CC42_efficienza_energetica_nei_data_center

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DATA CENTER
Puntare sull’efficienza
DENTRO L’OBIETTIVO
Cambio di forma e di funzione
Una passiva nella Bassa
Poste Italiane Spa – Posta target magazine – LO/CONV/020/2010
N. 42 · Anno VIII · marzo-aprile 2013
DATA CENTER
Efficienza energetica
nei data center
e server room
I costi energetici e per le infrastrutture
tecnologiche nei data center sono
diventati un fattore centrale. I risultati del
progetto PrimeEnergyIT, finanziato dalla
Commissione Europea, nell’esperienza
dal gruppo eERG del Dipartimento
di Energia – Politecnico di Milano
di Andrea Roscetti – gruppo eERG del Dipartimento di Energia – Politecnico di Milano
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n.42
L
a quantità di dati scambiati sulle
reti IT raddoppia ogni due anni.
Ne consegue che un numero
crescente di apparecchiature con maggiori
potenzialità di calcolo, di trasmissione dati
e i nuovi e più complessi servizi IT sviluppati recentemente, hanno incrementato
la richiesta di potenza. Tuttavia, le analisi
5000
condotte dagli esperti del settore a livello
mondiale mostrano un elevato potenziale di risparmio di energia in data center
e sale server, che può superare in molti
casi il 50%, in funzione delle specifiche
caratteristiche e del tipo di apparecchiature IT installate.
In passato, la maggior parte delle misure per il risparmio energetico si basava
su soluzioni efficienti per l’alimentazione
e il raffreddamento. Più recentemente si
sono sviluppati approcci olistici per integrare tutti gli elementi efficienti (hardware IT,
elementi di gestione e controllo). Gli ultimi
studi mostrano che le misure di efficientamento ad oggi adottate hanno portato ad
una riduzione significativa della domanda
di energia, rispetto ad un scenario “business as usual”*. Eppure, il potenziale di
risparmio energetico non ancora sfruttato
è ancora enorme e le nuove tecnologie
consentono una rapida ed efficace diffusione di sistemi efficienti per le strutture
di calcolo, di gestione e trasmissione dati
di ogni dimensione e livello.
Come migliorare
4000
Inventory Server
IT Controlling
Certificate Server
VMware1
3500
Power [Watt]
Potenziale di risparmio
energetico
4500
Access Control
Intranet
Help Desk
SAN-Enclosure
File Server
3000
MS SQL
SPS
2500
SMS
2000
Root DC
Office DC
Office DC
1500
Exchange
Software Packaging
Logging Server
VMware2
Help Line
Novatime
System Monitoring
Terminal Server
CMF
FC Switch
IT NSeries
Exchange
Exchange FE
Conference Proxy
4 Rack Monitor
1000
NSeries Storage
NSeries Controler
500
4 Rack Fan & KVM
ESX1 Server
0
Old
New
RIDUZIONE DELLA RICHIESTA DI ENERGIA PER MEZZO DELLA VIRTUALIZZAZIONE.
Esempio del consolidamento dei server attraverso la virtualizzazione
attuata al Ministero dell’Ambiente in Germania. Le soluzioni adottate
hanno permesso un risparmio energetico di circa il 68%.
solo una soluzione per migliorare l’efficienza energetica in infrastrutture di rilevanti dimensioni, e dovrebbe essere affiancata a scelte strategiche di progettazione efficiente
a livello di sistema.
L’ottimizzazione dell’efficienza energetica
in sale server e data center è, in genere,
strettamente legata alla corretta progettazione del sistema nel suo complesso. Una
progettazione efficace, sia dell’infrastruttura sia della parte IT, è fondamentale per i
data center di medie e grandi dimensioni.
È possibile migliorare significativamente
l’efficienza energetica grazie a hardware,
virtualizzazione e ottimizzazione del progetto
e del layout del sistema di raffreddamento.
La scelta di apparecchiature efficienti per
l’IT e le infrastrutture rappresenta quindi
* Koomey, Jonathan. Growth in data center electricity use
2005 to 2010, A report by Analytics Press, http://www.
analyticspress.com/datacenters.html, August 1, 2011
n.42
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RAFFREDDAMENTO E INFRASTRUTTURE PER I SISTEMI VIRTUALIZZATI
Oltre a ridurre in modo significativo la complessiva
richiesta di energia, la virtualizzazione, soprattutto
in sistemi più grandi, può causare un aumento della
densità di potenza dei rack. La gestione dell’alimentazione con la migrazione delle macchine
virtuali porta inoltre a dinamiche di cambiamento
spaziale della densità di potenza e di calore, aumentando in tal modo
la richiesta di alimentazione e raffreddamento a livello locale. Devono
essere utilizzati principi di alimentazione e raffreddamento adeguati per
soddisfare la domanda in ambienti virtualizzati e per evitare gli hot spot.
Se la capacità totale di alimentazione e raffreddamento non è adatta
al livello minimo di richiesta di energia, il Power Usage Effectiveness
(PUE) peggiorerà dopo la virtualizzazione. Questa può ridurre il carico
di raffreddamento in un data center a livelli talmente bassi da causare
effetti negativi. Una capacità di alimentazione e raffreddamento correttamente dimensionata è di fondamentale importanza per lo sfruttamento del potenziale di risparmio energetico. E anche essenziale ridurre
le perdite di efficienza con le seguenti azioni:
• Ridimensionamento della capacità di alimentazione e raffreddamento per soddisfare il carico.
• Ventilatori con motori VDF e pompe a inverter che sono controllate
dalla domanda di raffreddamento.
• Utilizzo di apparecchiature con maggiore efficienza.
• Architettura di raffreddamento che abbrevia i percorsi dei flussi d’aria (ad esempio in riga).
• Sistema di gestione della capacità per adattare la capacità alla
domanda.
• Pannelli di chiusura per ridurre la miscelazione dell’aria all’interno
dei rack.
In un ambiente con il tradizionale pavimento rialzato, è possibile
prevedere un raffreddamento locale per gli hot spot, riorganizzando
i pavimenti. Le mutevoli esigenze dovute alla migrazione dinamica
dei server virtuali, tuttavia, richiedono anche soluzioni di raffreddamento dinamico. Una soluzione a questa difficoltà è posizionare unità
di raffreddamento all’interno delle righe e attrezzarle per percepire e
rispondere ai cambiamenti di temperatura. Posizionare le unità di raffreddamento vicino ai server permette brevi percorsi del flusso d’aria
tra raffreddamento e carico. La variazione dinamica di alimentazione
in ambienti virtualizzati è una delle ragioni principali per passare a
un raffreddamento basato su riga o su rack.
SCHEMI TIPICI PER IL RAFFREDDAMENTO DI UN DATA CENTER. SUDDIVISIONE IN CORRIDOI CALDI/FREDDI. Ashrae Save energy now presentation
Lo schema tipico di raffreddamento per un data center di medie dimensioni raffreddato ad aria è caratterizzato dalla suddivisione
in zone/corridoi: quello freddo in cui viene immessa l’aria di raffreddamento destinata all’hardware e quello caldo in cui è presente
l’aria calda proveniente dalle apparecchiature. Le problematiche tipiche dei sistemi ad aria sono dovute alla presenza di infiltrazioni
ed esfiltrazioni, alla ridotta efficienza di raffreddamento a carico parziale e alla scarsa possibilità di controllare puntualmente
le temperature negli armadi rack – con la formazione di punti problematici detti “hot spot”. Sistemi più complessi basati su
raffreddamento a liquido sono meno flessibili, ma lo scambio termico più prossimo alla fonte di calore fornisce la massima efficienza.
Sono in aumento anche i data center che utilizzano direttamente l’aria esterna (free cooling diretto) per lunghi periodi dell’anno
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n.42
Conoscere i consumi
La misura dei consumi di energia nelle
sale server e nei data center è l’elemento
fondamentale per la valutazione dell’efficienza, indipendentemente dalla dimensione del sistema: è sempre importante
avere informazioni il più dettagliate possibile
sui consumi di energia per fare confronti
e supportare correttamente le decisioni
riguardanti le azioni di ottimizzazione nei
sistemi esistenti, mentre a oggi pochi IT
manager di data center sono a conoscenza
dei propri consumi elettrici e dei relativi
costi associati. Una delle metriche più diffuse è il PUE (Power Usage Effectiveness),
definito come il rapporto tra il consumo
totale di energia da parte del data center
e l’energia fornita alle sole apparecchiature IT. Valori tipici di PUE sono superiori
a 2, valori ottimali per nuove installazioni
sono inferiori a 1,2. Come detto, gli interventi di efficientamento dei data center si
sono principalmente concentrati su soluzioni a livello infrastrutturale, in particolare
nell’ambito dei sistemi di raffreddamento e
di alimentazione elettrica. Negli ultimi anni
si nota un crescente ricorso ad approcci
che considerano maggiormente anche l’efficienza dell’hardware (server, storage dei
dati, comunicazione e alimentazione elettrica) e le interazioni tra i differenti sistemi.
RAFFREDDAMENTO A LIQUIDO. Ashrae Save energy now presentation, 2009
RAFFREDDAMENTO A LIQUIDO. S. Novotny, Green field data center design – water cooling for maximum efficiency
Controllo dei carichi:
etichettature volontarie
e obbligatorie
Il primo passo verso l’efficienza è il
controllo dei carichi di lavoro esistenti o
previsti, utile anche a garantire il corretto funzionamento delle apparecchiature.
I carichi possono essere consolidati incrementando il livello di utilizzo dell’hardware
IT e riducendo significativamente la quantità di apparecchiature. Per la valutazione
dell’efficienza dei singoli apparecchi (server,
UPS, e sistemi di raffreddamento) è possibile fare affidamento sulle etichettature
obbligatorie e volontarie e sui modelli di
n.42
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RAFFREDDAMENTO DATA CENTER DI MEDIE E GRANDI DIMENSIONI
L’approccio tradizionale per il raffreddamento nei data center di medie
e grandi dimensioni si basa su sistemi ad aria. Un data center standard è progettato per raffreddare una media di 7,5-10 kW/m², che si
traducono in 1-3 kW / rack. I data center più recenti sono progettati
per raffreddare una media di 20 kW/m², che limita ancora la densità
di energia per rack a 4-5 kW (ricordiamo che la piena capacità dei rack
nei sistemi consolidati o sistemi di server biade può essere superiore
ai 25 kW / rack). I dispositivi IT sono disposti in file con griglie verso
il corridoio freddo. L’aria fredda è fornita al corridoio freddo, passa
attraverso il dispositivo e poi viene scaricata al corridoio caldo. Le
caratteristiche del flusso d’aria sono elementi importanti da considerare. Le direzioni del flusso d’aria nel rack raccomandate sono da
davanti a dietro, da davanti verso l’alto, o da davanti e dall’alto verso
dietro. Se differenti dispositivi con diverse condizioni operative o diverse direzioni del flusso d’aria vengono installati nella stessa stanza,
dovrebbe essere creata un’area separata. Nel caso in cui il dispositivo
abbia diversi requisiti sui parametri ambientali, è preferibile fornire
controlli separati al fine di evitare inefficienze a causa del set point
più basso o di uno scarso controllo del flusso d’aria.
IMPOSTAZIONI DI TEMPERATURA E UMIDITÀ
I data center dovrebbero essere progettati e gestiti alla loro massima
efficienza possibile, a determinate condizioni climatiche (temperatura
di bulbo secco). La temperatura raccomandata è compresa tra 18 e
27°C e l’umidità relativa inferiore al 60% (aria in ingresso nei dispositivi IT). Rispettivamente, il punto di rugiada deve essere tra 5,5 e
15°C. Studi sulla temperatura dell’aria in ingresso suggeriscono 2427°C come range ottimale. A temperature più elevate il consumo di
energia delle ventole interne nei server e nelle altre apparecchiature
IT prevarrà sulla maggiore efficienza del sistema di raffreddamento del
data center. Impostazioni di temperatura inferiore dissipano energia a
benchmark esistenti e in fase di sviluppo,
come ad esempio EnergyStar, SPEC, SNIA,
Eurovent. Negli ultimi anni sono stati sviluppati e proposti da molti organismi internazionali e nazionali diversi approcci di
tipo olistico per la valutazione complessiva
dell’efficienza dei data center, in parallelo
con i metodi di certificazione degli edifici:
si vedano ad esempio il Code of Conduct
della Commissione Europea, le certificazione Blue Angel tedesca, TÜV, BCS.
Gli approcci olistici all’efficienza sono
solitamente orientati a infrastrutture di
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n.42
causa di un eccesso di raffreddamento. In aggiunta alle impostazioni
di temperatura, l’ottimizzazione del flusso d’aria (ad esempio corridoio caldo / corridoio freddo, pannelli di chiusura e sigillatura delle
fughe) è essenziale per garantire l’alta efficienza.
Soprattutto le impostazioni di temperatura superiori richiedono un
flusso d’aria ottimizzato per evitare gli hot spot. A densità di energia
molto elevate (ad esempio 25 kW per rack), il raffreddamento tradizionale del locale basato su sistemi CRAC / CRAH non è più sufficiente
per evitare gli hot spot. In questo caso un raffreddamento speciale
basato su rack e su riga potrebbe essere appropriato.
medio-grande dimensione. Per le piccole sale server – sotto i 20 kW di potenza IT installata – ci sono meno strumenti e il livello ridotto degli investimenti determina spesso
una minor attenzione ai consumi e privilegia l’affidabilità e la disponibilità dei sistemi. I
sistemi di raffreddamento in tali situazioni sono solitamente sovradimensionati e raramente ne viene verificata l’efficienza a carico parziale.
LE BUONE PRATICHE: il progetto PrimeEnergyIT
All’interno del progetto PrimeEnergyIT negli ultimi due anni si sono svolte numerose
attività a livello nazionale, sviluppate linee guida e raccolti casi di buona pratica (sia a
livello tecnologico sia rivolte agli acquirenti pubblici). Sono stati anche organizzati workshop e giornate di formazione sul tema dell’efficienza nei data center. La raccolta di casi
di buona pratica a livello nazionale ed europeo ha evidenziato quanto già era possibile
riscontrare negli studi precedenti: l’incremento di efficienza è raggiungibile migliorando la
tecnologia delle apparecchiature installate e,
parallelamente, gli aspetti della gestione.
Ciò è risultato valido sia nel settore pubblico
sia in quello privato, con differenti livelli di
complessità. Nei casi di studio raccolti in
Italia, che hanno coinvolto grandi aziende
come Esselunga, service provider come
Infracom e il Politecnico di Milano, in generale si notano caratteristiche comuni,
pur trattandosi di infrastrutture differenti
in termini di dimensioni, servizi offerti e
livello di disponibilità dei servizi richiesto.
Virtualizzazione per
ridurre gli apparati
Si è partiti alla ricerca di una maggiore
razionalizzazione del numero degli apparati
(server, dischi e rete), ottenuta grazie alla
virtualizzazione e alla conseguente riduzione dell’IT installato. Per ottenere i massimi benefici, è stato previsto un sistema
di raffreddamento ottimizzato in funzione
della densità, minimizzando l’utilizzo degli
spazi e valutando le potenzialità dei sistemi di raffreddamento previsti o installati.
L’efficienza energetica dell’insieme delle
apparecchiature IT è fortemente influenzata
dal grado di consolidamento del carico di
lavoro (ad esempio grazie alla virtualizzazione), dall’efficienza dei singoli elementi
e apparecchi e dall’uso di opzioni a livello di gestione per il risparmio energetico.
I Caso: Esselunga
Esselunga ha costruito il proprio nuovo
data center Business Continuity, sfruttando
le precedenti esperienze di ottimizzazione
dell’infrastruttura esistente. I chiller ad acqua di nuova installazione – da 252 kW di
potenza raffreddante – hanno un’elevata
efficienza e la possibilità di funzionamento
in free cooling: sotto i 17°C di temperatura dell’aria esterna sono in grado di disattivare gradualmente il raffreddamento
a compressione. L’utilizzo di setpoint più
elevati all’interno della sala, sino a 25°C,
permette inoltre risparmi aggiuntivi. In tale
ESSELUNGA. Le unità chiller sono poste sul lato nord dell’edificio al fine di ottimizzare
l’efficienza in free cooling (economizzatori): sotto i 17°C di temperatura esterna la
richiesta di raffreddamento con compressori è ridotta ed è disattivata sotto i 10°C.
Nella zona dei rack, suddivisi in 5 isole, il processo di raffreddamento è condotto
con unità in row e ottimizzato con il contenimento del corridoio caldo. L’efficacia di
raffreddamento in ogni condizione di carico è stata simulata con un software CFD
ambito l’ASHRAE ha pubblicato recentemente nuove linee guida e studi per la gestione
dei flussi d’aria per il raffreddamento dell’IT, incrementando i limiti superiori degli intervalli
di temperatura ammissibili, per favorire un risparmio maggiore. Grazie alla suddivisione
tra zone fredde e calde, al corretto orientamento delle apparecchiature IT e alla separazione fisica totale delle aree a differente temperatura, si sono raggiunti valori di efficienza
particolarmente elevati: il PUE misurato da Esselunga nel nuovo data center è di 1,19.
Ciò significa che fatto 100 il consumo dell’IT i servizi (raffreddamento e alimentazione)
consumano mediamente solo 19. Il tempo di ritorno dell’investimento risulta in questo caso largamente inferiore alla vita utile dell’infrastruttura: 4 anni contro i 10 previsti.
II Caso: Infracom
Infracom ha operato principalmente sulle infrastrutture esistenti di un proprio cliente,
principalmente riducendo i carichi termici dovuti alle apparecchiature IT. Dai 130 server
ospitati da 18 rack si è così passati a 29 server in 3 rack, consolidando due data center
in uno solo. Ne sono scaturite maggiori possibilità di espansione, maggiore disponibilità
e affidabilità dei servizi, con un consumo ridotto di oltre il 75% rispetto alla situazione
preesistente. L’efficienza energetica dell’insieme delle apparecchiature IT è fortemente influenzata dal grado di consolidamento del carico di lavoro (ad esempio grazie alla
virtualizzazione), dall’efficienza dei singoli elementi e apparecchi e dall’uso di opzioni a
livello di gestione per il risparmio energetico.
Lezione appresa
Dalle esperienze raccolte a livello nazionale ed internazionale, nel settore pubblico
e privato, i punti di forza che favoriscono la progettazione di soluzioni efficienti sono i
seguenti:
• Coinvolgimento del mercato – un market screening iniziale è fondamentale per incrementare le proprie conoscenze e ampliare lo spettro delle possibili soluzioni.
• Coinvolgimento di tutto il personale IT e dei servizi generali.
• Definizione degli obiettivi di efficienza, a livello globale e di apparecchiature.
• Valutazione dei risultati, mediante sistemi di misura e controllo utili anche ad incrementare l’affidabilità e la disponibilità dei servizi offerti.
• Adozione di sistemi e prodotti innovativi e tecnologicamente all’avanguardia.
n.42
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