Eficiencia energética en el CPD de la Universidad de Cádiz

Transcripción

1 Eficiencia energética en el CPD de la Universidad de Cádiz El consumo energético de los modernos centros de proceso de datos, que albergan servidores, elementos de almacenamiento y el troncal de la red, se ha disparado en los últimos años debido a la demanda intensiva que se está produciendo en respuesta a la adopción de equipamiento para dar respuesta a los servicios que se nos demandan por parte de nuestros clientes, en nuestro caso, la comunidad académica y científica. La preocupación por el tema es patente en la comunidad científica y académica internacional, como demuestra la creación de la lista Green500 ( lista parecida a la Top500 pero donde se evalúan no sólo las virtudes relacionadas con la potencia, sino con la relación entre está y la eficiencia energética conseguida. Por ello, el personal del Área de Informática de la Universidad de Cádiz, en adelante, UCA, sensibles a lo que supone de cara a un ahorro energético y, por ende, al consiguiente beneficio para el medio ambiente, ha estudiado y puesto en marcha una serie de medidas para lograr compaginar esa creciente demanda referida, con un adecuado ahorro de energía. Todo ello se ha realizado apostando principalmente por la renovación del CPD, aunque esta no sea la única medida tomada, como se plasma en este estudio. La situación de partida presenta un CPD de 50 m2 que alberga cerca de 200 servidores, varias cabinas de almacenamiento y 5 armarios de comunicaciones, donde se dispone el troncal de la red universitaria. La refrigeración se realiza por medio de climatizadoras. En principio se disponía de 3 climatizadoras de 20 Kva y dos splits de 10 Kva. La disposición de los elementos en la sala se dispone en función de su cabida en la misma, una especie de L, aunque se dispone de falso suelo que permite la refrigeración por rejillas, estas insuflan el aire por la zona inferior de los armarios, luego se enfría el ambiente global de la sala. En 2007 se instala un supercomputador que se ha de ubicar en una esquina de la sala, que demanda unas 20K frigorías, y que concentra el calor en dicha zona hasta el punto en que ha de extraerse el calor directamente de la sala mediante un extractor, ya que las climatizadoras no alcanzan a mantener la sala. La sala está orientada al sur, y dispone de una cristalera en dicha pared sur de suelo a techo. Desde su inauguración dispone de elementos para minimizar la exposición solar, paredes

2 de pladur y un revestimiento para intentar contener el calor que directamente incide en esta zona geográfica durante buena parte del año. Cuando se detectó la saturación de la sala, ya que los elementos que contenía generaban más calor que el que las climatizadoras podían contrarrestar, se abordó un plan para la ampliación de dicha sala que fue presentado a las autoridades académicas siendo aprobado y, a día de hoy ejecutado. Relacionamos aquí las medidas que contempla dicho plan, y otras no exactamente contempladas en el mismo, enfocadas a mitigar el daño ambiental y lograr un ahorro energético. El objetivo es llegar a conseguir que el parámetro PUE (Power Usage Effectiveness) sea lo más próximo a uno (PUE=1), ya que: PUE= Potencia Total/Potencia de los equipos de TI Un PUE elevado indica que además de tener los equipos encendidos, que sería lo teóricamente ideal, tenemos elementos auxiliares (normalmente el aire acondicionado) también consumiendo, algo inevitable. Recordar que nuestro PUE anterior podía rozar la media, es decir un PUE=2. Esto indica que por cada vatio que se gasta en alimentar la máquina, se gasta otro en enfriarla. Nuestro objetivo pues es bajar ese valor hasta límites cercanos al valor 1. Como muestra, recordar que Google ha anunciado que mantiene sus sistemas en CPD s con PUE=1, Aprendiendo del Free Cooling Las técnicas de FreeCooling incluyen aquellas que permiten el uso de enfriadoras previamente dispuestas a las climatizadoras, que en periodos determinados necesitan menos energía para enfriar al estar dispuestas en localizaciones a la intemperie. Así, si una sala necesita agua a 5ºC, en buena parte del norte del país podríamos obtener esa agua sin un uso intensivo de energía sólo con disponer las enfriadoras en el exterior de la misma, y prácticamente sin arrancar los compresores. Las latitudes en las que nos encontramos no permiten dichas licencias, con más de 300 días soleados al año, y noches templadas, es imposible. Pero si aprendimos de dichas técnicas para la orientación de la sala. Por ello, propusimos la construcción de la sala en la cara norte del edificio, y además en la planta baja, aprovechando que en dicha zona prácticamente no incide el sol en toda la jornada. Este simple hecho, unido al aislamiento mediante muro de hormigón de la misma de 25 cm de espesor, recubierto internamente de un material termoacústico de 3 cm de espesor, hace que la sala se encuentre de entrada a nada menos que 4ºC por debajo de la anterior ubicación, y además de forma constante. 2.- Disposición de los servidores La disposición en L comentada en la introducción, con refrigeración ambiente presenta una pérdida de efectividad climática importante. Los modernos equipos se disponen en armarios o racks y adquieren el aire frío por su parte delantera, expulsando el aire que se va calentando al pasar por los circuitos del equipo, por la parte trasera.

3 La técnica de refrigeración ha consistido en disponer un falso suelo elevado 40 cm, donde las climatizadoras insuflan el aire a modo de plenum. Entonces se han dispuesto los armarios en dos hileras con las caras enfrentadas, de forma que bajo cada parte frontal de cada armario se ha dispuesto una rejilla de salida de aire vertical, que crea una columna de aire frio que es proyectada ante la columna de servidores. Todas las traseras de los armarios forman un pasillo caliente, aire que se desplaza al techo de la sala y que es absorbido por las climatizadoras, para de nuevo iniciar el ciclo. Por supuesto, se ha analizado el consumo y disipación de los equipos, y se han repartido estos proporcionalmente entre los 30 armarios, de forma que la temperatura global sea homogénea en toda la sala evitando así las concentraciones de calor anteriores y la mejora en la medida de la temperatura. Esta técnica ha aportado igualmente un gran beneficio frente a la anterior, pues no se refrigera la sala, sino simplemente la cara anterior de los armarios, reduciendo enormemente el consumo energético destinado a tal fin. De hecho, inicialmente, se estableció una temperatura de consigna para la sala de 22ºC en su arranque. Mediciones posteriores delimitaron que el aire medido en las caras de los armarios del pasillo frío entraba a 16ºC de media, por lo que se ha elevado dicha temperatura de consigna a 24ºC. La medición entonces pasó a 18ºC en el pasillo frío. Estos dos grados pueden, según los estudios, tener una incidencia en una rebaja del consumo energético de las climatizadoras de entre un 11 y un 13%. De hecho, la media actual es el uso de 2 compresores de los 8 disponibles, es decir, unos 72 kva frente a los constantes e insuficientes 80 kva que eran necesarios anteriormente, con algunos equipos más que antes y con el doble de tamaño de sala. Conclusión, nuestro PUE ya es inferior al valor Consolidación de servidores Esta técnica no es novedosa en nuestro servicio, pues fue impulsándose anteriormente movida por las perentorias condiciones que presentaba el antiguo CPD; y es que ante la demanda constante y la falta de espacio y frigorías, se optó por equipos más eficientes. Consiste simplemente en la inversión en la tecnología blade. Un sistema blade consta de un chasis con un número determinado de servidores, normalmente entre 10 y 16, que carecen de fuentes de alimentación y ventiladores. Esos dispositivos se encuentran en los chasis que los albergan, a modo de tarjetas. Uno de los más eficientes actualmente es el modelo c7000, un bladesystem de la compañía HP. Dispone de hasta 16 servidores, pero los mantiene con 6 fuentes de alimentación y 10 ventiladores. Independiente de factores como la reducción de espacio, y la capacidad que presenta el chasis para monitorizar consumo y temperatura de forma muy precisa y gráfica, el valor efectivo del uso de estas tecnologías se basa en el ahorro energético del sistema. Disponemos de cores que van desde los 1,8 Ghz a los 3,2 Ghz, luego la media roza los 2,6 Ghz, que con tecnologías de 65 nm presentan un consumo medio de 27 w/h por core. Simplemente recordar que un equipo de formato tradicional presenta un consumo de unos

4 120 w/h, luego el ahorro puede rondar los w/h/core. Eso se traduce en que un equipo biprocesador, dual core, ahorra unos 300 euros de energía al año frente a un equipo convencional. 4.- Virtualización La virtualización es uno de los avances más importantes acaecidos en los últimos años en tecnologías de Sistemas. Aparte de las ventajas que presenta el gestionar servidores enteros como si de ficheros se tratara, la posibilidad de migración, y así hasta una decena de ventajas, en la materia que nos ocupa implica la importante posibilidad de incluir varios servidores virtuales en uno físico; no siempre, claro. Este hecho, que para el gestor implica un ahorro económico por el ahorro de hardware que implica, se puede ver desde el punto de vista energético como un grar ahorro. En vez de disponer de dos equipos con ciclos muertos de reloj pero consumiendo energía de forma continua, disponemos de uno, albergando dos virtuales, que aprovechan más los ciclos de reloj. El ahorro pues, es claro. En este caso, hemos comprobado que el ahorro no es lineal sino que marca una curva exponencial. Así, cuando varios equipos físicos están más ociosos, sus procesadores disminuyen el consumo por la falta de actividad, mientras que un equipo que albergue varios servidores virtuales tendrá menos oportunidades de parada de sus procesadores por falta de actividad aunque, no obstante, el ahorro está garantizado. En nuestro caso, disponemos de unos 35 servidores virtualizados, ya no sólo como equipos para pruebas, sino en verdadera producción. No todos los servicios permiten el uso de esta técnica, pero si los menos críticos, pero recordemos que esos 35 equipos, con fuentes redundantes normales de 450 watt, sumarían otros 30 Kwh de consumo al CPD. 5.- Direcciones futuras Evidentemente, la demanda de servicios de la universidad no mermará, por lo que el número de servidores, aunque dispuestos en chasis o virtualizados no parará de crecer. Estas dos técnicas ralentizarán el hecho de que el CPD actual se ocupe por completo. La potencia total del CPD es una constante en la ecuación, limitada por la capacidad de las dos SAI s y el grupo, además de las secciones de los cables y otros elementos del sistema diseñado. La idea pues, será que en el futuro deberemos ceder algunas décimas del valor del PUE de la parte que aporta la climatización a la parte consumida por los servidores; o dicho de otra forma, invertir toda la potencia posible en encender equipos, y no en enfriarlos. Para ello nos quedan algunas cuestiones a estudiar e implantar. La primera de ella es optimizar aún más la técnica de disposición de pasillo frio pasillo caliente, con el cierre de los mismos mediante mamparas de PVC. Efectivamente, se puede cerrar totalmente el pasillo frío por todas sus caras y techo, haciendo que el aire de las rejillas no se vea afectado por el del resto de la sala. Esto nos permitirá ahorros importantes, pues puede permitir bajar la temperatura de consigna otros 2ºC de media. Otra forma de verlo es la conducción del aire caliente de las salidas traseras de los armarios a la entrada superior de las climatizadoras, no permitiendo su expansión por la sala y, por

5 tanto impidiendo su mezcla con aire en el pasillo frio. En este caso, por el diseño arquitectónico de la sala, implicaría el uso de muchos más paneles y su coste sería superior. A muy corto plazo, estamos inmersos en implantar un sistema de medición más precisa en todas las puertas delanteras de los armarios, donde verdaderamente debe ser medida la temperatura de la sala, a fin de optimizar la temperatura de consigna de la sala, e incrementar aún más el ahorro expuesto en el apartado 2. Abelardo Belaustegui González Área de Informática de la Universidad de Cádiz Coordinador de Sistemas