[논문 리뷰] Green Data Centers: A Survey, Perspectives, and Future Directions

Xibo Jin, Fa Zhang외 2명|arXiv (Cornell University)|2016. 08. 02.

Cloud Computing and Resource Management참고 문헌 112인용 수 29

한 줄 요약

이 논문은 에너지 효율성, 자원 관리, 열 제어 및 녹색 메트릭스에 중점을 두고 녹색 데이터센터 기술을 종합적으로 조사한다. 동적 전압 및 주파수 스케일링, 가상 머신 통합, 공기 흐름 최적화와 같은 기존 기법들을 종합적으로 분석하고, 지속 가능한 고효율 데이터센터를 달성하기 위한 핵심 연구 과제를 규명한다.

ABSTRACT

At present, a major concern regarding data centers is their extremely high energy consumption and carbon dioxide emissions. However, because of the over-provisioning of resources, the utilization of existing data centers is, in fact, remarkably low, leading to considerable energy waste. Therefore, over the past few years, many research efforts have been devoted to increasing efficiency for the construction of green data centers. The goal of these efforts is to efficiently utilize available resources and to reduce energy consumption and thermal cooling costs. In this paper, we provide a survey of the state-of-the-art research on green data center techniques, including energy efficiency, resource management, thermal control and green metrics. Additionally, we present a detailed comparison of the reviewed proposals. We further discuss the key challenges for future research and highlight some future research issues for addressing the problem of building green data centers.

연구 동기 및 목표

• 저활성도 및 과잉 프로비저닝으로 인한 데이터센터의 증가하는 에너지 소비와 이산화탄소 배출을 해결하기 위해.
• 현재 데이터센터 운영에서의 비효율성, 즉 저활성도 서버와 냉각 손실을 규명하기 위해.
• 에너지 효율성, 자원 관리, 열 제어 및 메트릭스 분야에서 녹색 데이터센터 기법에 대한 체계적인 리뷰를 제공하기 위해.
• 연구 격차를 부각하고 지속 가능한 데이터센터 설계 및 운영을 위한 향후 방향을 제안하기 위해.

제안 방법

• 에너지 효율성, 자원 관리, 열 제어 및 녹색 메트릭스의 네 분야에서 녹색 데이터센터 기법에 대한 최신 연구를 종합 조사하였다.
• 전력 소비, 열 거동 및 자원 할당을 모델링하기 위해 GreenCloud, GDCSim 및 SimWare와 같은 시뮬레이션 도구를 평가하였다.
• CPU 및 네트워크 구성 요소에 대한 동적 속도 스케일링, 전원 차단 메커니즘 및 DVFS를 포함한 전력 관리 기법을 분석하였다.
• 자원 활용도 향상과 에너지 낭비 감소를 위해 가상 머신 할당 및 네트워크 트래픽 엔지니어링 전략을 검토하였다.
• 냉각 및 워크로드 분포 전략과 같은 열 제어 방법과 온도-신뢰성 간의 상충 관계를 분석하였다.
• 확장 가능하고 정확한 에너지 효율성 평가를 지원하기 위해 녹색 메트릭스, 모니터링 및 실험 플랫폼을 위한 설계 지침을 제안하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 현재 데이터센터에서 에너지 낭비의 주요 원인은 무엇이며, 운영 개선을 통해 어떻게 완화할 수 있는가?
• RQ2 DVFS 및 전원 차단과 같은 동적 전력 관리 기법은 데이터센터의 에너지 소비를 얼마나 효과적으로 줄일 수 있는가?
• RQ3 가상 머신 통합은 자원 활용도 향상과 에너지 사용 감소에 어떤 역할을 하는가?
• RQ4 공기 흐름 최적화 및 CRAC 제어와 같은 열 제어 전략은 냉각 비용 감소와 효율성 향상에 어떻게 기여하는가?
• RQ5 효과적인 녹색 메트릭스, 모니터링 시스템 및 시뮬레이션 플랫폼의 핵심 설계 원칙은 무엇인가?

주요 결과

• 데이터센터는 일반적으로 6%에서 12%의 활용도로 운영되어, 높은 전력 수요에도 불구하고 막대한 에너지 낭비를 초래한다.
• 2013년 미국 데이터센터의 전력 소비는 약 910억 kWh로 추정되었으며, 2020년까지 1400억 kWh로 증가할 것으로 예측된다.
• 2011년에서 2012년 사이에 전 세계 데이터센터의 전력 수요는 63% 증가하여 38GW에 도달했으며, 2020년까지 전 세계 전력 사용의 약 8%를 차지할 것으로 예측된다.
• GreenCloud 및 GDCSim와 같은 시뮬레이션 도구는 전력 및 열 거동을 세밀하게 모델링할 수 있어 녹색 데이터센터의 반복적 설계를 지원한다.
• 공기 흐름 관리 및 CRAC 제어와 같은 열 제어 전략은 냉각 관련 에너지 낭비를 크게 줄인다.
• 현재의 모니터링 및 시뮬레이션 플랫폼은 일반적으로 군집화되어 있고 구성 요소 중심이므로, 종합적 최적화를 제한하며, 더 통합적이고 확장 가능한 솔루션이 필요하다.