Architecture améliorée pour datacenters à haut rendement et haute

Architecture améliorée pour
datacenters à haut rendement
et haute densité
Révision 1
Par Neil Rasmussen
Introduction
2
Où va toute l'énergie ?
3
Une architecture optimisée
pour datacenters
6
Comparaison avec les
approches conventionnelles
8
Comparaison avec d'autres
approches
18
Limites pratiques aux
performances
21
Conclusion
22
Ressources
23
Livre Blanc 126
Plus de 60 000 000 de mégawatheures d'électricité
qui pourraient servir à l'alimentation des systèmes
informatiques, sont gaspillés chaque année par les
infrastructures d'alimentation et de refroidissement
des datacenters à travers le monde. Cela représente
une charge financière considérable pour les
entreprises et constitue un enjeu essentiel en
matière de politique publique de protection de
l'environnement. Ce document décrit les principes
d'une nouvelle architecture de datacenters susceptible
d'améliorer le rendement énergétique
des datacenters de manière radicale.
Résumé Général
>
Cliquez sur une section pour y accéder
directement
Table Des Matières
by Schneider Electric. Les livres blancs APC font maintenant partie de la bibliothèque
Schneider Electric produite par le
Datacenter Science Center
de Schneider Electric
[e-mail]

Architecture améliorée pour datacenters à haut rendement et haute densité
Schneider Electric – Datacenter Science Center Livre Blanc 126 Rev 1 2
On considère que dans un datacenter type, moins de la moitié de l'électricité consommée
alimente réellement les charges informatiques. Plus de la moitié de la facture électrique concerne
en effet l'énergie consommée par le système d'alimentation, le système de refroidissement et
l'éclairage. La consommation énergétique totale se divise donc en deux facteurs principaux :
(1) l'électricité consommée par les charges informatiques et (2) l'électricité consommée par
l'équipement de servitude (Figure 1). Ce document traite de l'électricité consommée par
l'équipement de servitude, y compris les pertes au niveau des circuits d'alimentation et toute
l'électricité utilisée par l'équipement de servitude en dehors de ces circuits.
Les revendeurs de matériel informatique
proposent de nouvelles solutions, telles que la virtualisation, visant à réduire l'équipement
informatique nécessaire à l'exécution de certaines tâches et ainsi diminuer la consommation
d'électricité. Malheureusement, dans le même temps, la tendance des systèmes informatiques à
fonctionner à des densités supérieures et à des puissances variables réduit le rendement
énergétique des systèmes d'alimentation et de refroidissement des datacenters (voir encadré).
Il existe déjà un certain nombre de propositions qui envisagent de traiter le problème de
la perte d'énergie dans les datacenters en améliorant les performances des systèmes
d'alimentation et de refroidissement. Certaines d'entre elles, telles que le raccordement direct
de conduites d'eau aux périphériques informatiques et la distribution en courant continu,
qui promettaient d'accroître le rendement des systèmes de manière progressive, s'avèrent
aujourd'hui peu réalisables. Ce document présente une architecture de datacenter améliorée
(disponible aujourd'hui) qui permet de réduire la consommation d'énergie des systèmes
d'alimentation et de refroidissement des installations classiques de plus de 50 %.
Introduction
Figure 1
Consommation
de l'électricité dans
un datacenter
> Comment la haute
densité et les variations
de charge informatique
réduisent-elles le
rendement du
datacenter ?
Haute densité et charge dynamique
offrent en réalité une possibilité
d'accroître le rendement, si elles sont
soutenues par un système de
refroidissement par rangée
« intelligent ». Toutefois, si on omet
de reconsidérer le système
d'alimentation et de refroidissement
(une erreur courante), le résultat
pourra être le suivant :
Gaspillage de froid lié à l'extension du
système de refroidissement pour
couvrir les points chauds.
Charges réduites et surcapacité
d'alimentation et de refroidissement :
le rendement diminue parce que
l'allègement de la charge entraîne une
baisse de rendement des systèmes
d'alimentation et de refroidissement.
La perte de rendement liée à l'excès
d'alimentation et de refroidissement
ou à leur mauvaise orientation est
abordée plus loin dans ce document.
Puissance consommée par les
charges informatiques
Alimentation
UTILE
Puissance consommée par
l'équipement de servitude
• Pertes des circuits
d'alimentation (= chaleur)
• Puissance consommée par
d'autres systèmes de servitude
Le but est
de réduire
ceci
Alimentation du
matériel de
servitude
Tout ceci peut être considéré comme « pertes »,
si l'alimentation de la charge informatique est considérée
comme le « travail » utile du datacenter

Architecture améliorée pour datacenters à haut rendement et haute densité
Schneider Electric – Datacenter Science Center Livre Blanc 126 Rev 1 3
Cette nouvelle architecture ne se limite pas à la configuration physique de matériel ou
à l'amélioration du rendement des périphériques de manière individuelle. Au contraire, il s'agit d'un
système global qui rassemble les meilleures stratégies en matière de conception de datacenters :
•
Conception technique de chacun des périphériques
•
Distribution de l'alimentation
•
Communication et coordination intercomposant
•
Stratégie de refroidissement
•
Planification du système
•
Outils de gestion
Lorsque tous ces éléments sont pris en compte dans l'intégration du système, les gains de
performance peuvent être spectaculaires.
La Figure 2 représente la circulation du flux d'énergie dans un datacenter 2N classique.
L'énergie entre dans le datacenter sous forme d'énergie électrique et en ressort dans sa quasi
totalité (plus de 99,99 %) sous forme de chaleur. (Le reste est converti en calcul par le matériel
informatique.)
Notez que dans cet exemple, seuls 30 % de l'énergie électrique qui entrent sur le site alimentent
réellement la charge informatique (appelée énergie UTILE dans la Figure 1) et le reste est
consommé (converti en chaleur) par le matériel d'alimentation, de refroidissement et d'éclairage.
(Une quantité insignifiante d'énergie sert aux systèmes de protection contre les incendies et de
sécurité physique, et n'apparaît pas dans cette répartition.) Figure 2 : on dit que ce datacenter a un
rendement de 30 %, car 30 % de la puissance d'entrée totale vont à la charge informatique. Ainsi,
70 % de la puissance d'entrée d'un datacenter n'est pas exploitée de manière utile (pour alimenter
les charges informatiques) et est donc considérée comme génératrice d'inefficacité (ou qualifiée de
Figure 2
Flux de l'électricité
dans un datacenter 2N
classique
Où va toute
l'énergie ?
Refroidisseur 33 %
Humidificateur 3 %
Climatiseur 9%
Équipement
informatique 30 %
Bandeau de prises 5 %
Onduleur 18 %
Éclairage 1 %
Entrée
alimentation
électrique
Entrée
alimentation
électrique
Chaleur
EVACUEE
Chaleur
EVACUEE
CHALEUR
INTERNE
DU DATACENTER
CHALEUR
INTERNE
DU DATACENTER

Architecture améliorée pour datacenters à haut rendement et haute densité
Schneider Electric – Datacenter Science Center Livre Blanc 126 Rev 1 4
« perte », selon la terminologie du modèle de rendement). Pour comprendre comment réduire cette
inefficacité de manière radicale (n'oubliez pas que, dans ce modèle, TOUT le matériel en dehors de
la trajectoire de l'alimentation est considéré comme inefficace), nous devons tout d'abord mettre en
lumière les cinq phénomènes principaux qui en sont à l'origine :
1. Inefficacité du matériel d'alimentation
2. Inefficacité du matériel de refroidissement
3. Consommation électrique liée à l'éclairage
4. Surdimensionnement des systèmes d'alimentation et de refroidissement
5. Inefficacité due à la configuration
Si la plupart des utilisateurs comprennent que l'inefficacité du matériel d'alimentation, de
refroidissement et d'éclairage engendre un gaspillage, les deux autres éléments mentionnés
dans la liste ci-dessus sont en fait les plus importants et sont souvent mal compris. Ces cinq
problèmes sont analysés en détail dans le livre blanc 113, Modélisation du rendement
électrique des datacenters et les caractéristiques de leur consommation énergétique sont
résumées ci-dessous.
1. Inefficacité du matériel d'alimentation
Les équipements tels que les onduleurs, transformateurs, commutateurs et câbles consomment
tous de l'énergie (traduite sous forme de chaleur) lorsqu'ils fonctionnent. Leurs taux nominaux
de rendement sont généralement impressionnants (90 % ou plus). Mais ces valeurs sont
trompeuses et ne permettent pas de calculer l'énergie perdue en réalité. Lorsque le matériel est
doublé pour la redondance ou lorsqu'il fonctionne bien en dessous de la puissance indiquée,
le rendement chute de manière radicale. En outre, la chaleur générée par cette énergie
« perdue » du matériel d'alimentation devant être atténuée par le système de
refroidissement, les climatiseurs consomment encore plus d'énergie.
2. Inefficacité du matériel de refroidissement
Les équipements tels que les systèmes de traitement d'air, refroidisseurs, tours de
refroidissement, condensateurs, pompes et refroidisseurs secs consomment tous de l'énergie
lorsqu'ils fonctionnent (c'est-à-dire qu'une partie de la puissance d'entrée se dissipe sous
forme de chaleur au lieu de contribuer au refroidissement). En fait, l'inefficacité (perte de
chaleur) du matériel de refroidissement dépasse généralement de beaucoup celle du matériel
d'alimentation. Lorsque le matériel de refroidissement est doublé pour la redondance ou
lorsqu'il fonctionne bien en dessous de la puissance indiquée, le rendement chute de
manière radicale. Ainsi, en améliorant le rendement de l'équipement de refroidissement,
on améliore directement le rendement de l'ensemble du système.
3. Consommation électrique liée à l'éclairage
L'éclairage consomme de l'énergie et génère de la chaleur. Cette chaleur devant être atténuée par
le système de refroidissement, ce dernier consomme davantage d'énergie, même si la température
extérieure est basse. En outre, il y a gaspillage chaque fois que des lumières restent allumées alors
qu'il n'y a plus personne dans le datacenter et que des zones non utilisées sont éclairées.
Il est ainsi possible, en optimisant l'efficacité de l'éclairage et en limitant son utilisation au
strict nécessaire, d'améliorer directement le rendement de l'ensemble du système.
Modélisation du rendement
électrique des datacenters
Lien vers les ressources
Livre Blanc 113

Architecture améliorée pour datacenters à haut rendement et haute densité
Schneider Electric – Datacenter Science Center Livre Blanc 126 Rev 1 5
4. Surdimensionnement
Le surdimensionnement est une des premières causes de perte d'énergie, mais c'est
aussi celle que les utilisateurs ont le plus de mal à identifier et à comprendre. On dit qu'il
y a surdimensionnement du système d'alimentation et de refroidissement lorsque la valeur
de conception de ce dernier dépasse la charge informatique. Cette situation peut se produire
lorsqu'il y a combinaison des facteurs indiqués ci-dessous :
•
La charge informatique a été surévaluée et les systèmes d'alimentation et de
refroidissement ont été conçus pour une charge trop importante.
•
La charge informatique est déployée progressivement, mais les systèmes
d'alimentation et de refroidissement ont été conçus pour une charge future plus
importante.
•
Le système de refroidissement est de mauvaise qualité et nécessite un surdimensionnement
du matériel de refroidissement pour refroidir correctement la charge informatique.
S'il semble évident qu'installer du matériel d'alimentation et de refroidissement en surnombre
est un gaspillage en termes d'investissement, il est souvent moins facile de comprendre
l'impact de ce surdimensionnement sur le rendement énergétique de l'ensemble du système
avec les pertes qu'il occasionne.
Ces pertes s'expliquent principalement par le fait que le rendement de nombreux dispositifs
d'alimentation et de refroidissement chute sensiblement lorsqu'ils fonctionnent à des charges
réduites. Si certains équipements électriques comme les câbles sont plus efficaces à charges
réduites, la plupart du matériel comme les ventilateurs, les pompes, les transformateurs et
les inverseurs accusent une baisse de rendement lorsqu'ils fonctionnent à faibles charges
(en raison de « pertes fixes » qui persistent même lorsque la charge informatique est nulle).
Cette baisse est rarement mentionnée sur les fiches techniques des fabricants, qui
font généralement état du rendement à une charge optimale (habituellement élevée).
Pour obtenir une explication technique détaillée sur la quantification des effets du
surdimensionnement sur la consommation d'énergie, consultez le livre blanc 113,
Modélisation du rendement électrique des datacenters.
5. Inefficacité due à la configuration
La configuration physique du matériel informatique peut avoir un impact considérable sur la
consommation d'énergie du système de refroidissement. Une configuration de mauvaise qualité
oblige le système de refroidissement à déplacer plus d'air et à générer un air plus froid que
l'équipement informatique ne le nécessite réellement. En outre, certaines configurations physiques
sont susceptibles d'entraîner un conflit entre différentes unités de refroidissement, l'une s'appliquant
à déshumidifier, tandis que l'autre humidifie : une situation qu'on a généralement du mal
à diagnostiquer et qui entraîne une baisse de rendement considérable. La tendance actuelle qui
consiste à accroître la densité de puissance dans les datacenters existants ou nouveaux contribue
à amplifier ces inefficacités de manière significative. Ces problèmes de configuration sont présents
dans presque tous les datacenters en fonctionnement et entraînent un gaspillage de l'énergie.
Ainsi, une architecture qui optimise systématiquement la configuration physique peut permettre de
réduire la consommation d'énergie de manière radicale.
Modélisation du rendement
électrique des datacenters
Lien vers les ressources
Livre Blanc 113