SISTEMAS DE INFORMACIÓN: CAMINO DEL GREEN COMPUTING

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1 SISTEMAS DE INFORMACIÓN: CAMINO DEL GREEN COMPUTING Autor: Gómez López, Fernando. Director: Cesteros García, Francisco José. Entidad Colaboradora: ICAI Universidad Pontificia Comillas. RESUMEN DEL PROYECTO Actualmente se utiliza una gran cantidad de energía eléctrica para que puedan operar los diferentes equipos de cómputo dentro de los centros de procesamiento de datos con el fin de satisfacer las demandas de información de los usuarios. Un estudio reciente de la EPA (Agencia de Protección Ambiental de Estados Unidos) sostiene que los centros de datos en Estados Unidos consumen millones de kwh al año, un 1,5% del total del país. IDC 1 (principal proveedor global de inteligencia de mercado de tecnologías de la información y telecomunicaciones) afirma que los servidores en Europa Occidental consumieron más de millones de kwh en 2007, casi el doble de la electricidad consumida en un año por el alumbrado urbano y los semáforos del Reino Unido. En este sentido, todas las organizaciones necesitan reducir su huella de carbono, y disminuir el consumo energético de las tecnologías de información es una prioridad. El Green Computing comprende cualquier iniciativa o actividad en el mundo de las tecnologías de información que contribuya al desarrollo sostenible y sea respetuosa con el medio ambiente. En este proyecto se presentan algunas de las medidas que se están llevando a cabo en los centros de procesamiento de datos más eficientes, haciendo un estudio de los ahorros potenciales que suponen y el impacto que tienen en el medio ambiente. Posteriormente, se han seleccionado una serie de medidas y se ha hecho una aplicación en un centro de procesamiento de datos. Las medidas estudiadas abarcan las tres principales fuentes de consumo dentro de un CPD como son los equipos I.T, la infraestructura eléctrica y la refrigeración; siendo estas dos últimas casi igual de importantes que el primero. La infraestructura eléctrica representa el sistema de distribución de energía eléctrica dentro del CPD 2. Este sistema incluye el suministro tanto a los equipos I.T como a los sistemas de refrigeración, sistemas de seguridad, etc. Actualmente, la mayoría de los 1 IDC: International Data Corporation. 2 CPD: centro de procesamiento de datos.

2 componentes de la infraestructura como las unidades de alimentación ininterrumpida (SAI) y unidades de distribución de potencia (PDU), comportan pérdidas eléctricas dando lugar a sistemas poco eficientes. Las pérdidas de los sistemas SAI representan entre el 5 y 15% del consumo eléctrico total. En este proyecto se estudian los distintos tipos de unidades SAI y las formas de mejorar sus rendimientos. La refrigeración de los centros de procesamiento de datos es con frecuencia donde se produce el mayor desaprovechamiento de la energía. La principal fuente de ineficiencia en la refrigeración es la mala gestión de la distribución del aire. En estos centros suele mezclarse el aire de impulsión (aire frío) con el aire de retorno (aire caliente) formándose flujos de bypass y flujos de recirculación. Ello provoca una disminución del rendimiento del proceso de refrigeración, ya que la diferencia de temperaturas entre el aire de impulsión y aire de retorno es menor provocando un mayor consumo de la unidad enfriadora. A su vez, es necesario establecer una temperatura de impulsión inferior para contrarrestar el efecto de recirculación del aire caliente. En muchos casos los requisitos de temperatura y humedad de un CPD vienen condicionados por las características de los equipos más exigentes y por tanto, la existencia de puntos calientes obliga a forzar una mayor refrigeración de todo el conjunto. En este terreno se están desarrollando varias iniciativas. En este estudio se analizan las siguientes: la contención de pasillos fríos o calientes; los paneles ciegos; la alimentación directa y retorno directo; los sistemas In Row ; y los ventiladores con regulación de velocidad. Otra opción para reducir el consumo del sistema de refrigeración es la utilización del enfriamiento gratuito (free cooling), con lo que se consigue reducir el consumo de los sistemas de producción de frío. El ahorro energético mediante el free cooling depende del clima en el que esté ubicado el CPD. La optimización del consumo de los equipos informáticos es otra alternativa de cara a la reducción del consumo energético. En esta área, se presenta como solución la virtualización y consolidación de equipos. Con la virtualización se consigue el aprovechamiento inteligente de la capacidad de procesamiento y almacenamiento de las unidades informáticas, reduciendo el número de unidades necesarias. Esto se traduce en un menor consumo de los equipos y una menor necesidad de refrigeración. Tras el análisis de las medidas expuestas y la aplicación de algunas de ellas en un centro de procesamientos de datos, se llegan a las siguientes conclusiones. Se recomienda la virtualización como medida prioritaria. Esta medida es probablemente

3 la que más reduce el consumo eléctrico, ya que se basa en la disminución de la carga eléctrica y térmica como resultado de la optimización del número de equipos necesarios. Con la virtualización se puede lograr una reducción del consumo energético de hasta un 90% 3. A su vez, esta tecnología presenta una rentabilidad alta de en torno al 50% 4. Estos beneficios no solamente corresponden al ámbito energético y medio ambiental, sino que se presentan en otros ámbitos como la productividad de los equipos, la gestión del mantenimiento o la liberación de espacio útil. La segunda medida que se ha de adoptar es la renovación de la infraestructura eléctrica y el sistema de refrigeración. Una vez aplicada la virtualización, es necesario determinar la nueva carga eléctrica y térmica con el fin de poder dimensionar la infraestructura energética. Para optimizar las pérdidas en el sistema de refrigeración del CPD se recomienda adoptar una estrategia de refrigeración por fila. La integración de unidades climatizadoras modulares como los sistemas In Row junto con la contención de pasillos se perfila como la solución más eficiente al igual que rentable. De esta forma, se evitan los flujos de recirculación y bypass, con lo que se consigue que las temperaturas medias de impulsión y retorno sean más altas. Esto se traduce en un aumento del rendimiento de las unidades enfriadoras y climatizadoras. Asimismo, la integración de unidades In Row dentro de las filas elimina la necesidad de falso suelo y optimiza la distribución del aire. La ventaja principal de estas unidades es la propia ubicación de las mismas que, al estar entre los racks, reducen el recorrido tanto del aire de impulsión como del aire de retorno, potenciando el ahorro del consumo de los ventiladores. Por otra parte, se recomienda, una vez que el sistema de refrigeración se haya dimensionado correctamente, reducir las pérdidas de la infraestructura eléctrica con la integración de unidades SAI de conversión Delta modulares. Estos sistemas presentan, para potencias elevadas, mejores rendimientos con los que se puede reducir las pérdidas asociadas a la infraestructura eléctrica en un 70%. Un dimensionamiento adecuado de la infraestructura eléctrica y el sistema de refrigeración puede llegar a presentar una tasa de rentabilidad de en torno al 25%, recuperando la inversión en un plazo inferior a cuatro años. Con la implementación de estas medidas se conseguiría reducir las ineficiencias en las tres fuentes de consumo. Asimismo, con la adopción de los sistemas modulares de las unidades In Row y las unidades SAI se facilitarían las futuras ampliaciones del CPD. 3 Este porcentaje corresponde al ahorro conseguido en CPD estudiado en el proyecto. 4 Este valor se ha obtenido en el estudio económico del CPD estudiado.

4 INFORMATION SYSTEMS: GREEN COMPUTING Nowadays, a great amount of energy is being consumed by information technology equipment in data centers in order to match the increasing demand. A recent study done by the E.P.A (Environmental Protection Agency) reveals that data centers in the United States consume million kwh per year, this amounts to 1,5% of the country s energy consumption. IDC 5, premier global provider of market intelligence for information technologies, states that computer servers in Occidental Europe consumed more than million kwh in 2007, which is nearly double the annual electricity consumption of all the lighting and traffic lights in United Kingdom. As a response to these facts, most companies need to reduce their carbon footprint, establishing as a priority the reduction of energy consumption of information technologies. The idea of Green Computing consists of any initiative or activity that is carbon friendly and procures a sustainable development plan for the information technology industry. This paper reviews some of the methods and measures adopted by the I.T managers of the most efficient data centers, analyzing the potential benefits and the environmental impact. In addition, some of theses measures have been implemented in a data center case study. Most of the methods studied cover the three main energy consumption sources in data centers: the I.T equipment, the electrical infrastructure and the refrigeration system. The electrical infrastructure represents the power distribution system in a data center. This system includes the power paths to I.T equipments and to the refrigeration system, security systems, etc. Currently, most of the components of the power distribution system like the UPS units and the PDU units have inherent power losses, causing this system to be inefficient. UPS losses account for 5 to 15% of the total power consumption in a conventional data center. This paper analyzes the main types of UPS and studies ways to increase their efficiency. The refrigeration system presents most of the efficiency challenges of a data center. Most of the losses associated to this system are caused by an incorrect air distribution 5 IDC: International Data Group.

5 management. In these centers, the supply air from the CRAC units usually mixes with the return air from the servers, causing the formation of bypass and recirculation airstreams. This leads to a descent of the efficiency in the refrigeration process, as the difference between the supply air temperature and the return air temperature is smaller, causing an increase in the power consumption of the chiller. In addition, it is necessary to overcool the supply air in order to compensate for the mixing with the return air. In most cases, temperature and humidification requirements in data centers are determined by the cooling characteristics of the high density zones, and therefore, in order to prevent hot spots from occurring, the refrigeration system is oversized. In this field of study, many new efficient cooling strategies are being developed by I.T cooling experts. In this paper, the following strategies have been reviewed: hot aisle and cold aisle containment; blanking panels; locally ducted supply and return; close coupled In Row air conditioning; and variable speed fans. Another strategy to reduce cooling consumption is the use of free cooling air economizers. With theses units, a decrease of chiller consumption is achieved, as cool outside air is used instead of having to cool hot return air. The reduction of server consumption is alternative strategy to reduce total energy consumption. Virtualization and server consolidation increases the number of workloads per server and allows a dynamic management of computer assets across a pool of servers. Power consumption and cooling requirements will decrease after virtualization is implemented as a result of computing consolidation and physical reduction of the amount of I.T equipment. After analyzing each of the strategies mentioned, a selection of them were implemented in a conventional data center, coming up with the following conclusions. As a first measure, it is strongly recommended to implement virtualization. This strategy is probably the one that reduces total energy consumption the most, causing a decrease of power consumption and cooling requirements as a result of physical I.T equipment optimization. With virtualization, this reduction can amount to 90% of savings in power and cooling costs. In addition, most virtualization projects have a profitability of 50%. These benefits do not only correspond to the energy and carbon foot print reductions but refer to other savings achieved by higher server productivity, more cost effective maintenance or less space rental fees.

6 The second measure that should be considered is the renovation of the electrical infrastructure and cooling system. Once virtualization has been implemented, it is necessary to determine the new electrical and cooling demand in order to carry out a correct sizing of both systems and prevent over sizing issues. In order to reduce cooling losses, a row oriented cooling strategy should be carried out replacing room based cooling architectures. The integration of modular In Row air conditioning units together with hot aisle contention provides the most efficiency benefits and the highest profitability compared to the rest of strategies. This is due to the isolation of airstreams achieving a higher differential temperature and therefore, reducing chiller and air conditioning energy consumption. In addition, the installation of In Row units eliminates the need of perforated tile architectures optimizing air distribution. The main advantage of these units is their placement in between the rows of racks, resulting in much shorter air delivery and heat removal paths. This represents a shift in the mindset of datacenter air distribution from cold air supply to heat removal and enhances fan power reduction. Finally, once the cooling architecture has been installed, it is recommended to tackle the electrical infrastructure losses by replacing the UPS units with newer modular UPS Delta conversion units. These units encounter higher efficiencies resulting in electrical loss reduction and 70% energy savings. A correct sizing of both electrical infrastructure and cooling system, can amount to 25% of profitability or more, and a payback of less than 4 years. With the application of these measures, data center inefficiencies could be reduced significantly. Furthermore, the use of modular and scalable units such as In Row air conditioning units and UPS units will result in cost-effective infrastructure upgrading.