Euroopan komissio haluaa määritellä myös datakeskuksen hiilijalanjäljen. Tätä varten käynnistettiin pilottiohjelma jo vuonna 2013. Tavoite on harmonisoida lainsäädäntö koko unionin alueella.

Ranskalainen Patrick Le Fèvre tuli Ericssonin palvelukseen kesällä 1996. Hän on työskennellyt Ericssonin tehomoduulien yksikössä ensi tuotepäällikkönä, tuotelinjan johtajana ja vuodesta 2000 lähtien tehomoduulien liiketoiminnan kehityksestä vastaavana johtajana. Vuodesta 20001 alkaen hän on vastannut Ericssonin tehomoduulien markkinointi- ja viestintäjohtajana. Hän on kirjoittanut useita artikkeleita ja markkinointiesityksiä. Le Fèvrellä on elektroniikan, mikroelektroniikan ja markkinoinnin opintoja Ranskassa.

Tuotteiden hiilijalanjälkeen viitataan termillä PEF (Product Environmental Footprint). Komissio määrittelee PEF-kategoriasäännöt ja johtavat valmistajat tuottavat tuoteryhmäspefisit, tuotteiden elinkaareen perustuvat säännöt suunnittelulle ja valmistukselle. Tavoite on saada yksityiskohtaisempi ja täydempi käsitys tuotteiden ympäristövaikutuksista, kuin nykyinen toimintatehokkuuteen perustuva laskentatapa.

Elinkaariarvio ottaa huomioon toiminta-aikana kulutetun energian lisäksi tuotteen valmistuksen, asennuksen, purkamisen ja kierrättämisen aiheuttavan energian ja resurssien kulutuksen. Elinkaarianalyysi tuo sekä valmistajille että käyttäjille tarkemman kuvan koko järjestelmän ympäristövaikutuksista. Tuloksena on holistisempi kuva päätöksistä, jotka vaikuttavat vihreiden datakeskusten ja niihin asennettavien IT-laitteiden valintaan. Esimerkiksi toiminnaltaan energiatehokas mutta käyttöaikanaan epäluotettava tuote, joka perustuu vähemmän kestävään suunnitteluun ei välttämättä mahdollista ”vihreämmän” tuotelinjan kehitystä.

Kuva 1. PEF-pilotit sisältävät projekteja, joissa tarkastellaan suorituskykyisiä, datakeskuksissa käytettäviä IT-laitteita.

Keskeistä valmistajille ja järjestelmäintegraattoreille on minimoida kaikki vaikutustekijät varmistaakseen, että ympäristövaikutuksiin saadaan tasapainoinen lähestymistapa. Teholähdearkkitehtuuri on keskeisessä roolissa varmistamassa oikeaa tasapainoa, sillä se minimoi sekä toiminnan aikana käytetyn energian määrän, että vaadittujen muiden resurssien tarpeen.

Tämä edellyttää sellaisen teholähderakenteen käyttämistä, mikä tukee reaalimaailman datakeskusten palvelimien vaatimuksia ja mikä toimii nykyisten tiheiden tietokonearkkitehtuurien kanssa, jotka käyttävät laajasti liikkuvia, virtualisoituja kuormia ja hyvin adaptiivisia energian säästötapoja.

Näihin palvelinvaatimuksiin vastaaminen vaatii sekä edistynyttä tehomuunnossuunnittelua että kokemusta optimoida sitä järjestelmän tasolla. Palvelimessa integraation asteen kasvu on tehnyt mahdolliseksi pakata useita prosessoriytimiä ja tukilogiikkaa samalla SoC-järjestelmäpiireille (system-on-chip), joita jokaiselta kortilta löytyy useita. Väylämuuntimissa, jotka yleisesti tunnetaan nimellä ”brick” ja jotka syöttävä tehoa palvelinkorteille, on pitänyt lisätä kapasiteettia. Vain kaksi vuosikymmentä sitten 150 wattia oli brick-luokan teholähteen realistinen maksimi. Nyt jopa neljäsosa-brick-muuntimet, jotka vievät piirikortilla tilaa vain 21 neliösenttiä, voivat ajaa jopa 864 watin tehoa ja pian jopa kilowatin verran. Pian järjestelmissä tarvitaan kolmen kilowatin muuntimia.

Kuva 2. Vain 20 vuotta sitten 150 wattia oli brick-muuntimen realistinen raja. Tänään jopa neljännesosa-brickeissä voidaan aja ajopa 864 watin tehoja. Pian ollaan yhdessä kilowatissa.

Tässä tiheän tehon ympäristössä lämpöyhteensopivuus on yksi keskeisiä tekijöitä. Tämä edellyttää tehomuunnospiireiltä suurta tehokkuutta, jotta järjestelmästä poisjohdettavan hukkalämpö vähenisi. Se on kuitenkin yksi datakeskusten suurimpia kustannuseriä. Tehokas tehonmuunnostopologia on vain yksi osa elinkaariresurssien ympäristötekijöitä. Joustava suunnittelu ja huomion kiinnittäminen tehoarkkitehtuuriin ylipäätään on olennaista.

Koska palvelinten jäähdyttämisen tärkeimmät metodit ovat ilman johtuminen ja tuulettaminen, ilmavirran kulku on tehoalijärjestelmän suunnittelussa tärkeä komponentti. Avoimeen kehikkorakenteen teholähteistä on tullut suosittuja, koska niiden rakenne parantaa ilmavirtauksen tehokkaasti. Niissä myös käytetään vähemmän metallirakenteita ja kotelointeja. Niiden todellinen suorituskyky riippuu kuitenkin toimintaolosuhteista.

Avoimen rakenteen suunta suhteessa ilmavirtaan on paljon herkempi kuin suljetuissa rakenteissa. Mikä tahansa neljästä mahdollisesta teholähteen asennosta voi osoittautua parhaaksi tietyssä tilanteessa. Joustavan suunnittelun avulla voidaan varmistaa se, että oikeaan asentoon valitaan oikea teholähde. Huolellinen suunnittelu johtaa paitsi pienempiin toimintakustannuksiin jäähdytyksen parantuessa, myös mahdollisuuteen käyttöön pienempitehoisia tuulettimia ja pienempää määrää jäähdytyselementtejä, mikä alentaa valmistuskustannuksia ja pienentää resurssien käyttöä.

Kuva 3. Ohjelmistotyökaluilla voidaan suunnitella, simuloida, analysoida ja konfiguroida jänniteregulaattori. Työkaluilla, kuten Ericssonin DC/DC Power Designerilla on mahdollista kehittää tehokkaita ohjaussilmukoita minuuteissa ja hyödyntää digitaalisen ohjauksen lisäsuorituskykyä.

Tukeakseen moniydinpalvelimien korkeita virtoja ja luotettavuusvaatimuksia teholähteitä pitää usein käyttää rinnakkaisissa N+1-konfiguraatioissa. Regulointi on avainasemassa rinnakkaisissa arkkitehtuureissa. EI-reguloiduissa välimuuntimissa on tyypillisesti parempi hyötysuhde kuin reguloiduissa, mutta ne eivät sovi kaikkiin kohteisiin. Tällaisia ovat laajan tulojännitteen akkukäyttöiset järjestelmät tai järjestelmät joissa teholähteet ovat rinnakkaisia. Rinnakkaisessa toiminnassa on iso riski jatkuvalle ylijännitteelle, minkä takia välijännitemuuntimet voivat ylikuumentua, mikä heikentää energiatehokkuutta, sekä luotettavuutta ja elinikää. Tämä taas nostaa merkittävästi elinkaarikustannuksia.

Eristäminen vaikuttaa energiatehokkuuteen ja lämpöyhteensopivuuteen. Vaikka täysin eristettyjä välimuuntimia ja POL-muuntimia on tarjolle, näiden liiallinen käyttö kasvattaa materiaalikustannuksia ja heikentää tehokkuutta. Palvelimen suunnitteluun pitää kiinnittää erittäin suurta huomiota, jotta eristys saadaan tehtyä sopivasti juuri suunniteltavaa tuotetta varten.

Lisää optimointi saadaan aikaan tehomuuntimien topologioilla. Tämän päivän palvelimissa käytetyt järjestelmäpiirit on valmistettu edistyneillä nanometriluokan prosessoreilla, jotka paitsi toimivat alhaisilla jännitteillä - jotkut jopa selvästi alle yhdellä voltilla - säätävät syöttöjännitettään hienojakoisesti maksimoidakseen energiatehokkuutensa. Varmistaakseen piirien oikean toiminnan teholähteeltä tuleva syöttöjännitteellä on hyvin pienet toleranssit, usein alle ±30 millivolttia.

Perinteisesti tehonmuunnossuunnittelu on turvannut analogisiin ohjaustekniikoihin, joissa säätäminen on tapahtunut ulkoisten passiivikomponenttien huolellisella valinnalla. Yhdessä nämä komponentit muodostavat ohjaussilmukan, joka pysyy vakiona muuttuvien kuormavaatimusten alla. Mutta tämä on jäykkä lähestymistapa. Pienetkin muutokset lähtöjännitteessä edellyttävät sitä, että passiivikomponentit ja niiden sijoittelu mietitään uudelleen parhaan ohjauksen ja suorituskyvyn saavuttamiseksi. Tämä on epäkäytännöllistä, koska se tarkoittaisi muutoksia piirikorttiin ja komponentteihin, joten muutoksiin ei lähdetä.

Kuva 4. Avoimen kotelorakenteen suunta suhteessa ilmavirtaan on paljon herkempi kuin suljetuissa rakenteissa. Mikä tahansa mahdollista teholähteen asennoista voi olla paras jossakin tietyssä tilanteessa.

Digitaalinen ohjaus on joustavampi ja tehokkaampi tapa. Sen avulla saadaan suorituskykyinen tehonmuunnos tiukoilla jännitetoleransseilla, joita kehittyneet prosessorit vaativat suoriutuakseen nopeasti muuttuvista vaatimuksista. Digitaalisen ohjauksen avulla on mahdollista parantaa ja optimoida dynaamista vastetta muuttuviin kuormiin. Näistä eduistaan huolimatta järjestelmäsuunnittelijat ovat yleensä vältelleet digitaalisia ohjaussilmukoita, koska niiden asettaminen voi olla monimutkaista ja aikaa vievää, mikäli se pitää tehdä manuaalisesti.

Ohjelmistotyökalut tarjoavat keinon suunnitella, simuloida, analysoida ja konfiguroida jänniteregulaattori. Käyttämällä Ericssonin DC/DC Power Designerin kaltaisia työkaluja on mahdollista suunnitella tehokkaita ohjaussilmikoita minuuteissa ja hyödyntää digitaalisen ohjauksen mahdollistama tehokkuus. Ohjelmisto sisältää yksinkertaisia työkaluja ohjaussilmukoiden suunnittelemiseen, sekä edistyneempiä suunnittelu- ja analyysityökaluja dynaamiseen vasteen suorituskyvyn optimointiin.

Digitaalinen ohjaus voi myös vähentää materiaalien käyttöä edullisempien passiivikomponenttien hyödyntämisen kautta, sillä niitä voidaan käyttää korkeataajuuksisissa kytkinmuuntimissa. Ohjelmistolla voidaan puolestaan määritellä kondensaattorien ideaalit tyypit ja määrä, joka tarvitaan vastaamaan vaativiin tilapäisiin kuormiin suuritiheyksisissä palvelimissa.

Ottamalla järjestelmätason vaatimukset huomioon palvelinkeskusten edistyneiden IT-järjestelmien suunnittelijat voivat vastata tuleviin tiukkoihin juridisiin vaatimuksiin, jotka perustuvat tuotteiden elinkaaripohjaisiin ympäristövaikutuksiin. Teholähteiden toimittajat, joilla on kokemusta markkinoista voivat varmistaa, että järjestelmäsuunnittelijoilla on käytössään hyvät työkalut tätä varten.