modélisation du rendement électrique des datacenters · il s’agit d’une analyse de la...
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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
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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.
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
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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).
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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
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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
====
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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.)
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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 %
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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
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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
=
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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
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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
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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.
+ = +
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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.
Fausse hypothèse n°2
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.
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Fausse hypothèse n°3
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
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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 ».
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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
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
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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
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
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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
t ann
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Coût électrique total
Électricité de la charge physique
Électricité de la charge informatique
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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
Charges informatiques
Équipement physique
Ne rien faireAugmenter le rendement
des équipements physiques de 10 %
ITLoads
NCPIEquipment
Économies
ITLoads
NCPIEquipment
Charges informatiques
Équipement physique
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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.