Las diez acciones para el uso inteligente de la energía en el Data Center. Primera parte

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Introducción

Como comentamos en la primera edición de “white paper” desarrollados por Data Center Consultores, el doble efecto de aumento del consumo de energía en los Data Center así como los crecientes costos energéticos han elevado la importancia del tema de la eficiencia como estrategia para reducir costos, administrar la capacidad y promover la responsabilidad con el medio ambiente. Este consumo de energía ha sido impulsado principalmente por la demanda de una mayor capacidad de los sistemas computarizados y el aumento de la centralización de los sistemas TI. Si bien esta tendencia se ha venido presentando desde hace unas décadas atrás, los precios mundiales de la electricidad han experimentado aumento en el orden del 56 % entre el año 2002 hasta la fecha.

Las consecuencias financieras han sido muy importantes; según estimaciones los costos de energía anual consumida por Data Center en los EE.UU superan 4,5 billones de dólares. De acuerdo a una encuesta publicada por “Survey of the Data Center Users Group (DCUG) en el 2007, un influyente grupo de gerentes de Data Center identificaron las limitaciones en energía, como principal factor de limitación para el crecimiento (46 % de los consultados).

Esta misma encuesta encontró que el 77 % de los encuestados ya tenían en sus Data Center disposiciones de pasillo frío/pasillo caliente para aumentar la eficiencia del sistema de climatización, el 65 % utilizaba paneles ciegos para reducir al mínimo la recirculación del aire caliente y el 56 % habían sellado el suelo para evitar pérdidas de aire frío.

En un informe al Congreso de los Estados Unidos, la Agencia de Protección Ambiental (EPA) concluyó que las mejores prácticas podrían reducir el consumo de energía de los Data Center hasta en un 50 % en el 2011. El informe de la EPA incluye una lista de las 10 mejores prácticas de ahorro de energía identificadas por el “Lawrence Berkeley National Lab.

Este “white paper” busca cerrar la brecha entre el estado generalizado de los Data Center desde el punto de vista energético, esbozando un enfoque holístico para la reducción del desperdicio en el uso y administración de la energía.

Precisamente un número cada vez mayor de asociaciones, consultores y fabricantes de equipos han promovido una serie de buenas prácticas para mejorar la eficiencia energética en los Data Center. Estas prácticas abarcan todos los ámbitos de la infraestructura de facilidades o sistemas de soporte del Data Center, desde los equipos de iluminación hasta el diseño de los sistemas de climatización, y han demostrado ser útiles

para ayudar a algunas empresas a disminuir o revertir la tendencia de aumento en el consumo de energía de los Data Center.

Sin embargo, la mayoría de las organizaciones carecen aún de un sistema coherente y con un enfoque holístico para lograr de manera sistematizada esta reducción de la energía consumida. Precisamente una de las propuestas más eficaces en la actualidad plantea su esquema de solución mediante la identificación de diez acciones o estrategias que deben ejecutarse en el Data Center a fin de lograr impactos significativos en la tasa de reducción de consumo de energía. Cada una de estas diez buenas prácticas se aplicaron a un modelo de Data Center de 470 metros cuadrados, dicho modelo fue construido con parámetros reales de funcionamiento. A través de este sistema de modelado, fue posible cuantificar los ahorros de cada una de las acciones ejecutadas, así como identificar la forma en que la reducción de la energía en algunos sistemas impacta el consumo de energía en los restantes sistemas de apoyo.

Otro aspecto relevante que se obtuvo del estudio fue establecer las reducciones en el consumo de energía en los equipos de TI como la principal fuente de impacto en la disminución del consumo global de energía del Data Center, esto debido al efecto cascada que se da a través de todos los componentes del sistema de apoyo. Esto llevó al desarrollo de una hoja de ruta para la optimización de los Data Center, precisamente comenzando con el equipo de TI, y avanzando de manera progresiva hacia los distintos componentes de la Infraestructura de apoyo.

Este “white paper” muestra puntualmente la forma en que la implementación de esta hoja de ruta puede ofrecer reducciones en el orden del 50 % o más en el consumo de energía del Data Center sin comprometer el rendimiento o disponibilidad del mismo.

Este enfoque tiene el valor agregado de eliminar los tres obstáculos más importantes que enfrentan los administradores de Data Center hoy día:

➡Energía.➡Enfriamiento.➡Espacio.

En el modelo del ejemplo, la aplicación de las 10 estrategias que en adelante denominaremos “Uso inteligente de la Energía” permitió liberar dos tercios del espacio físico ocupado por el Data Center, un tercio de la capacidad de los UPS existentes y el 40% de la capacidad de enfriamiento de precisión.

Es importante enfatizar en el hecho de que todas las tecnologías utilizadas en el enfoque de “Uso inteligente de la Energía” están disponibles hoy y muchas pueden ser implementadas de manera gradual en el Data Center como parte de las mejoras o “upgrades” tecnológicos que forman parte de la programación rutinaria en la

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“Administración del Data Center”, minimizando de esta forma la inversión gigantesca de capital.

Consumo de energía en el Data CenterEl primer paso en la priorización de oportunidades de ahorro de energía fue lograr una comprensión sólida del consumo de energía en el Data center. Para esto se desarrolló un modelo de Data Center de 470 m2 (Figura 1) y se procedió a analizar cómo se distribuía la energía utilizada por los componentes del sistema de facilidades. La energía utilizada fue categorizada en “lado de la demanda” o “lado del suministro”.

Figura 1: Análisis del uso típico de la energía en un Data Center de 470 m2 utilizado como modelo del estudio.

En el lado de la demanda están los sistemas de servidores, de almacenamiento, comunicaciones y otros sistemas de TI que soportan los negocios de las empresas. Del lado de la oferta están los sistemas para soportar el “lado de la demanda”.

En este análisis, los sistemas de la demanda, que incluyen procesadores, fuentes de poder de los servidores, otros componentes de los servidores, equipos de almacenamiento y equipos de comunicación, representan el 52 % del consumo total. El lado de la oferta incluye los sistemas de UPS, distribución de energía, refrigeración, iluminación y las sub estaciones y centros de distribución, representan el 48% del consumo.

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Debemos tener en cuenta que todos los Data Center son diferentes y el potencial de ahorro variará según la instalación. Sin embargo, como mínimo, este análisis proporciona un orden de magnitudes que permite hacer comparaciones de estrategias de reducción de la energía.

La distinción entre la demanda y la oferta en el consumo de energía es valiosa porque permite identificar reducciones en la energía por el efecto cascada del lado de la demanda. Volviendo al ejemplo del Data Center de 470 m2, al analizar el consumo de energía, se logró determinar que por 1 Watt de ahorro en los componentes a nivel del servidor (procesador, memoria, disco duro, etc) se obtienen resultados de ahorro adicional de 1,84 Watts en toda la trayectoria desde la fuente de alimentación del servidor, sistemas de distribución de energía, sistema de UPS, sistema de enfriamiento, sub estaciones, centros de distribución, equipos de transferencia así como transformadores de media tensión (Figura 2).

Figura 2: Efecto cascada a través de los distintos componentes del Data Center.

Como conclusión, por cada Watts de ahorro a nivel de procesador se logran aproximadamente 2,84 Watts de ahorro en los componentes del sistema de soporte al Data Center.

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Precisamente la estrategia de “Uso inteligente de la Energía” adopta un enfoque secuencial para reducir los costos por concepto de energía, mediante la aplicación de las 10 acciones y las mejores prácticas que han demostrado el mayor potencial de impacto.

Es importante aclarar que la estrategia de “Uso inteligente de la Energía” no tiene la intención de convertirse en una metodología paso paso en el sentido de que cada paso sólo puede llevarse a cabo después que el anterior ha sido completado. Las medidas de ahorro energético incluyendo “Uso inteligente de la Energía” debe ser considerado como una guía.

Todo lo anterior tiene el objetivo de aclarar que muchas organizaciones ya están tomado algunas medidas ubicadas al final de la secuencia, otras tendrán que implementar algunas tecnologías saltando la secuencia con el fin de eliminar las limitaciones existentes para el crecimiento.

Las diez acciones para la implementación de la estrategia de “uso inteligente de la energía”:

1. Procesadores Eficientes:

El primer paso en el enfoque de “Uso inteligente de la Energía” es establecer una política para la compra de equipo de TI, misma que permita explotar los beneficios de la eficiencia energética de procesadores de bajo consumo y fuentes de alimentación de alta eficiencia (figura 3).

En ausencia de un estándar de medición de la eficiencia consumida por los microprocesadores, el Departamento de Transporte de combustible para vehículos de los Estados Unidos, estableció el “Thermal Design Power (TDP)” como una herramienta aproximada del consumo de energía en los servidores.

El TDP típico de un procesador hoy día esta entre 80 y 103 Watts (91 Watts de promedio). Sin embargo los fabricantes de procesadores ofrecen versiones de bajo voltaje que consumen en promedio 30 Watts menos que los procesadores estándar (Figura 3). Estudios de investigación independientes muestran estos procesadores de menor consumo ofrecen el mismo rendimiento que modelos de mayor potencia (Figura 4).

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Figura 3: comparativo de ahorro energético al utilizar microprocesadores de bajo consumo tanto AMD como Intel.

Figura 4: Resultados del desempeño de un procesador estándar y un procesador de bajo consumo basados en un comparativo de la American Standard Institute AS3AP.

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En los 470 metros cuadrados de Data Center utilizados como modelo de este trabajo de investigación, los procesadores de baja potencia crearon una reducción del 10 por ciento en los datos globales del consumo de energía del Data Center.

2. Fuentes de poder (Power Suplies):

Al igual que con los procesadores, muchas de las fuentes de poder utilizadas hoy día están operando a eficiencias por debajo de lo que realmente hay disponible. EPA ha estimado que la eficiencia promedio de las fuentes de poder en servidores era del orden del 72% en el 2005. En nuestro modelo de estudio, se asumió el uso de fuentes de poder no optimizadas en el Data Center con un promedio de eficiencia del 79% mediante una mezcla de servidores en un rango de cuatro años de antigüedad hasta nuevos.

Utilizando lo mejor en su clase, hoy día tenemos disponibles fuentes de alimentación con eficiencias del 90 por ciento. El uso de estas fuentes de alimentación reduce la potencia consumida en el Data Center en 124 kW (11 %) del total de 1.127 kW del ejemplo desarrollado.

Al igual que otros sistemas del Data Center, la eficiencia de la fuente de poder varía dependiendo de la carga. Algunas fuentes de alimentación tienen un mejor rendimiento a cargas parciales y esto es particularmente importante en dispositivos de doble fuente de alimentación donde la utilización de la fuente de poder puede en promedio ser menos del 30 %. La Figura 5 muestra la eficiencia de las fuentes de alimentación a diferentes cargas para dos modelos diferentes de fuentes de poder. Al 20 % de carga, el modelo A tiene una eficiencia del 88% aproximadamente, mientras que el modelo B tiene una eficacia más cerca al 82 %.

La Figura 5 también pone de relieve otra oportunidad para aumentar la eficiencia: Diseñar las fuentes de poder lo más cerca posible de la carga actual. Nótese que la configuración máxima está aproximadamente al 80 % del dato de placa cuando típicamente el valor ronda 67% del valor de placa.

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Figura 5: La eficiencia de las fuentes de poder puede variar significativamente en función de la carga.

3. Software de Administración de energía:

Los Data Center son diseñados para condiciones pico de operación, condiciones que rara vez pueden existir. En un Data Center típico de oficina, la demanda diaria aumenta progresivamente de 5 a.m a 11 a.m y luego comienza a caer de nuevo hasta las 5 pm (Figura 6).

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Figura 6: Utilización diaria de un Data Center típico de oficina.

El consumo de energía de los servidores permanece relativamente alto a medida que disminuye la carga del servidor (Figura 7). En el modo de inactividad, la mayoría de los servidores consumen entre 70 % y 85 % de la capacidad operacional completa.

En consecuencia, una operación de la infraestructura a tan sólo 20% de su capacidad pueden utilizar el 80% de la energía, respecto a una infraestructura operando al 100% de su capacidad. Algunos procesadores tienen características de administración de energía integradas que pueden reducir el consumo de energía cuando el procesador está inactivo. Con demasiada frecuencia, estas características se inhabilitan debido a preocupaciones con respecto al tiempo de respuesta, sin embargo, esta decisión debería ser reconsiderada a la luz de los importantes ahorro que esta tecnología puede permitir.

En el modelo bajo estudio, asumimos que el consumo en reposo es del 80 % del pico de consumo de energía sin características de administración de energía. En este escenario se lograron reducciones de hasta el 45% del pico de potencia drenado con respecto a una condición donde la característica de administración fue habilitada.

Con este escenario, la gestión de energía se permite ahorrar un adicional 86 kW (8%) de la carga del Data Center sin optimizar.

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Figura 7: Baja actividad de procesamiento no se traduce en bajo consumo de potencia.

4. Servidores tipo Blade

Muchas organizaciones han implementado el uso de servidores tipo blade para satisfacer las necesidades de procesamiento y mejorar la administración de los servidores. Cuando se migra a tecnología blade usualmente esta migración no se hace atendiendo a consideraciones de ahorro de energía, sin embargo los servidores blade puede desempeñar un papel muy importante en el consumo de energía.

Los servidores blade consumen alrededor de un 10 % menos que el equivalente de servidores de montaje en rack, esto debido a que múltiples servidores comparten fuentes de poder, ventiladores para enfriamiento y otros componentes.

En el modelo en estudio, se determinó una reducción del consumo total de energía del 1% cuando el 20% de los servidores de montaje en rack son reemplazados con servidores “blade”. Más importante, los servidores “blade” facilitan moverse a una arquitectura de Data Center de alta densidad lo que reduce significativamente el consumo.

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En la próxima edición (segunda parte) desarrollaremos las seis estrategias restantes de la metodología de uso inteligente de la energía, así como las conclusiones y resultados finales sobre el impacto de todas estas medidas en el consumo total del Data Center.

Desarrollado por:

DATA CENTER CONSULTORES S.A.

Ing. Alexander Monestel, ATD-125Presidente

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