Questo principio è di fondamentale importanza nei data center aziendali, che possono consumare fino al 25% dell'energia totale utilizzata da qualsiasi organizzazione IT a livelli di attività tipici (stima di Raritan basata sul "Report to Congress on Server and Data Center Energy Efficiency Public Law 109-431" dell'Agenzia per la Protezione Ambientale degli Stati Uniti). Data la crescente dipendenza dai sistemi IT per la gestione di applicazioni mission-critical e l'ascesa sia della tecnologia blade che della virtualizzazione, la densità dei server sta aumentando in modo significativo.
A causa di questo aumento, i data center generano sempre più calore e i sistemi di climatizzazione (HVAC) devono lavorare di più per mantenerli a una temperatura adeguata. Ciò, a sua volta, fa aumentare i costi energetici e sta diventando una preoccupazione crescente per i reparti IT, poiché i costi associati potrebbero superare qualsiasi budget, e si inserisce perfettamente nel contesto delle Linee guida per l'IT verde lanciate da importanti organizzazioni nel settore dell'IT ecocompatibile.
È evidente la necessità di monitorare i consumi energetici e le temperature nei data center, nonché di regolare i livelli di riscaldamento, raffreddamento e ventilazione per minimizzare i consumi senza compromettere la disponibilità dei sistemi IT. Ma qual è il primo passo che le aziende lungimiranti dovrebbero compiere? Quali strumenti sono disponibili per ottenere i dati necessari a progettare un data center più efficiente ed ecocompatibile?
Questo white paper, il primo di una serie, affronta alcune delle problematiche più complesse relative alla gestione energetica e fornisce delle soluzioni. I lettori apprenderanno tre cose:
- Le loro lacune conoscitive in merito a ciò che credevano di sapere sulla misurazione dell'energia.
- Quali tipi di strumenti di misurazione sono necessari per calcolare l'efficienza energetica di un data center.
- Come stabilire criteri che consentano al loro data center di essere conforme alla Green Grid e facilitino il loro impegno verso un ambiente IT più ecocompatibile.
La sfida
: quando la gestione energetica non era una priorità assoluta, i responsabili IT prevedevano il consumo energetico totale dei loro data center utilizzando semplici calcoli basati sulle specifiche delle apparecchiature.
Tuttavia, secondo il documento "HP Power & Cooling" di HP, datato 31 agosto 2006, il consumo energetico medio di un data center è aumentato da 2,1 kilowatt per rack nel 1992 a 14 kWh per rack nel 2006. La semplice moltiplicazione del numero di server per il loro consumo energetico nominale non riflette le statistiche di consumo reali. Un sondaggio condotto da DatacenterDynamics durante la sua conferenza della primavera 2007 ha mostrato che il consumo energetico medio di tutti gli intervistati negli Stati Uniti era di 5,5 kWh per rack, con un consumo di picco medio di 11,6 kWh per rack.
D'altro canto, molti analisti del settore, come Gartner ("25th Annual Data Center Conference", dicembre 2006), prevedono da oltre un anno significative carenze di alimentazione elettrica. Mentre alcune aziende hanno la flessibilità di trasferire i propri data center in località con un'alimentazione elettrica più affidabile ed economica, non tutte possono permetterselo. Ciò significa che le discrepanze irrisolte potrebbero costringere i responsabili IT e delle infrastrutture a prendere decisioni difficili, scegliendo se mantenere alcune applicazioni e sacrificarne altre per garantire la continuità operativa dell'azienda durante i picchi di domanda.
Con la crescente attenzione alle problematiche energetiche e l'emergere di strumenti in grado di effettuare misurazioni precise, gli amministratori IT e i facility manager non devono più affidarsi ciecamente ai dati nominali di consumo indicati sulle targhette delle apparecchiature o basare i propri calcoli su ipotesi consolidate nel settore. Se in passato i valori approssimativi erano accettabili, l'incombente crisi energetica impone di lavorare con cifre precise.
Solo misurando il consumo energetico individuale dei propri server, gli amministratori possono determinare con precisione l'effettivo utilizzo di energia delle proprie apparecchiature e ottenere dati che consentano loro di pianificare misure di risparmio energetico.
Grazie ai dati ottenuti dal monitoraggio in tempo reale dei singoli server, gli amministratori possono gestire in modo più efficace e con maggiore sicurezza la scelta delle apparecchiature da spegnere, in quanto possono:
- Identificare le risorse di elaborazione inattive.
- Identificare le risorse di elaborazione a basse prestazioni (che consumano molta energia a fronte di una ridotta potenza di calcolo).
- Supportare la pianificazione della capacità nella progettazione dell'infrastruttura per tutte le apparecchiature di raffreddamento, protezione e distribuzione dell'alimentazione.
Capacità nominali e dati presunti:
i produttori di server indicano il consumo energetico di ciascun server sulla sua targhetta. Tuttavia, i responsabili dei data center sanno che questo valore rappresenta sempre il consumo energetico massimo possibile e che il consumo energetico tipico di un server non raggiunge mai la potenza nominale indicata sulla targhetta. Un modo semplice per aumentare la densità dei server è sottrarre una certa percentuale dalla potenza nominale, che dipende dal carico di lavoro imposto al server.
PTS definisce questo valore ridotto "consumo energetico di progetto" dell'apparecchiatura. Generalmente corrisponde al 50-75% della potenza nominale e viene utilizzato per dimensionare tutti i sistemi di raffreddamento, protezione e distribuzione dell'alimentazione nel data center. Poiché questa percentuale è spesso ancora superiore al consumo effettivo, ora si utilizzano PDU intelligenti per ottenere dati molto più precisi.
Ad esempio, misurando il consumo elettrico dei singoli server tramite apparecchiature PDU intelligenti, lo studio di PTS sulle apparecchiature informatiche di Raritan ha determinato che il loro consumo abituale era compreso tra il 20 e l'85 percento del loro consumo teorico (nominale), con una media approssimativa del 31 percento, ovvero molto inferiore al consumo nominale delle apparecchiature.
Consumo energetico delle apparecchiature IT rispetto al consumo energetico totale della struttura
Un altro parametro importante è il confronto tra il consumo energetico delle apparecchiature IT e il consumo energetico totale della struttura. APC-MGE stima che il 30% del consumo energetico totale di un data center sia attribuibile a server e altre apparecchiature IT, mentre i restanti consumatori (raffreddamento, ventilazione, distribuzione dell'energia, illuminazione) rappresentano il restante 70%. Secondo EYP Mission Critical Facilities, una divisione di HP, queste cifre sono equamente suddivise, 50/50. Tuttavia, un'analisi preliminare di PTS e Raritan ha mostrato che il 71% del consumo era attribuibile a carichi di lavoro di elaborazione critici, ma solo il 29% ai sistemi di supporto. L'elevata percentuale di energia dedicata alle attività di elaborazione critiche indica che PTS e Raritan gestiscono l'energia nei loro data center in modo più efficiente rispetto alla media del settore. Ciò suggerisce anche un'opportunità per migliorare le prestazioni: maggiore potenza di calcolo con meno energia.
Questi dati illustrano l'importanza di ottenere misurazioni accurate nei data center, piuttosto che affidarsi alle "medie ufficiali del settore".
Sistemi di misurazione
: come eseguire queste misurazioni in modo efficiente e preciso? Ecco alcuni elementi da considerare:
monitor di circuiti derivati e misurazione del carico dei singoli dispositivi.
I monitor di circuiti derivati sono dispositivi elettrici che misurano il carico di corrente su tutti i circuiti di un quadro elettrico e avvisano gli operatori quando il carico si avvicina al limite nominale dell'interruttore. Questa prevenzione è particolarmente importante, ad esempio, nei data center, dove potrebbero essere collegati server aggiuntivi a un circuito che si sta già avvicinando alla sua capacità massima. I monitor di circuiti derivati misurano continuamente la corrente presente su tutti i circuiti e garantiscono che qualcuno venga avvisato prima che un interruttore raggiunga la sua capacità nominale o, peggio, scatti.
Collettori di dati ambientali nei data center:
i collettori di dati ambientali sono progettati specificamente per raccogliere dati ambientali e di alimentazione dai data center. Possono anche consolidare e analizzare le informazioni raccolte per aiutare a prendere decisioni informate sul consumo energetico sia delle apparecchiature IT che delle infrastrutture.
PDU intelligenti:
le PDU intelligenti consentono al personale IT di monitorare il consumo energetico di qualsiasi server, unità di storage o altro dispositivo IT. Ciò è molto utile per identificare le apparecchiature sottoutilizzate e quelle che si avvicinano o superano i loro normali livelli di utilizzo massimo. Offrono anche il monitoraggio e il controllo a livello di infrastruttura del consumo energetico del data center.
Le PDU intelligenti possono essere controllate da remoto tramite un browser web o un'interfaccia a riga di comando (CLI). Sono in grado di misurare il flusso elettrico sia a livello di PDU che a livello di singola presa, consentono di impostare soglie di allarme personalizzabili, offrono sicurezza tramite password, autenticazione, autorizzazione e crittografia e integrano funzionalità complete di gestione ambientale. Alcuni modelli sono inoltre altamente adattabili, incorporando le più recenti tecnologie standard del settore come SNMP TRAP/SET/GET, IPMI e SMASH CLP, e possono essere integrati senza problemi nelle infrastrutture aziendali esistenti, come server LDAP, Active Directory®, RADIUS e NFS.
Tuttavia, questi strumenti non possono esprimere appieno il loro potenziale se il modello si basa esclusivamente su un ambiente statico. Nel mondo reale, i data center sono dinamici. I livelli di utilizzo dei server cambiano nel tempo e, di conseguenza, variano anche il consumo energetico, la generazione e la dissipazione del calore. Ciò, a sua volta, richiede un raffreddamento adeguato per specifici rack o gruppi di computer.
Pertanto, il passo successivo è determinare l'efficienza energetica del data center.
L'organizzazione Green Grid: Calcolo del valore PUE.
L'organizzazione Green Grid definisce l'efficienza di utilizzo della potenza (PUE) con questa formula:
PUE = Consumo energetico totale della struttura / Consumo energetico delle apparecchiature IT.
In questa equazione, "Consumo energetico totale della struttura" è l'energia necessaria per mantenere in funzione l'intero data center, inclusi server, apparecchiature IT, illuminazione, raffreddamento, ventilazione, ecc. "Consumo energetico delle apparecchiature IT" rappresenta l'energia consumata esclusivamente dai server e dalle apparecchiature IT.
Il valore PUE può variare da 1,0 a infinito. Un valore PUE vicino a 1,0 indicherebbe un'efficienza del 100% (il che significa che tutta l'energia elettrica verrebbe consumata esclusivamente dalle apparecchiature IT). Attualmente, non esistono studi esaustivi che dimostrino l'effettiva distribuzione dei valori PUE nei data center. Alcuni lavori preliminari condotti da PTS sembrano indicare che molti data center potrebbero avere un PUE pari o superiore a 3,0, ma con una progettazione adeguata si potrebbe raggiungere un valore PUE di 1,6.
Strumenti per il calcolo del PUE
Nel calcolo del valore PUE del vostro data center, è necessario misurare con precisione il consumo energetico effettivo per stabilire un parametro di riferimento che consenta di quantificare i miglioramenti. A tal fine, Raritan e PTS hanno progettato e implementato la seguente strategia di misurazione.
È stato installato un dispositivo di acquisizione dati Veris H8820 per misurare l'amperaggio del circuito secondario di ciascun carico e calcolare la potenza fornita alle unità di condizionamento dell'aria (CRAC), all'illuminazione, ai gruppi di continuità (UPS) e ad altri utenti non IT nel data center. Questa unità è stata scelta per la sua facilità di installazione e per la capacità di fornire i dati richiesti.
I monitor ambientali Geist Racsense con sonde di temperatura sono stati installati sui coperchi e sui pavimenti di ciascun rack (anteriore e posteriore), nonché in corrispondenza degli ingressi e delle uscite di alimentazione di ciascuna unità CRAC.
È stata inoltre installata una sonda di umidità per misurare l'umidità ambientale all'interno della stanza. I dispositivi Racsense hanno consentito l'acquisizione semplice ed efficiente dei dati relativi all'installazione e al cablaggio.
In ogni rack sono state collocate due unità di distribuzione dell'alimentazione intelligenti Dominion® PX. Ciò ha permesso la raccolta di dati sul consumo di potenza attiva dei carichi di lavoro IT critici, individualmente per ciascun dispositivo. Questi dati sui carichi di lavoro IT critici hanno fornito la precisione necessaria per misurare il PUE e sviluppare proposte di miglioramento.
Risultati
Consumo nominale vs. consumo effettivo
L'istogramma in Figura 1 mostra la distribuzione di frequenza del consumo effettivo espresso in percentuale del consumo nominale (capacità), in base alle letture effettuate presso il data center Raritan tra il 21 e il 26 febbraio 2008. Il valore nominale riportato sulla targhetta indica il consumo massimo che un dispositivo può raggiungere in un dato momento, con qualsiasi carico di lavoro e in qualsiasi condizione ambientale all'interno del data center.
Le attuali normative di progettazione dei data center utilizzano valori nominali per la pianificazione della capacità. Poiché il valore nominale rappresenta il valore massimo raggiungibile, l'utilizzo di questo metodo per dimensionare i sistemi di alimentazione dei data center è inefficiente, in quanto si basa su cifre superiori al consumo effettivo. Ridurre il valore nominale di una percentuale fissa attenua parzialmente il problema, ma il grafico sottostante dimostra che la gamma di fattori correlati al consumo energetico operativo effettivo è talmente ampia da rendere estremamente difficile la scelta di un fattore di riduzione che garantisca un adeguato equilibrio tra efficienza energetica e affidabilità operativa. In altre parole, ciò che pensavamo di ottenere con una strategia di "riduzione dei valori" si è rivelato un'illusione, poiché abbiamo sacrificato la conoscenza "reale" a favore di una conoscenza "approssimativa", compromettendo così anche la nostra capacità di diventare un'azienda più ecologica.
Ad esempio, durante la misurazione del consumo medio effettivo, è emerso che 29 dispositivi nella sala server di Raritan consumano tra il 21% e il 40% di questa capacità, mentre 15 consumano una percentuale maggiore e 15 una percentuale minore. La misurazione del consumo di picco ha mostrato che 27 dispositivi nella nostra sala server consumano tra il 21% e il 40% di questa capacità, mentre 23 consumano una percentuale maggiore e 9 una percentuale minore.
La conclusione principale è che la capacità effettiva (consumo effettivo) ha un intervallo potenziale molto ampio. Pertanto, ridurre semplicemente il consumo nominale con metodi aritmetici può avere due conseguenze: compromettere l'affidabilità o non sfruttare appieno il potenziale di maggiore efficienza. Una progettazione basata su un consumo ridotto aritmeticamente potrebbe essere il primo passo, ma la misurazione del consumo effettivo di un dispositivo durante il funzionamento quotidiano fornisce le informazioni aggiuntive necessarie per operare in modo più efficiente e garantire prestazioni affidabili.
Calcolo del valore PUE di Raritan
Come mostrato nella Figura 2, circa il 71% del consumo medio totale di elettricità di Raritan è attribuito alle apparecchiature IT critiche (i soli server rappresentano il 49,4%), mentre il
restante 29% è attribuito ai servizi ausiliari, come il raffreddamento e l'illuminazione.
Per calcolare il PUE di Raritan utilizzando la formula sopra:
Consumo totale = Infrastruttura ausiliaria (5,625 kW) + Carico critico (13,68 kW) = 19,3 kW
Consumo totale delle apparecchiature IT = Carico critico (13,68 kW)
PUE di Raritan = Consumo totale / Consumo totale delle apparecchiature IT = 19,3 kW / 13,68 kW = 1,4
Conclusioni:
L'aumento dei costi energetici e la diminuzione delle fonti di approvvigionamento sono state le principali motivazioni di questa analisi. Nell'arco di cinque mesi, Raritan e PTS hanno definito e implementato un piano per attrezzare la sala server di Raritan e misurare il consumo energetico sia a livello delle apparecchiature IT che dei circuiti secondari per i carichi non IT. Questo studio ha rivelato quanto segue:
- Inizialmente ipotizzando che la sua sala server avesse un basso valore PUE, Raritan ha scoperto di avere in realtà un PUE rispettabile di 1,4, con un consumo medio di tutte le sue apparecchiature IT (server e storage combinato) di 10,5 kW.
- Ciò significa che, utilizzando dati reali anziché approssimativi, Raritan può adottare un approccio intelligente alla gestione e all'approvvigionamento del suo data center:
• Raritan non ha bisogno di aggiungere server per aumentare la potenza di calcolo.
• Raritan può diventare un data center più ecologico.
- 44 dispositivi hanno registrato un consumo energetico medio effettivo equivalente a quello di un server inattivo. Ciò ha chiaramente indicato che si potrebbe risparmiare energia consolidando questi server quasi inattivi. Ipotizzando un tipico rapporto di consolidamento di 10 a 1, potenzialmente 40 dispositivi potrebbero essere disattivati.
• Raritan può prevenire il deterioramento dei suoi servizi vitali implementando una gestione del carico di lavoro più efficiente.
- Due dispositivi consumavano tra l'80 e il 100 percento della loro potenza nominale. Se Raritan avesse applicato la media del settore e ridotto questo valore del 60-80 percento, le prestazioni del server avrebbero potuto risentirne negativamente.
- Questi stessi due dispositivi sono stati esaminati per garantire che non creassero punti caldi e che il loro consumo energetico non fosse vicino ai limiti di capacità, il che avrebbe rappresentato un potenziale problema.
- Raritan può ridurre i suoi costi operativi senza compromettere la sua vitale capacità di elaborazione.
L'uso di PDU rack intelligenti ha mostrato a Raritan il consumo energetico effettivo a livello del singolo dispositivo IT, fornendo i dati necessari per pianificare i passi successivi verso la riduzione del consumo energetico, l'aumento dell'efficienza e, di conseguenza, una maggiore
ambientale
. Le misurazioni hanno anche prodotto una serie di vantaggi imprevisti oltre alla semplice fornitura dei dati necessari per calcolare il valore PUE. Ad esempio, un improvviso calo del consumo energetico ha permesso al personale IT di scoprire che l'interruttore automatico di una delle loro unità CRAC era scattato. Ciò ha consentito di effettuare riparazioni preventive prima che il caldo estivo potesse causare problemi di raffreddamento. Un sensore di temperatura situato nella parte superiore di un rack li ha avvisati del guasto di una delle ventole del rack.
Poiché i parametri di riferimento del settore si basano su un'ampia varietà di medie e ogni data center presenta caratteristiche uniche che lo differenziano da tali medie, questo studio di Raritan e PTS ha rafforzato il principio dell'organizzazione Green Grid:
"Per migliorare le prestazioni energetiche dei data center, è innanzitutto necessario misurare il consumo del data center nel suo complesso e di ciascuno dei sottosistemi che lo compongono".
Qual è il prossimo passo?
Nel prossimo white paper, esamineremo l'utilizzo e i vantaggi della fluidodinamica computazionale (CFD) per aiutarvi a migliorare l'efficienza energetica del vostro data center.
Confronteremo inoltre i risultati ottenuti utilizzando misurazioni reali con i dati nominali di consumo energetico basati sulla CFD.
Autore:
Greg More, Product Manager presso Raritan.
