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Modélisation du rendement électrique des datacenters

Livre blanc n°113

Par Neil Rasmussen

Révision n 1

2008 American Power Conversion. Tous droits réservés. La présente publication ne peut être ni utilisée, ni reproduite, ni photocopiée, ni transmise, ni stockée dans un système d'archivage, de quelque nature que ce soit, sans l'autorisation écrite du détenteur des droits d'auteur. www.apc.com Rév 2008-1

2

Résumé de l'étude Les systèmes de mesure traditionnels du rendement énergétique des datacenters sont

souvent inexacts pour les installations réelles. En effet, les estimations des pertes

électriques sont typiquement établies en additionnant les inefficacités de divers appareils

électriques, tels que les équipements d’alimentation électrique et de refroidissement.

Ce document montre que les valeurs couramment utilisées pour estimer l’inefficacité des

équipements sont assez imprécises. Il décrit un modèle simple, plus précis offrant une base

rationnelle pour identifier et quantifier les pertes des équipements d’alimentation et de

refroidissement.


3

Introduction Le coût total de possession (TCO) sur 10 ans d’une infrastructure physique dans un datacenter type peut être

de 80 000 à 150 000 € par baie. La consommation d’électricité représente une part importante de ce coût,

de l’ordre de 20 %1. Ce n’est pas sans intérêt quand on sait qu’une grande partie de la consommation

électrique est gaspillée (sous la forme d’énergie thermique) et qu’une proportion significative de ce gaspillage

peut être évitée. On estime que, dans

le monde, les datacenters consomment

40 000 000 000 kW/h d’électricité par

an. La réduction des pertes associées

à cette consommation est une question

de politique publique significative en

même temps qu’un souci financier

majeur pour les opérateurs de

datacenters.2

Les modèles simplistes de rendement

des datacenters sous-estiment le

gaspillage électrique dans les datacenters. Les possibilités d’amélioration du rendement sont donc bien

plus importantes qu’on ne le croit généralement. Ce document présente un modèle amélioré qui permet

une estimation plus exacte des pertes dans les datacenters et suggère des possibilités d’amélioration

de l’efficacité énergétique.

Qu’entend-on par « rendement des datacenters »? Le rendement de tout appareil ou système est le rapport entre la quantité absorbée (électricité, mazout, tout ce qui peut le faire « fonctionner ») et le résultat utile désiré. Toute autre chose que le résultat utile est considérée comme du « gaspillage ». Ce rapport s’exprime généralement en pour cent.

Est considéré « utile » tout ce qui constitue le résultat voulu du système, lequel peut dépendre non seulement de la nature de ce dernier, mais aussi de son contexte d’utilisation. Par exemple, une ampoule dont la production consiste en 5 % de lumière et 95 % de chaleur peut être considérée comme une ampoule efficace à 5 % ou un calorifère efficace à 95 %, selon qu’elle est utilisée pour éclairer une pièce ou pour la chauffer. Le « résultat utile » est tout ce qui a du sens pour le système considéré.

1 Des détails sur les contributeurs du TCO sont donnés dans le Livre blanc APC n°6, Détermination du coût total

de possession d'une infrastructure de centre de données et de salle réseau 2 http://www.eei.org/magazine/editorial_content/nonav_stories/2004-01-01-NT.htm (accès le 14 juin 2006).

~~~~


4

Pour une infrastructure physique de datacenter, l’entrée est l'électricité et le résultat utile est l'alimentation de l’équipement informatique. Ce document décrit un datacenter comme un système électrique dont « l’apport total » est la puissance qu’il consomme de l’énergie apportée et le « résultat utile » est la puissance de calcul qu’il offre, laquelle peut être représentée par la quantité de puissance électrique fournie à l’équipement informatique.3

La Figure 2 illustre ce modèle général de rendement du datacenter.

3 La relation exacte entre la puissance électrique et les « bits déplacés » sort du cadre de ce document, mais, pour les besoins de notre analyse, la puissance électrique consommée par l’équipement informatique est une bonne mesure de la puissance de calcul fournie. Une amélioration de l’efficacité par la réduction de la consommation électrique des équipements informatiques eux-mêmes est importante mais n’est pas l’objet de notre discussion.

CCaallccuull

%

Rendement des datacenters = Alimentation des charges informatiques Courant d'entrée total du datacenter

Figure 2 – Le rendement des datacenters se définit comme la fraction du courant d’entrée fourni à la charge informatique

TOTAL ENTRÉE

RÉSULTAT UTILE

DDaattaacceenntteerr AAppppoorrtt ttoottaall

DDaattaacceenntteerr RRééssuullttaatt uuttiillee

Le courant fourni à la charge informatique est une mesure de la sortie utile du datacenter

DDaattaacceenntteerr

Charge informatique

Total Courant d’entrée total du datacenter Alimentation

IT

DDaattaacceenntteerrRReennddeemmeenntt ==

AAlliimmeennttaattiioonn IITT

CCoouurraanntt EENNTTRRÉÉEE DDaattaacceenntteerr


5

Si le datacenter était efficace à 100 %, toute la puissance fournie au datacenter serait transmise aux charges informatiques. Dans la réalité, l’énergie électrique est consommée de diverses manières par des appareils autres que les charges informatiques, en raison des besoins pratiques de maintenir les équipements informatiques correctement hébergés, alimentés, refroidis et protégés afin qu’ils puissent fournir leur puissance de calcul utile. Les appareils non informatiques qui consomment de la puissance du datacenter sont par exemple des transformateurs, onduleurs, câbles, ventilateurs, climatiseurs, pompes, humidificateurs ou systèmes d’éclairage. Certains de ces appareils, comme les onduleurs et les transformateurs, sont en série avec les charges informatiques (parce qu’ils participent à la trajectoire de l’alimentation de ces charges) tandis que d’autres, comme les systèmes d’éclairage et les ventilateurs, sont en parallèle avec les charges informatiques car ils remplissent d’autres fonctions de support dans le datacenter. La Figure 3 illustre ces composants internes de consommation dans le modèle de rendement du datacenter.

Figure 3 – Détail de la consommation électrique dans le modèle de rendement des datacenters

====


6

Les concepts de « résultat utile » et de « pertes » dans le modèle de rendement du datacenter Dans un modèle efficace, les « pertes » sont tout ce qui n’a pas été défini comme le résultat utile du système.

Clairement, l’infrastructure physique du datacenter remplit d’autres fonctions utiles que la fourniture

d’électricité à la charge informatique – ce sont les tâches de « support secondaire » à la Figure 3.

On pourrait argumenter que le résultat utile de ces sous-systèmes physiques (refroidissement ou éclairage,

par exemple) devrait aussi être considéré comme faisant partie du « résultat utile » du datacenter.

C’est une question de cadre de référence. L’objet de l'analyse est le rendement global du datacenter dans

la production de son résultat utile, qui est le calcul. Les datacenters ne sont pas construits pour produire

du refroidissement, assurer une protection incendie ou effectuer toutes ces autres tâches utiles que l’infrastructure

physique remplit. Bien que ces produits de l’infrastructure physique soient extrêmement utiles pour le

fonctionnement interne du datacenter en l’aidant à produire et protéger son résultat utile (calcul), ils ne

constituent pas en eux-mêmes un « résultat utile » du datacenter, et il n’y a pas de raison de croire qu’ils

doivent consommer de l’électricité. Les activités physiques externes à la trajectoire de l’alimentation doivent

être considérées comme un mal nécessaire pour soutenir les activités de calcul du datacenter – par

conséquent, dans le modèle de rendement du datacenter, elles sont considérées comme des « pertes »

à réduire le plus possible. Toutes doivent être considérées comme un terrain propice aux conceptions

alternatives et à l’application de technologies nouvelles pour réduire la consommation électrique globale

dans le datacenter. Par exemple, il existe des datacenters qui utilisent des méthodes de « refroidissement

gratuit », profitant de l’air frais extérieur grâce à des techniques telles que les roues thermiques et le

refroidissement à l’aide d’échangeurs de chaleur à plaques. Cela permet de réduire la quantité de

puissance électrique dépensée en refroidissement et d’augmenter ainsi l’efficacité du datacenter.

Le « résultat utile » des composants physiques eux-mêmes sera un élément critique abordé plus loin dans

ce document, lors de l’analyse du rendement individuel composant par composant – un cadre de référence

à plus petite échelle concernant le rendement au sein du datacenter – afin de réduire les inefficacités

internes (pertes) dans le modèle plus large du datacenter.

Où va la puissance du datacenter ? Pratiquement toute la puissance électrique injectée dans le datacenter finit en chaleur. Le diagramme de

la Figure 4 illustre les flux électriques et thermiques dans un datacenter type. Il s’agit d’une analyse de la

puissance électrique d’un datacenter type haute disponibilité avec un équipement d'alimentation 2N et un

équipement de refroidissement N+1 fonctionnant à environ 30 % de la capacité maximale. (Dans ce datacenter,

par coïncidence, la charge et le rendement sont tous deux de 30 %, mais ce sont deux notions différentes –

même si une faible charge et un faible rendement vont de pair, comme on le verra plus loin.)


7

Notez que moins de la moitié de la puissance électrique alimentant un datacenter est effectivement fournie

aux charges informatiques. Le datacenter présenté dans cet exemple est efficace à 30 %.

Opportunités d’augmenter le rendement du datacenter Le rendement du datacenter peut être renforcé de 3 manières :

1. En améliorant la conception interne des appareils physiques, afin qu’ils consomment moins

d’électricité en remplissant leur tâche

2. En adaptant la taille des composants de l'infrastructure physique à la charge informatique réelle

(« rightsizing ») afin que les composants fonctionnent avec une plus grande efficacité

3. En développant des nouvelles technologies qui réduisent le besoin d’électricité pour alimenter

les fonctions de support de l’infrastructure physique (telles que les techniques de

« refroidissement gratuit » mentionnées plus haut)

(Comme nous le verrons, la deuxième solution offre les plus grandes possibilités immédiates

d’augmentation du rendement du datacenter.)

Figure 4 – Flux de l’électricité dans un datacenter type

Ce datacenter est efficace à 30 %


8

La Figure 5 illustre comment la réduction de la consommation interne augmente le rendement du datacenter.

Correction des idées reçues concernant le rendement des datacenters Alors que le rendement des datacenters pourrait se déterminer de manière empirique en additionnant la

consommation électrique de tous les équipements informatiques et en divisant le résultat par l’apport total

du datacenter, la technique habituelle consiste à se baser sur les déclarations de rendement des fabricants

pour les grands composants tels que les onduleurs et les climatiseurs. C’est peut-être plus facile, mais le

résultat donne généralement un rendement nettement surestimé qui masque des informations qui pourraient

être utiles pour identifier des opportunités d’économiser sur les coûts d’électricité.

==

Figure 5 – Augmentation du rendement du datacenter

• Augmentation du rendement des composants

• Adaptation de la taille des composants à la

charge informatique

• Utilisation de nouvelles technologies


9

Le rendement d’un datacenter, c’est plus que le rendement annoncé des composants Les fabricants fournissent des chiffres sur le rendement des équipements d’alimentation et de refroidissement.

Pour les équipements d’alimentation, le rendement est généralement exprimé sous la forme du pourcentage

de puissance en sortie par rapport à la puissance en entrée ;

pour les équipements de refroidissement, le rendement est

généralement exprimé sous la forme d’un paramètre lié appelé

« coefficient de performance » – le rapport de la chaleur

dissipée à la puissance électrique en entrée.

Les valeurs de rendement publiées pour des appareils

similaires par différents fabricants ne varient pas beaucoup,

ce qui donne l’impression simpliste que les pertes de rendement

d’un datacenter peuvent être déterminées en additionnant

simplement les inefficacités de divers composants. Hélas, cette approche ne donne pas de résultats précis dans le cas de datacenters réels. L’utilisation des chiffres de

rendement des fabricants pousse les utilisateurs ou concepteurs

à surestimer considérablement le rendement - et donc à sous-estimer les pertes – des datacenters réels.

Fausses hypothèses Le Tableau 1 répertorie trois idées reçues courantes qui entraînent des erreurs significatives dans les

modèles de rendement des datacenters.

Fausse hypothèse Réalité

Le rendement des composants d’alimentation et de refroidissement est constant et indépendant de la charge informatique

Le rendement des composants – en particulier les climatiseurs et les onduleurs – diminue sensiblement à des charges informatiques moindres.

Les composants d’alimentation et de refroidissement fonctionnent à pleine charge ou presque

La charge informatique type est sensiblement inférieure à la capacité calculée des composants physiques utilisés

La chaleur produite par les composants d’alimentation et de refroidissement est insignifiante

La chaleur produite par les composants d’alimentation et de refroidissement est une charge de refroidissement importante et doit être incluse dans l’analyse de l‘inefficacité du système de refroidissement

Ces graves erreurs se renforcent les unes les autres, en particulier aux faibles charges informatiques types

de la plupart des datacenters. Résultat : les pertes électriques des datacenters sont régulièrement sous-estimées d’un facteur deux, voire plus.

Heureusement, il est possible de construire un simple modèle qui intègre les considérations ci-dessus

et fournit des estimations plus fiables du rendement.

Tableau 1 – Correction des idées reçues concernant le rendement des datacenters

1

2

3

Figure 6 – Les fabricants fournissent un seul chiffre de rendement pour chaque composant.

Rendement

Coefficient de performance

kWEntrée kWSortie

à pleine charge=

kWchaleur éliminéekWSortie

=


10

Fausse hypothèse n°1

Le rendement des composants d’alimentation et de

refroidissement est constant et indépendant de la charge

informatique

Modèles améliorés pour le rendement des composants Un modèle amélioré pour le rendement global des datacenters dépend de la précision avec laquelle les

composants individuels (ex : onduleurs) sont modélisés. La méthode courante consiste à caractériser les

composants d’alimentation et de refroidissement avec une simple

valeur de rendement, mais elle ne convient pas dans les installations

réelles de datacenters. Le rendement réel d’un composant tel qu’un

onduleur n’est pas constant, mais est plutôt fonction de la charge

informatique. La Figure 7 illustre une courbe de rendement type

d’un onduleur.

Notez que lorsqu’on tend vers des charges très légères, l’efficacité de cet appareil tombe à zéro. En effet,

certaines pertes, comme les pertes à la logique de contrôle, sont indépendantes de la charge. Cette perte

constante indépendante de la charge est connue sous différents noms : perte sans charge, fixe, perditance,

à vide ou parallèle. Dans ce document, nous utiliserons le terme de perte sans charge.

Figure 7 – Rendement type d’un onduleur en fonction de la charge

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

90%

100%

0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100%

% de charge par rapport de la pleine puissance nominale

Ren

dem

ent d

e l'o

ndul

eur


11

La Figure 8 présente, sous une autre forme, les mêmes données que la Figure 7. Notez que, à mesure que

la charge diminue, la consommation électrique interne de l’onduleur (la « perte », représentée par la partie

rouge de chaque barre) devient une fraction croissante de la puissance totale, ce qui réduit le pourcentage

d’efficacité. Cet effet est dû à la partie sans charge de la perte, qui reste identique quelle que soit la charge.

L’onduleur illustré par les données des Figures 7 et 8 pourrait être décrit avec un rendement de 91 %.

Cependant, ce chiffre correspond au rendement à pleine charge, autrement dit dans le meilleur scénario.

À faibles charges, ce qui est le régime de la plupart des datacenters, la description de cet appareil comme

ayant un rendement de 91 % est une grossière erreur – par exemple, à 10 % de charge, le même onduleur

montre un rendement de 60 % seulement. Un modèle de rendement à un seul paramètre est visiblement

inadéquat dans ce cas.

Les trois types de pertes d’équipement internes

Un examen attentif de la Figure 8 révèle que la perte d’équipement (partie rouge des barres) augmente

avec la charge. Ceci est dû à une perte supplémentaire, s’ajoutant à la perte sans charge, qui est

proportionnelle à la charge. Il peut même encore s’ajouter un composant de perte (qui n’est pas évident

dans ce graphique) proportionnel au carré de la charge ; ce composant est habituellement négligeable,

mais peut réduire le rendement global lorsque la charge devient élevée.

Figure 8 – Effet de la perte d’onduleur interne sur le rendement

La plupart des datacentersfonctionnent dans cette plage

Charge de l'onduleur% de la pleine puissance nominale

100%90%80%70%60%50%40%30%20%10%0%

Courant fourni à la charge

Consommation électrique interne de l’onduleur (perte) 91%

90%90%

89%88%

86%84%

80%75%

60%0%

RENDEMENT

La partie sans charge de la perte reste constante depuis la pleine charge jusqu’à la charge zéro

La perte sans charge est présente même sans charge


12

Le Tableau 2 présente des valeurs types de ces trois sortes de pertes pour différents types d’équipements

utilisés dans un datacenter. Les pertes sont additionnées dans la dernière colonne pour déterminer la perte

totale du composant.

Tableau 2 – Pertes électriques types de composants de l'architecture physique, exprimées comme une fraction de capacité nominale du composant à plein charge

Composant architecture physique

Perte sans

charge

Perte proportionnelle

Perte quadratique

Perte totale (paramètre unique)

Onduleur 4 % 5 % - 9 %

Distribution électrique 1,5 % - 1,5 % 3 %

Éclairage 1 % - - 1 %

Câblage - - 1 % 1 %

Sélection de vitesse - - 0,5 % 0,5 %

Groupe électrogène 0,3 % - - 0,3 %

Climatiseur 9 % 0 % - 9 %

Humidificateur 1 % 1 % - 2 %

Refroidisseur 6 % 26 % - 32 %

Dans le Tableau 2, on peut voir qu’en caractérisant chaque type d’appareil avec simplement deux

paramètres, il est possible de créer des modèles plus complets pour les composants utilisés dans

les datacenters. Notez que les pertes indiquées dans ce tableau sont exprimées sous la forme d’un

pourcentage de la capacité calculée à pleine charge de l’équipement et que, pour les charges réelles

inférieures à la pleine charge, le pourcentage de perte changera comme suit :

• Perte sans charge : Le pourcentage de perte augmente lorsque la charge diminue

• Perte proportionnelle : Le pourcentage de perte est constant (indépendant de la charge)

• Perte quadratique : Le pourcentage de perte diminue lorsque la charge diminue

Le rendement d’un onduleur type présenté aux Figures 7 et 8 ne serait pas modélisé avec précision avec

un seul paramètre de rendement, il a été correctement modélisé avec les paramètres de perte sans charge

(4 %) et de perte proportionnelle (5 %) du Tableau 2.

+ = +


13

Effet de la sous-charge sur le rendement des composants La section qui précède explique que le rendement des équipements

d’alimentation et de refroidissement diminue sensiblement lorsqu’ils

ne sont pas utilisés à pleine capacité. Cela signifie que toute analyse

de rendement d’un datacenter doit représenter correctement la

charge sous la forme d’une fraction de la capacité calculée.

Les modèles de rendement simples qui n’utilisent qu’une seule valeur de rendement pour modéliser les

équipements sont insensibles à la charge (le rendement ne change pas avec la charge dans ces modèles).

Pourtant, il est un fait que, dans les datacenters moyens, les équipements d’alimentation et de refroidissement

sont régulièrement utilisés bien en dessous de leur capacité calculée. Il en résulte que ces modèles

surestiment nettement le rendement des datacenters réels.

Pour chaque type de composant d’alimentation ou de refroidissement, il existe quatre raisons pour

lesquelles un composant peut ne pas être utilisé à pleine capacité :

• La charge informatique du datacenter est simplement inférieure à la capacité maximale du système

• Le composant a été expressément surdimensionné pour offrir une marge de sécurité

• Le composant fonctionne avec d’autres composants similaires dans une configuration N+1 ou 2N

• Le composant est surdimensionné pour faire face à la diversité de la charge

La charge informatique est inférieure à la capacité maximale du datacenter. La recherche

est claire : Le datacenter moyen fonctionne à 65 % de moins que sa capacité maximale. Cette situation est

décrite plus en détail dans le livre blanc APC n° 37 intitulé « Comment éviter les coûts liés au surdimensionnement

d’infrastructure de centres de données et de salles réseau ». Les sections qui suivent montreront que la

sous-utilisation explique en grande partie l’inefficacité des datacenters.

Le composant a été surdimensionné pour offrir une marge de sécurité. Le surdimensionnement

des composants est une pratique courante. L’idée est d’éviter de faire fonctionner les composants à un

niveau proche de leur capacité maximale. Il est possible de faire fonctionner des installations à pleine capacité,

mais une sous-charge de 10 à 20 % est régulièrement recommandée dans la spécification d’installations

à haute disponibilité.


Les composants d’alimentation et de refroidissement fonctionnent

à pleine charge ou presque


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Le composant fonctionne dans une configuration redondante N+1 ou 2N Il est courant

d’utiliser des appareils dans une configuration N+1 voire 2N afin d’améliorer la fiabilité et/ou pour

permettre la maintenance concurrente de composants sans éteindre le système. Dans une telle

configuration, la charge informatique est répartie entre plusieurs composants de l'architecture physique,

ce qui réduit efficacement la charge des composants. Pour un système 2N, la charge d’un composant

individuel est inférieure à la moitié de sa valeur maximale. Le rendement d’un datacenter est donc

fortement affectée par l’utilisation des appareils dans une configuration N+1 ou 2N.

Le composant est surdimensionné pour faire face à la « diversité de la charge ». Cet effet

étant subtil, mieux vaut prendre un exemple. Imaginez un datacenter avec une charge de 1 MW soutenue

par un onduleur 1,1 MW. Entre l’onduleur et les charges informatiques se trouvent 10 tableaux de

distribution électrique, alimentant chacun une partie des charges. La question est : quelles sont les valeurs

nominales de chacun de ces tableaux de distribution électrique et à quel niveau fonctionnent-ils dès lors

pour une charge moyenne ? À première vue, il semblerait que si chacun était spécifié à 100 kW, la

conception du système serait respectée. En outre, si chaque tableau de distribution électrique fonctionnait

à pleine charge, le datacenter pourrait supporter toute la charge. Dans la réalité, cependant, il est quasiment

impossible d’assurer un équilibre des charges sur les tableau de distribution électrique. La charge d’un

tableau de distribution électrique particulier est dictée par la nature de l’équipement informatique dans

le datacenter où se trouve le tableau. En fait, les charges servies par les divers tableaux de distribution

électrique dans la réalité varient souvent du simple au double. Si un tableau alimente une section d’un

datacenter qui est physiquement utilisée à pleine capacité mais qui n’emploie pas encore toute la capacité

tableau, la capacité restante de ce dernier n’est pas utilisable si les 9 autres tableaux sont déjà à pleine

charge. Dans cette configuration, la seule façon d’assurer la pleine capacité du datacenter est de

surdimensionner largement la capacité totale tableau. Le surdimensionnement type de la capacité tableau

de distribution électrique est de l’ordre de 30 % à 100 %. Comme dans les exemples précédents,

ce surdimensionnement affecte le rendement du système. La Figure 9 illustre le besoin d’un

surdimensionnement des tableaux de distribution électrique pour prendre en charge la diversité

de la charge.


15


La chaleur provenant des composants d’alimentation et de refroidissement est insignifiante

Notons que le problème qui entraîne le surdimensionnement des tableaux de distribution électrique est

aussi à l’origine d’un surdimensionnement des systèmes de traitement d’air.

Effet de la chaleur des équipements d’alimentation et de refroidissement Une autre grosse erreur dans la définition du rendement des datacenters est l’hypothèse selon laquelle

la chaleur émise par les équipements d’alimentation et de refroidissement (inefficacité) est une fraction

insignifiante de la charge informatique et peut donc être ignorée.

En fait, la chaleur générée par les équipements d’alimentation

et de refroidissement dans un datacenter n’est pas différente de

celle produite par les équipements informatiques eux-mêmes et

doit donc éliminée par le système de refroidissement. Cela crée

une charge supplémentaire sur le système de refroidissement, d’où la nécessité de surdimensionner ce

dernier, qui subit dès lors des pertes de rendement supplémentaires. Pour tenir compte correctement de ces

pertes, la charge de refroidissement doit inclure à la fois les équipements informatiques et les pertes de tous

les équipements d’alimentation et de refroidissement situés dans l’espace conditionné.

Figure 9 – Effet de la diversité de la charge sur le dimensionnement des tableaux de distribution électrique


16

Résumé : un modèle amélioré de rendement des datacenters Sur la base de la discussion qui précède, il est possible d’élaborer un modèle amélioré de rendement des

datacenters. Ce modèle amélioré présente les caractéristiques suivantes :

• Les composants sont modélisés avec une perte sans charge, plus une perte proportionnelle à la

charge et une perte proportionnelle au carré de la charge

• Il intègre le surdimensionnement pour sous-charger les composants

• Il intègre la sous-utilisation pour les configurations N+1 ou 2N

• La charge de refroidissement inclut à la fois la charge informatique et la charge thermique due

à l’inefficacité des composants internes d’alimentation et de refroidissement

• Pour une installation de datacenter donnée, le modèle fournit une représentation graphique du

rendement en fonction de la charge, sachant que les datacenters fonctionnent généralement bien

en dessous de leur capacité maximale

L’implémentation du modèle est simple et suit la procédure générale suivante :

• Déterminer le degré moyen de surdimensionnement de chaque équipement d’alimentation et de

refroidissement, compte tenu des facteurs de sous-charge, de diversité et de redondance

• Déterminer les pertes d’exploitation de chaque type de composant d’après la charge d’entrée,

une fraction de la charge nominale pour le type de composant selon le surdimensionnement,

la perte sans charge et la perte proportionnelle

• Déterminer la perte proportionnelle supplémentaire due au besoin en refroidissement des

équipements d’alimentation et de refroidissement dans le datacenter

• Additionner toutes les pertes

• Calculer et dresser un tableau des pertes en fonction de la charge informatique dans le

datacenter

Un modèle informatique basé sur ces principes a été mis en œuvre pour calculer la consommation d’énergie

dans la méthodologie APC d’analyse du TCO des datacenters, décrite dans le livre blanc APC n° 6,

« Détermination du coût total de possession d'une infrastructure de centre de données et de salle réseau ».


17

Appareils ayant plusieurs modes de fonctionnement Certains sous-systèmes de l'architecture physique (les climatiseurs, par exemple) peuvent avoir plusieurs

modes de fonctionnement avec des rendements différents pour chacun. Par exemple, certains climatiseurs

offrent un mode économique pour les périodes de faible température extérieure, où le rendement du

système est fortement accru.

Ces appareils ne peuvent pas être modélisés avec juste une courbe de rendement basée sur le simple

modèle à 3 paramètres (perte sans charge, perte proportionnelle et perte quadratique) décrit plus haut.

Le modèle de rendement d’un appareil multimode recourt à une technique différente. Cette technique est

heureusement bien établie et largement utilisée.

Les appareils qui basculent entre différents modes d’exploitation peuvent être modélisés sur une période

étendue à l’aide de la technique dite « méthode espace-état ». Pour ce faire, on détermine les temps relatifs

passés dans les différents modes, puis on calcule une moyenne pondérée de la production du système.

Cette technique s’applique facilement aux calculs de rendement et de pertes.

Pour utiliser le modèle de rendement décrit dans ce livre blanc avec des appareils physiques multimodes,

il y a lieu de déterminer d’abord les pertes sans charge, proportionnelle et quadratique pour chacun des

modes de fonctionnement. Ensuite, on calcule la contribution à la perte globale sur une période étendue

en multipliant la perte dans chaque mode par la fraction prévue de temps passé dans ce mode. Par exemple,

une description complète d’un système à deux modes exigerait trois courbes de rendement :

• Courbe de rendement en mode 1

• Courbe de rendement en mode 2

• Courbe de rendement global attendu, d’après une hypothèse donnée du temps passé dans

chaque mode


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Le rendement des datacenters réels Munis d’un meilleur modèle de consommation électrique des datacenters, nous pouvons produire de

meilleures estimations du rendement des datacenters. Sur la base de valeurs types pour les pertes des

équipements, la sous-charge, la diversité de la charge, le surdimensionnement et la redondance, on peut

développer la courbe de rendement de la Figure 10.

Notez que cette courbe rendement/charge est très différente des estimations basées sur les calculs

conventionnels qui utilisent le rendement publié par les fabricants. Une estimation traditionnelle du rendement du datacenter décrit à la Figure 10 donnerait une valeur de 60 à 70 %, indépendamment de la charge. Notez la nette diminution du rendement du datacenter prédite par le modèle amélioré,

en particulier à faibles charges, donc dans l’état où fonctionnent effectivement de nombreux datacenters.

Le modèle montre que, pour des datacenters à très faible charge, les effets de l’inefficacité peuvent être

spectaculaires. Par exemple, pour un datacenter chargé à seulement 10 % de sa capacité nominale, sur dix

watts fournis au datacenter un seul atteint effectivement l’équipement informatique. Les neuf watts restants

se perdent dans les inefficacités de l’infrastructure physique.

0%10%20%30%40%50%60%70%80%90%

100%

0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100%

Fraction de la capacité d'alimentation utilisée

Ren

dem

ent é

lect

rique

Figure 10 – Rendement d’un datacenter selon le modèle amélioré


19

Une autre façon de voir ces pertes est de réfléchir en termes de coût financier. La Figure 11 illustre le

coût électrique annuel d’un datacenter de 1 MW en fonction de la charge informatique. Il est basé sur une

conception type hautement disponible à double trajectoire d’alimentation et de refroidissement N+1. Un coût

de l’électricité de 0,10 $ par kW/h a été utilisé pour cette analyse.

Figure 11 – Coût électrique annuel d’un datacenter type de 1 MW en fonction de la fraction de la capacité nominale utilisée.

La Figure 11 montre que le coût électrique total d’un datacenter de 1 MW varie de 600 000 € à 1 700 000 €

par an, selon la charge informatique. Notez que, sans charge informatique, le coût dépasse 500 000 €/an,

en raison des inefficacités des systèmes d’alimentation et de refroidissement. À un niveau d’utilisation de 30 % de la capacité (ce qui est le cas d’un datacenter type), plus de 70 % des coûts d’électricité sont dus à des inefficacités des équipements d’alimentation et de refroidissement.

Comment augmenter le rendement des datacenters Le modèle montre clairement que les principales contributions aux coûts électriques des datacenters sont

les pertes sans charge des composants de l’infrastructure, qui dépassent la consommation d’énergie des

charges informatiques dans des situations types. On remarquera que les pertes sans charge sont ignorées

dans l’analyse conventionnelle ; en effet, une analyse des caractéristiques de produit montre que les fabricants

d’équipements ne fournissent habituellement pas les chiffres des pertes sans charge des appareils

d’alimentation et de refroidissement.

$0$200,000$400,000$600,000$800,000

$1,000,000$1,200,000$1,400,000$1,600,000$1,800,000$2,000,000

0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100%

Fraction de la capacité d'alimentation utilisée

Coû

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Coût électrique total

Électricité de la charge physique

Électricité de la charge informatique


20

Une analyse des données permet d’identifier et de classer rapidement les opportunités en vue de réduire les

pertes et d’améliorer le rendement d’exploitation des datacenters :

• La plus grande opportunité d’économies est de loin la réduction du surdimensionnement

des datacenters suivant une architecture modulaire adaptable qui permet à l’infrastructure

d’alimentation et de refroidissement de croître avec la charge. => Réduction potentielle des pertes : 50 %.

• Améliorer le rendement des systèmes de refroidissement.=> Réduction potentielle des pertes : 30 %

• Réduire les pertes sans charge des composants d’alimentation et de refroidissement dans

le datacenter. => Réduction potentielle des pertes : 10 %.

La Figure 12 illustre les rendements possibles après amélioration du rendement des composants et la

réduction du surdimensionnement. Une discussion plus détaillée des rendements qui peuvent être atteints

et des possibilités d’amélioration du rendement figure dans le livre blanc APC n° 114, Mise en œuvre de

datacenters écoénergétiques.

Figure 12 – Possibilités d’améliorer le rendement des datacenters

Puissance totale consommée par

le datacenter

Charges informatiques

Équipement physique

Rendement du datacenter

Adapter les dimensions du

système physique

ITLoads

NCPIEquipment

Économies



Ne rien faireAugmenter le rendement

des équipements physiques de 10 %

ITLoads

NCPIEquipment

Économies

ITLoads

NCPIEquipment




21

Conclusion Les modèles traditionnels de rendement des datacenters la surestiment généralement parce qu’ils n’intègrent

pas correctement le degré dans lequel l’équipement est surdimensionné et ni la réduction du rendement

à faibles charges, qui est pourtant la réalité de la plupart des datacenters. Un modèle amélioré chiffre plus

précisément le rendement des datacenters et permet de mieux voir où vont les pertes et comment il est

possible de les réduire.

Les datacenters types consomment plus du double de la puissance requise pas les charges informatiques.

Le coût associé à cette consommation d’énergie représente une part importante du coût total de possession

(TCO) du système. Toute l’électricité consommée au-delà des besoins de l’équipement informatique est

indésirable, et une grande partie de cet excédent peut être évitée.

Le surdimensionnement des datacenters est la principale cause de leur inefficacité. Dès lors, des solutions

évolutives capables de croître avec la charge informatique constituent une piste de choix dans la réduction

des pertes et des coûts de l’électricité. Les économies potentielles au niveau du coût de l’électricité dans

un datacenter type sont de l’ordre de 2 à 4 millions d'euros sur une durée de vie type de 10 ans.

Au vu de l’énorme volume d’électricité et d’argent gaspillé par l’inefficacité des datacenters, la réduction de

ces pertes devrait être une préoccupation majeure pour tous les propriétaires de datacenters, ainsi qu’un

sujet majeur de politique publique.

À propos de l’auteur : Neil Rasmussen est l’un des fondateurs d’American Power Conversion et occupe aujourd'hui le poste de

Sr VP Chief Technology Officer chez APC-MGE. À ce titre, il est responsable du plus important budget de

R&D au monde exclusivement consacré à l’infrastructure des racks, de l'alimentation et du refroidissement

des réseaux critiques. Les principaux centres de R&D des produits APC sont situés dans le Massachusetts,

le Missouri, à Rhode Island, au Danemark, à Taiwan et en Irlande. Neil Rasmussen gère actuellement le

projet APC pour le développement de solutions évolutives et modulaires pour l'infrastructure des datacenters.

C'est le principal architecte du système InfraStruXure d'APC.

Neil Rasmussen a obtenu un diplôme d’ingénieur et une maîtrise en génie électrique au Massachusetts

Institute of Technology avec une thèse sur l’analyse de l’alimentation de 200 MW d’un réacteur à fusion

Tokamak. De 1979 à 1981, il a travaillé aux Lincoln Laboratories du MIT sur les systèmes de stockage

d’énergie à volant d’inertie et sur la génération électrique à partir de l’énergie solaire.

modélisation du rendement électrique des datacenters · il s’agit d’une analyse de la...

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