성능저하의역효과가나타나게된다. 이를보안하기위해서 HP 의 Power Regulator 기술은프로세서점유율 70% 를기준으로그이하의경우 Pmin 상태로, 그이상의경우 Pmax 상태로동작하도록설계되었다. ( 그림 5) 는 BIOS 기반의프로세서전력관리기능을사용할경우전력절감에대해서나타내고있다. ( 그림 5) 의 Low vs. High 그래프는프로세서를항상 Pmin 상태로동작시킬경우항상 Pmax 상태로동작시킬경우보다전력절감정도를나타내었다. 프로세서의점유율이증가함에따라전력절감정도가선형적으로증가한다. 반면 Dynamic vs. High 그래프는프로세서점유율 70% 까지는 Pmin 상태동작과동일하나 70% 이상의경우성능저하방지를위해 Pmax 소모전력과동일한전력을소모함을볼수있다. ( 그림 5) BIOS 기반의프로세서전력관리 (Dynamic)[5] 일반적으로 BIOS 기반의프로세서전력절감기술은운영체제나프로세서의도움없이어떠한플랫폼에도동작가능한장점이있으나, 부하에따른프로세서상태를 Pmin 혹은 Pmax 두개로만관리함에따라최근출시되는프로세서의 DBS 기술보다효율이떨어지는단점이있다. 2. 전력공급기 (PSU) 의효율증대기술서버에서프로세서다음으로전력손실이가장큰부분은 AC/DC 전환을담당하는 PSU 의손실이다. ( 그림 6) 은일반적인서버의전력변환흐름을나타내고있다. 220V AC 전압은 UPS 를거쳐 AC/DC/AC 전환이발생한다. 이후 220V AC 전압은서버 PSU 를통해서 3.3V, 5V, 12V, -12V 의 DC 전압이생성되고마더보드의 VRM 의해필요한 DC 전압이발생된다. 일반 - 6 -

포커스 ( 그림 6) 현재서버 PSU 의 AC/DC 전력변환 [3] < 표 1> 부하에따른 PSU 의효율 [3] Loading 10% 20% 30% 50% 75% 100% Typical Case 57.4% 67.7% 71.9% 74.6% 74.2% 72.5% High Efficiency Case 69.7% 76.8% 79.0% 81.8% 81.7% 80.

7 포커스 ( 그림 6) 현재서버 PSU 의 AC/DC 전력변환 [3] < 표 1> 부하에따른 PSU 의효율 [3] Loading 10% 20% 30% 50% 75% 100% Typical Case 57.4% 67.7% 71.9% 74.6% 74.2% 72.5% High Efficiency Case 69.7% 76.8% 79.0% 81.8% 81.7% 80.7% 적으로 PSU 의효율은 70~75% 정도이며, 부하가 40% 미만일경우효율이저하된다. < 표 1> 은부하에따른 PSU 의효율을나타내고있다. 부하가 10% 일경우일반적으로 60% 이하의낮은효율을보이고있다. 구글 (Google) 은수십만대컴퓨터를운영하면서전기료로한달에 20 억이넘게지출하고있다. 몇년전부터전력소비의심각성을인지하고현재컴퓨터 PSU 의효율의문제점을연구했다. 앞서언급한현재 PSU 와 VRM 전체의전류변환효율은 60% 가채되지않는다. 구글은 PSU 가생성하는전압을 +12V 단일화하고그외전압은메인보드의 VRM 이담당하도록메인보드와 PSU 를제작하여몇년간데이터센터를운영해왔다. 운영결과이전보다 20~30% 전력절감을가져왔다. ( 그림 7) 은다중전압을생성하는기존의 PSU 와구글의 12V 만생성하는 PSU 의내부모습을보여주고있다. 구글이제안한 PSU 는단일전압생성으로구조가간단하며전력효율은이전보다우수한성능을보여주고있다. 최종적으로구글은데이터센터자체에서 +12V DC 전압을서버에공급하여서버에 PSU 를아예없애자고제안중이다. 이렇게되면서버에 PSU 가사라져가격절감효과가있을뿐아니라데이테센터내전력전달효율이더욱증가하여전기료절감효과가클것으로예상된다. 앞서 - 7 -

주간기술동향통권 1306 호 2007. 7. 25. ( 그림 7) 기존의 PSU( 좌 ) 와 12V 만생성하는 PSU( 우 ) 내부모습 [4] 구글이제한한 DC 전압공급데이터센터와유사하게 Lawrence Berkeley National LAB Project 에서 38

8 주간기술동향통권 1306 호 ( 그림 7) 기존의 PSU( 좌 ) 와 12V 만생성하는 PSU( 우 ) 내부모습 [4] 구글이제한한 DC 전압공급데이터센터와유사하게 Lawrence Berkeley National LAB Project 에서 380V DC 전압을공급하는시스템을만들어데이터센터전력효율을증대시키는 실험도이루어지고있다. 3. 랙 (Rack) 전력절감기술랙에장착된시스템의구성이나서비스에따라랙전체의전력소모를효과적으로예상하여랙시스템을구성하는것은중요하다. 일반적으로랙을구성할때는최대소비전력 (Nameplate power) 을고려하여서버를구성한다. 그러나일반적으로 Nameplate 전력은모두소비하는경우는극히드물며대부분 Nameplate 전력보다낮은전력을사용한다. 따라서전력절감을위해여러가지전력절감 (De-rating) 정책에의해보다효율적인랙을구성할수있다. ( 그림 8) 은랙의전력 De-rating 방법으로최대, 보통, 최소시스템구성에대한 Nameplate 접근법, Pconfig 사용법, Simple De-rating 방법을나타내고있다. 먼저서버가최소시스템구성으로장착된경우를살펴보면실제 Nameplate 구성시 7 대밖에랙에설치가불가능하다. 하지만실제서버컴포넌트별총소모전력 (Pconfig) 을구해보면랙당 20 대의서버가구성이가능하다. 즉 Nameplate 접근법과 Pconfig 접근법의차이가 13 대나됨을알수있다. 그리고단순한접근방법으로전력 De-rating 을고려할때 22 대까지랙구성이가능함을보이고있다. 물론시스템이최대의컴포넌트로장착된경우는 Nameplate 전력과 Pconfig 전력과의차이는거의없으며, 전력 De-rating 도줄어들게된다. 그러면실제시스템에서 Pconfig 값과 Derating 값을어떻게찾을수있을까? Pconfig 값은실제시스템의장착된컴포넌트와소모전력을 BIOS 에서읽어시스템전체의 - 8 -

포커스 ( 그림 8) 랙전력 De-rating 방법 [1] 소모전력을산출할수있다. 만약 Pconfig 값을기준으로랙전력을공급한다면실제랙소모전력과차이가발생할것이다. 이는모든시스템이항상최대의소모전력으로동작하지않기때문이다. 따라서실시간전력모니터링기능을통하여실질적인전력소모를측정하는것이필요하다.

9 포커스 ( 그림 8) 랙전력 De-rating 방법 [1] 소모전력을산출할수있다. 만약 Pconfig 값을기준으로랙전력을공급한다면실제랙소모전력과차이가발생할것이다. 이는모든시스템이항상최대의소모전력으로동작하지않기때문이다. 따라서실시간전력모니터링기능을통하여실질적인전력소모를측정하는것이필요하다. 일반적으로 PSU 와연결된 PSMI(Power supply monitoring interface) 혹은 PMBus 를통하여서실시간전력소모를측정할수있다. 이데이터를기반으로보다정확한전력 Derating 정책을펼수있다. IV. 결론 본고는서버플랫폼관점에서프로세서전력절감기술, 전력변환효율증대기술, 랙전력효율성증대기술을분석하였다. 현재데이터센터의가장큰이슈는전력문제이다. 저전력서버기술은전력소모가가장큰프로세서, 비효율적인전력변환장치에서활발히연구가진행중이다. 앞으로프로세서는저전력다중코어기술로지속적으로발전하며, 고효율전력변환장치나규격이정립될것이다. 프로세서나전력변환장치의전력효율이높아짐에따라냉각장치전력비용또한낮아져서버나데이터센터의냉각비용이줄어들것으로예상한다. < 참고문헌 > [1] Intel, Efficient Power Consumption in the modern Datacenter, William A Hammond, March 1, - 9 -

10 주간기술동향통권 1306 호 [2] Enabling High Efficiency Power Supplies for Servers, Chris Calwell and Brian Griffith, 2005 IDF [3] DC Power for Data Centers a demonstration, My Ton, Brian Fortenbery and Bill Tschudi, Open House Presentation Summer [4] High-efficiency power supplies for home computers and servers, Urs Hoelzel and Bill Weihl, Google Inc. September [5] HP, Power Regulator for ProLiant servers, Technology brief [6] 전세계데이터센터전력소모량은 72 억달러규모, ZDNet Korea, * 본내용은필자의주관적인의견이며 IITA 의공식적인입장이아님을밝힙니다

[이슈보고서]그린데이터센터 구현 기술 및 표준화 동향.hwp

[이슈보고서]그린데이터센터 구현 기술 및 표준화 동향.hwp Green IT Focus 그린데이터센터 구현기술 및 표준화 동향 제2호 (2010. 12) 목 차 Ⅰ. 개요 / 1 Ⅱ. 국내 데이터센터 시장 및 시설 현황 / 7 Ⅲ. 그린데이터센터 구현 기술 / 11 Ⅳ. 그린데이터센터 평가 관련 동향 / 22 Ⅴ. 그린데이터센터 표준화 동향 / 31 Ⅵ. 결언 / 35 Ⅶ. 부록 / 36 Green IT Focus 는