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Informe interno N° 118 Incluye
Virtualización: Sistemas de energía y enfriamiento optimizados para obtener máximos beneficios
Por Suzanne Niles
Calculador de costos de energía derivados de la virtualización
2008-2009 American Power Conversion. Todos los derechos reservados. Queda prohibida la utilización, reproducción, fotocopiado, transmisión o almacenamiento de esta publicación en cualquier sistema de recuperación de cualquier tipo, en todo o en parte, sin el consentimiento escrito del titular del derecho de autor. www.apc.com Informe interno N°118 Rev. 1
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Resumen ejecutivo
En los centros de datos se pierde sistemáticamente y de manera inadvertida una parte
considerable de los beneficios que podrían obtenerse a partir de la virtualización. Además
de los beneficios indiscutibles en materia informática derivados de la virtualización –desde
reducción del espacio ocupado por racks hasta la simplificación de la recuperación de
desastres–, pueden obtenerse importantes beneficios si se optimiza la infraestructura que
ofrece soporte a los sistemas virtualizados. En particular, el enfriamiento por hilera, el
dimensionamiento adecuado de los sistemas de energía y enfriamiento, y la administración
de la capacidad en tiempo real son factores esenciales para obtener el máximo potencial de
la virtualización en cuanto a reducción de costos y aumento de los niveles de eficiencia y
confiabilidad. 3 Introducción 4 Desafíos relativos a la infraestructura de
energía y enfriamiento 5 Enfriamiento por hilera
7 Energía y enfriamiento escalables
9 Administración de capacidad
12 Efecto sobre el consumo y la eficiencia
energéticos
22 Consideraciones relativas a la disponibilidad
23 Conclusión
25 Apéndice
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Introducción
A la hora de hablar de virtualización y su relación con la infraestructura de energía y enfriamiento del centro
de datos, deben comprenderse tres hechos fundamentales:
• Hoy existen tecnologías en materia de energía y enfriamiento que permiten preservar la disponibilidad y hacer frente a los desafíos de la densidad y las variaciones dinámicas de potencia que suelen presentarse en entornos virtualizados o consolidados.
• El consumo de energía disminuye en todos los casos tras la virtualización, como resultado de la consolidación informática y la reducción física de la cantidad de equipos informáticos. Si se optimizan los sistemas de energía y enfriamiento a fin de minimizar la capacidad que no se utiliza (el tema de este informe), por lo general se reduce mucho más el consumo de energía.
• La eficiencia de la infraestructura del centro de datos (DCiE) decrece
tras la virtualización, debido a las pérdidas fijas derivadas de la capacidad de potencia y enfriamiento que no se utiliza. Si se optimizan los sistemas de energía y enfriamiento para llevar al mínimo la capacidad que no se utiliza, es posible elevar el valor de la eficiencia de los sistemas de energía y enfriamiento (DCiE) hasta niveles similares a los registrados con anterioridad a la virtualización, o incluso superiores, según la clase de mejoras que se introduzcan en la arquitectura de enfriamiento.
La virtualización puede proporcionar mayor densidad de
potencia por rack y acelerar los cambios que sean
necesarios en el centro de datos, lo que representa una
mayor exigencia para la infraestructura de energía y
enfriamiento (véase el recuadro lateral).
Afortunadamente, la alta densidad no es algo nuevo, y ya
se cuenta con estrategias eficaces para superar los
desafíos que plantea. Mientras que la virtualización
puede llevar la consolidación y la informática dinámica a
niveles extraordinariamente nuevos, los requisitos
básicos de los entornos virtualizados en materia de
energía y enfriamiento son similares a los que se
establecieron con relación a los servidores blade de alta
densidad la década pasada. Como resultado, hoy se
cuenta con las tecnologías necesarias para satisfacer las
necesidades de un entorno virtualizado en cuanto a
energía, enfriamiento y administración.
La consolidación física resultante de la virtualización
reduce el consumo de energía de dos maneras: (1)
Directamente, dado que se reduce la cantidad de
servidores y (2) indirectamente, porque se elimina una parte de la energía que consumían los sistemas de
energía y enfriamiento para ofrecer respaldo a los servidores (si bien esta reducción puede ser inferior a lo
esperado debido a las pérdidas fijas sobre las que se explicará más adelante). Si se realiza una
a Desafíos más allá de la alta densidad
La virtualización puede causar el aumento de la densidad en los racks, pero también plantea desafíos que van más allá de la alta densidad y que deben contemplarse en los sistemas de energía y enfriamiento que ofrecen respaldo a entornos virtualizados. ¿Qué cambió?
• Mayor nivel de criticidad de los servidores: La virtualización conlleva un uso cada vez más intenso de los procesadores de los centros de datos, lo que aumenta la importancia para los negocios de cada servidor físico; por eso, contar con sistemas eficaces de energía y enfriamiento es cada vez más importante para preservar la disponibilidad.
• Concentraciones de calor que fluctúan en el tiempo y en el espacio: En entornos virtualizados, las aplicaciones pueden iniciarse y detenerse dinámicamente, lo que origina cargas que se modifican de un momento a otro y que se desplazan en el espacio. Esto representa un nuevo desafío para la arquitectura y la administración de los sistemas de energía y enfriamiento.
• Reducción de la carga informática: La reducción abrupta, y a veces hasta extrema, de la carga informática asociada a la virtualización ofrece la oportunidad de reducir costos relativos a los sistemas de energía y enfriamiento, pero esa oportunidad suele desperdiciarse.
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actualización paralela para aplicar a los sistemas de energía y enfriamiento la misma filosofía tendiente a la
eficiencia que subyace en la capa informática virtualizada disminuirá aun más el consumo mencionado en
(2), lo que suele aumentar al doble (o incluso más) los ahorros de electricidad que se logran mediante la virtualización exclusivamente (1).
Si no se optimiza la capacidad de potencia y enfriamiento y se la reduce en función de la reducción de la
carga informática, la eficiencia de la infraestructura del centro de datos disminuirá tras la virtualización
(incluso aunque baje el consumo general de energía del centro de datos), lo que refleja los gastos
generales adicionales derivados de la no utilización de capacidad de potencia y enfriamiento a partir de la
reducción de la carga informática. En este informe se describen las virtudes de los sistemas de energía y
enfriamiento más nuevos en relación con el ofrecimiento de soporte eficiente, además de eficaz y confiable,
para entornos virtualizados, lo que permite aprovechar mejor los beneficios de la capa informática en
materia de eficiencia que caracterizan a esta clase de entornos. Además de ofrecer soluciones para las
exigencias específicas de la virtualización en cuanto a energía y enfriamiento, una infraestructura física bien diseñada puede elevar la eficiencia del centro de datos en general y la capacidad de densidad de potencia muy por encima de los valores anteriores a la virtualización, en especial si se
reemplazan los sistemas de enfriamiento perimetral de uso tradicional.
Desafíos relativos a la infraestructura de energía y enfriamiento
La virtualización genera cambios en el centro de datos que plantean nuevos desafíos respecto de la
infraestructura de energía y enfriamiento. Esos desafíos tienen consecuencias tanto sobre la eficacia (en
qué medida la infraestructura cumple con la tarea de ofrecer soporte a la carga informática) como sobre la
eficiencia (en qué medida conserva la energía mientras ofrece soporte a la carga informática). Si bien para
poner en marcha un entorno virtualizado no es indispensable actualizar los sistemas de energía y
enfriamiento, si los sistemas de energía y enfriamiento contemplan los desafíos asociados al nuevo entorno
será posible obtener importantes beneficios en materia de eficiencia como resultado de la virtualización. A
continuación se describen brevemente los desafíos mencionados:
Cargas de alta densidad dinámicas y en movimiento
Sistemas de energía y enfriamiento con carga por debajo de la capacidad prevista Necesidad de garantizar la correspondencia entre la capacidad y la demanda por hilera, por rack y por servidor
1 Enfriamiento por hilera
Desafío que plantea la virtualización respecto de la infraestructura de energía y enfriamiento
Solución
2 Energía y enfriamiento escalables
3 Herramientas para administración de capacidad
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Si bien estos desafíos no son nuevos ni se presentan sólo en centros de datos virtualizados, la combinación
de los efectos simultáneos de la virtualización ahora requiere que se los considere con cierta premura, en
especial teniendo en cuenta el creciente interés en la eficiencia energética.
En este informe se tratan los desafíos mencionados y las posibles soluciones en el contexto de un entorno
virtualizado. En el listado de informes internos que aparece al final se ofrece información adicional general y
detallada sobre estos temas en el contexto amplio del centro de datos, independientemente del aspecto de
la virtualización.
Enfoque de sistema completo Los temas relacionados con la energía y el enfriamiento pueden tratarse por separado para fines
explicativos y de análisis, pero para la implementación eficaz de una solución de virtualización integral es
necesario un enfoque que contemple el sistema completo. La adopción de la virtualización, con los nuevos
desafíos que esta plantea respecto de la infraestructura física, implica poner nuevo énfasis en la necesidad
de soluciones integradas que empleen un enfoque holístico, es decir, que consideren todo el conjunto y que
lo hagan funcionar como un sistema. Cada parte del sistema debe comunicarse e interoperar con las
demás. La demanda y la capacidad deben monitorearse, coordinarse y administrarse por medio de un
sistema central, en tiempo real, rack por rack para garantizar el uso eficiente de los recursos y para saber
cuando algunos de ellos se usan mínimamente o no se usan en absoluto. El tema de la gestión centralizada
se trata más adelante bajo el titulo "Desafío Nº 3".
Enfriamiento por hilera Si bien la virtualización puede reducir el consumo general de energía en la sala, los servidores suelen
instalarse y agruparse de tal manera que se crean áreas de alta densidad localizadas, o concentraciones de
calor. Además de que aumentan las densidades, como resultado de
la virtualización las aplicaciones pueden desplazarse, iniciarse y
detenerse en forma dinámica; así, las cargas se modifican a lo largo
del tiempo pero también cambia su ubicación física en la sala.
Antes de que la virtualización permitiera distribuir las cargas de servidores dinámicamente, las
concentraciones de calor originadas en áreas de alta densidad localizadas permanecían en el lugar. Si el
sistema tradicional de enfriamiento perimetral con piso elevado pudiera configurarse de modo que
suministrara el nivel adecuado de frío a las áreas de concentración de calor, todo quedaría igual hasta el
siguiente agregado, eliminación o desplazamiento de servidores físicos. El estado térmico de la sala en
general se determinaba recorriéndola con un termómetro, y los niveles de enfriamiento se ajustaban
redistribuyendo las losas perforadas. Con la carga dinámica de los servidores, el perfil térmico de la sala
puede variar, en forma inadvertida, sin que se produzcan cambios físicos visibles en los equipos (figura 1).
Desafío Nº 1
Cargas de alta densidad dinámicas y en movimiento
Enfriamiento variable cercano a la carga
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Figura 1 – La virtualización y la consolidación de cargas informáticas pueden originar concentraciones de calor en áreas de alta densidad cuya densidad de potencia y ubicación sean variables
Para suministrar enfriamiento en forma predecible y eficiente se necesita un sistema que contemple las
posibles variaciones y ajuste automáticamente el nivel de enfriamiento –tanto respecto de la ubicación
como del volumen— a las cambiantes densidades de potencia. Los elementos clave de un sistema de
enfriamiento como el descrito son:
• Rutas de circulación de aire cortas entre el suministro de enfriamiento y la carga
• Respuesta dinámica a los cambios en las cargas
Cuando se ubican las unidades de enfriamiento, y siempre y cuando tales unidades cuenten con la
instrumentación necesaria para percibir los cambios de temperatura y responder a esos cambios, se
satisfacen los dos criterios esenciales que acaban de mencionarse. Los sistemas de enfriamiento por hilera
aumentan la eficiencia considerablemente al suministrar enfriamiento sólo donde, cuando y en la medida
que se lo necesita (figura 2).
Constant loads Stable cooling Migrating high-density loads Unpredictable cooling
BEFORE virtualization AFTER virtualization
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Figura 2 – Las unidades CRAC1
por hilera trabajan en conjunto para extraer más calor del pasillo caliente
Ubicar las unidades de enfriamiento cerca de los servidores proporciona el elemento clave para un sistema
de enfriamiento eficiente: rutas de circulación de aire cortas. Cuando las rutas de circulación de aire
entre el suministro de enfriamiento y la carga son cortas es posible obtener una serie de beneficios en
materia de eficiencia y disponibilidad:
• disminuye la mezcla entre el suministro de aire frío y el retorno de aire caliente;
• se incrementa la temperatura de retorno (aumenta la tasa de transferencia de calor al serpentín);
• el enfriamiento dirigido puede responder a la demanda localizada;
• se conserva la energía;
• se reduce –o incluso se elimina– la necesidad de un esquema de humidificación compensatoria (para compensar la condensación que se forma en el serpentín cuando este se encuentra demasiado frío como resultado de un valor de referencia excesivamente bajo).
La variación dinámica de potencia en las cargas informáticas virtualizadas es una de las principales razones
por las que en el sector se están dejando de lado los enfoques de enfriamiento perimetral para
reemplazarlos por los basados en el enfriamiento por hilera y por rack. Encontrará más información sobre el
enfriamiento por hilera y por rack en el Informe interno Nº 130 de APC, Ventajas de las arquitecturas de
enfriamiento por hilera y por rack para centros de datos
1 El término "CRAC" (computer room air conditioner, o unidad de aire acondicionado para sala de cómputo) empleado en las figuras puede considerarse incorrecto desde el punto de vista técnico si el intercambio de calor se lleva a cabo fuera de la sala, como sucede en los sistemas de agua helada. En esos casos, la unidad es en realidad una CRAH (computer room air handler, o manejadora de aire para sala de cómputo). Aquí se usa el término "CRAC" porque es el que se emplea comúnmente para hacer referencia tanto a unidades de aire acondicionado propiamente dichas (CRAC) como a manejadoras de aire (CRAH).
.
Tiempo
Hot spot
Hot spot
1 2 3
Row CRACs sense elevated temperature and increase fan speed to remove extra heat
from hot aisle
When temperature decreases, row CRACs decrease fan speed to conserve energy
Row CRACs added
Room CRACs removed
CRACCRAC
CRAC CRAC CRAC
CRAC
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Zonas de alta densidad Los proyectos de virtualización suelen conllevar la implementación de un cluster de servidores, por ejemplo
de servidores blade, dentro del centro de datos existente en el que se trabaja con baja densidad de
potencia. El enfriamiento por hilera –el acercamiento a las cargas del enfriamiento dirigido– proporciona una
técnica para la implementación retroactiva de una zona de alta densidad en el centro de datos existente
de baja densidad.
Una zona de alta densidad es un área física del centro de datos asignada para el funcionamiento de
aplicaciones de alta densidad, con un sistema de enfriamiento autónomo, por lo que para el resto de la sala
la zona resulta "neutra" desde el punto de vista térmico; así, la zona no necesita recibir suministro de frío
adicional y el efecto de la incorporación de la zona en la circulación de aire de la sala es mínimo o incluso
nulo. En la figura 3 se ilustra el concepto de zona de alta densidad. La zona puede recibir aire frío y ser
administrada con independencia del resto de la sala a fin de simplificar la implementación y minimizar los
trastornos en la infraestructura existente.
Figura 3 – La zona de alta densidad es una alternativa a la hora de implementar la virtualización en un centro de datos existente
Encontrará más información sobre las zonas de alta densidad en el Informe interno Nº 134 de APC,
Implementación de zonas de alta densidad en un centro de datos de baja densidad.
Los beneficios que se obtienen al implementar sistemas de enfriamiento variable con rutas de circulación de
aire cortas son sólo parte de las ventajas del enfriamiento por hilera en comparación con el enfriamiento
perimetral. También se logran importantes beneficios por el hecho de que el enfriamiento por hilera es
modular y escalable, lo que ofrece respuesta al segundo desafío que plantea la virtualización: aumentar la
eficiencia implementando un sistema con capacidad de potencia y enfriamiento de dimensionamiento
adecuado, que se trata en la próxima sección.
• Una "isla" de alta densidad dentro de la sala
• Un centro de datos "mini" con su propio sistema de enfriamiento
• "Invisible" para el resto de la sala desde el punto de vista térmico (idealmente)
• La circulación de aire caliente/frío queda acotada a la zona mediante rutas cortas de circulación o contención física
High-density zone
Hot/cool air circulation is
localized within the zone
HEAT OUTTo building’s heat rejection system
Low-density room
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Energía y enfriamiento escalables
La reducción de la carga informática como resultado de la consolidación de servidores ofrece una nueva
oportunidad para aprovechar las arquitecturas modulares y
escalables para el suministro de energía y enfriamiento. Hasta
ahora, el argumento a favor de las arquitecturas escalables era la
posibilidad de empezar con una implementación pequeña y
agrandarla a medida que fuera necesario para evitar inversiones y
costos operativos innecesarios derivados de la adquisición de
infraestructura que podría no llegar a utilizarse. Ahora, y desde que se adopta la virtualización de sistemas,
el hecho de que la arquitectura sea escalable permite achicar la infraestructura para eliminar la capacidad
innecesaria en el momento de la conversión inicial a un entorno virtualizado, con la opción de volver a
agrandarla a medida que se incorporen equipos en el nuevo entorno. Ya sea que se agrande o achique la
infraestructura, la idea es la misma: los dispositivos energéticos y de enfriamiento son menos eficientes
cuando funcionan con baja carga, por lo que representa un desperdicio contar con más energía o
enfriamiento de lo que se necesita. Cuando la infraestructura está dimensionada adecuadamente, la
capacidad se mantiene en un nivel que resulta adecuado a la demanda concreta (teniendo en cuenta los
niveles de redundancia y seguridad que se deseen).
¿Por qué el sobredimensionamiento implica el desperdicio de recursos? Ofrecer suministro de energía y enfriamiento en exceso es como
dejar el automóvil en marcha cuando no se lo está usando: se
consume energía sin producir trabajo útil. En todos los dispositivos de
energía y enfriamiento existen pérdidas eléctricas (ineficiencia) que
se disipan como calor. Una parte de esas pérdidas es fija, es decir
que se consume energía independientemente del volumen de carga.
Cuando la carga es nula (sistema ocioso) el dispositivo sólo consume
la energía que conforma las pérdidas fijas, por lo que el 100% de la
energía consumida es pérdida eléctrica (calor) y el dispositivo es 0%
eficiente ya que no produce trabajo útil. A medida que aumenta la
carga, la pérdida fija se mantiene constante y las otras clases de pérdida asociadas al volumen de carga
para el dispositivo, llamadas en conjunto pérdidas proporcionales, aumentan en función de ese volumen
de carga. A medida que aumenta la carga, las pérdidas fijas representan una parte cada vez menor del total
de energía consumida, y a medida que disminuye la carga, representan una parte cada vez mayor de ese
total. El papel esencial de las pérdidas fijas cuando la carga está por debajo de la capacidad prevista
(sobredimensionamiento) se trata más adelante en la sección "Efecto de la virtualización sobre el consumo
y la eficiencia energéticos".
Desafío Nº 2 Sistemas de energía y
enfriamiento con carga por debajo de la capacidad
prevista
Correspondencia entre el suministro de energía y enfriamiento, por un lado, y la carga, por el otro
Load
Eff
icie
ncy
100%
0%Full loadNo load
For more about efficiency as a function of load, see APC White Paper #113, Efficiency Modeling for Data Centers
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Cómo influye la virtualización en casos de sobredimensionamiento Dado que la virtualización puede reducir la carga
considerablemente, cuando de eficiencia se trata el
sobredimensionamiento es un tema importante en un
centro de datos virtualizado. Hace tiempo que el
sobredimensionamiento es una de las principales causas
de ineficiencia en el centro de datos, aunque no se hable
de entornos virtualizados. Al reducir la carga todavía más,
la consolidación de servidores y la administración del
suministro de energía a los servidores llevarán los niveles
de eficiencia más cerca del extremo inferior de la curva
de eficiencia si no se actualizan los sistemas de energía y
enfriamiento. Si bien es verdad que los gastos de
electricidad se reducirán a causa de la menor carga
informática y la menor potencia requerida para
suministrar enfriamiento a esa carga, la proporción de
energía de la red que llegará a las cargas informáticas,
en otras palabras, la eficiencia, caerá, lo que implica un
desperdicio de energía que podría conservarse para
reducir aun más el consumo de energía.2
La virtualización representa una nueva oportunidad para
aprovechar el enfoque de infraestructura escalable. Los
dispositivos de energía y enfriamiento con capacidad
escalable reducen las pérdidas fijas y aumentan la eficiencia. La arquitectura escalable facilita no sólo la
reducción de la infraestructura con posterioridad a la consolidación de equipos informáticos, sino la
subsiguiente ampliación de esa misma infraestructura una vez que la carga informática virtualizada registre
nuevas expansiones (figura 4).
Figura 4
2 La Agencia Federal de Protección Ambiental de Estados Unidos (EPA) y la organización The Green Grid ayudan a educar a la comunidad de usuarios acerca del importante valor en términos de eficiencia de dimensionar adecuadamente la infraestructura física de modo de que exista una mayor correspondencia con la carga informática.
– Utilización de sistemas de energía y enfriamiento escalables para minimizar la ineficiencia derivada de la capacidad que no se usa durante los procesos de consolidación y nueva expansión
a Efectos de trabajar con una carga muy inferior a la prevista
Además de generar beneficios en materia de eficiencia, dimensionar adecuadamente los sistemas de energía y enfriamiento permite evitar diversos efectos nocivos del trabajo con muy baja carga. Cuando la carga de un centro de datos ya es baja debido a un diseño redundante u otros factores, la virtualización puede llevar esa carga a niveles extraordinariamente bajos. A menos que se reduzca la capacidad de los sistemas de energía y enfriamiento para que la carga vuelva a estar dentro de límites operativos normales, los efectos derivados de trabajar con tan baja carga podrían originar gastos que anularían algunos de los ahorros en energía o bien, en algunos casos, podrían poner en riesgo la disponibilidad. Enfriamiento (carga térmica demasiado baja) • Apagado de seguridad debido a alta presión de carga
en los compresores
• Ciclos cortos de los compresores como resultado del apagado frecuente, lo que acorta la vida útil de los compresores
• Posible invalidación de la garantía debido a un funcionamiento sistemático por debajo de los límites inferiores de carga
• Costo de bypass de gas caliente en los compresores para simular niveles de carga "normales” y evitar los ciclos cortos
Generador (carga eléctrica demasiado baja o demasiados generadores)
• Presencia de combustible sin quemar en el sistema (wet stacking) que puede dar origen a multas por contaminación o generar riesgo de incendios
• Costo de calentadores de agua por camisa calefactora innecesarios para mantener los motores calientes
• Costo del almacenamiento, pruebas y mantenimiento relativos al combustible excedente
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Administración de capacidad
La naturaleza dinámica de los sistemas informáticos virtualizados exige contar con información precisa,
oportuna y útil sobre los niveles de capacidad de los sistemas de energía y enfriamiento para garantizar que
esos sistemas acompañen el cambiante perfil de la carga, que puede modificarse de un día a otro.
Las soluciones para administración de capacidad brindan instrumentación y software para monitorear y
analizar en tiempo real la información sobre las tres capacidades esenciales del centro de datos:
• Potencia
• Enfriamiento
• Espacio físico
Siempre que se esté pensando en una nueva implementación
informática o en una reconfiguración, deberá contarse con los tres recursos mencionados en el lugar de la
implementación y con capacidad suficiente a fin de ofrecer soporte para la implementación proyectada. Si la
capacidad de cualquiera de los tres es insuficiente, la implementación no podrá avanzar.
La administración de capacidad permite la utilización eficaz y eficiente de los tres recursos en todo el centro
de datos mediante la visibilidad continua y en tiempo real de las capacidades por rack y por servidor. A
partir de esos datos el software de gestión puede identificar puntos en los que alguno de los recursos tiene
capacidad disponible, puntos en los que alguna capacidad se encuentra en un nivel peligrosamente bajo y
puntos en los que existe capacidad inutilizable, inmovilizada (ver recuadro). La capacidad inmovilizada es
un factor importante en materia de eficiencia en un centro de datos muy dinámico, no sólo porque es causa
Desafío Nº 3 Garantizar la correspondencia
entre la capacidad y la demanda por hilera, por rack y por
servidor
Fig. 4b – Sistemas de energía y enfriamiento con dimensionamiento adecuado La reducción/aumento de capacidad maximiza la eficiencia
Fig. 4a – Sistemas de energía y enfriamiento sin reducciones tras la virtualización La capacidad que no se utiliza es una causa importante de ineficiencia (bajo DCiE)
Saber qué está pasando, en tiempo real
LoadLoad
CapacityPower/coolingCapacityPower/cooling
LoadVirtualized Load
LoadOriginalLoad
Original
LoadVirtualizedLoad
Virtualized
LoadLoadLoad
VirtualizedLoad
Virtualized
LoadVirtualizedLoad
Virtualized
Scale DOWN Scale UP
Downsize ... Downsize ...
but expect but expect rere--rowthrowth
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directa de ineficiencia –en cuanto recurso que se paga pero que no se utiliza—, sino porque la
incorporación de cambios sin la debida gestión puede crear capacidad inutilizada.
Los sistemas de administración de capacidad eficientes
utilizan modelos e inteligencia automatizada para
monitorear las capacidades de potencia, enfriamiento y
espacio físico para toda la sala y por hilera, rack y
servidor, a fin de sugerir la mejor ubicación para el
agregado de equipos, predecir el efecto de cambios
propuestos e identificar condiciones o tendencias en el
tiempo para sugerir acciones correctivas. Los sistemas de
administración de capacidad que abarcan la ubicación y
carga de los servidores, la capacidad de potencia y
enfriamiento disponible para los servidores, las
fluctuaciones de temperatura y el consumo de energía no
sólo protegen la instalación contra tiempos de inactividad
ocasionados por potencia o enfriamiento insuficiente en
áreas específicas, sino que aumenta la eficiencia del
centro de datos al optimizar la utilización de los
recursos disponibles. Un sistema holístico como el
descrito puede
• Crear un modelo con los efectos en todo el sistema de los cambios propuestos con relación a los servidores
• Comparar disposiciones alternativas a partir del análisis detallado de diseños
• Confirmar con anterioridad a la implementación que el cambio propuesto no sobrecargará los sistemas de energía o enfriamiento
• Verificar que los cambios se hayan hecho según lo planificado
• Reservar potencia, enfriamiento y espacio en los racks para instalar nuevos equipos rápidamente
La necesidad de contar con una solución para administración de capacidad aumenta cuando el entorno
admite el cambio, una característica ineludible de los centros de datos virtualizados de hoy, como se ve en
las poblaciones cambiantes de servidores, las densidades de potencia variables, la migración de cargas, el
avance sostenido de nuevas tecnologías y la presión creciente en pos de la conservación de la energía. Como resultado de la incorporación de cambios sin la debida gestión –en todo tipo de centro de datos– es
posible que se ponga en riesgo la disponibilidad, se imposibilite la concreción de lo planificado y se
desperdicien recursos. Un sistema eficaz de administración de capacidad abarca los aspectos prácticos y
los efectos de amplio alcance de los cambios, lo que permite el aprovechamiento máximo de la potencia, el
Capacidad inutilizada = ineficiencia Cuando uno o dos de los tres recursos esenciales –potencia, enfriamiento o espacio– es insuficiente en un área particular del centro de datos, esa área no puede usarse aunque haya capacidad disponible de los otros recursos. Los recursos que están disponibles en esa área pero que no pueden utilizarse por falta de algún otro constituyen lo que se llama capacidad inutilizada. Por ejemplo, en un área del centro de datos donde parte de la capacidad de rack y de potencia no puede aprovecharse porque no existe suministro suficiente de enfriamiento existe capacidad inutilizada de espacio y potencia. En otra donde sobra capacidad de enfriamiento pero no hay espacio en el piso para racks o no se cuenta con potencia disponible existe capacidad inutilizada de enfriamiento. La capacidad inutilizada implica el desperdicio de recursos, conjuntos de capacidad de potencia, de enfriamiento o de espacio en los racks que no se puede usar. El desperdicio de recursos puede ser consecuencia de un error en el diseño original o de la incorporación posterior de cambios sin la debida gestión. Hallar y reasignar la capacidad inutilizada aumenta en forma directa la eficiencia del centro de datos al incrementar la cantidad de equipos informáticos a los que se puede ofrecer soporte con los mismos recursos.
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enfriamiento y el espacio físico en el centro de datos. Con este tipo de sistema, es posible alcanzar el
máximo potencial de la virtualización en materia de eficiencia y valor de negocio.
A continuación se incluye un listado de las situaciones que el sistema de administración de capacidad
debería poder manejar; el listado surge de considerar en conjunto ciertos factores que se presentan o
potencian con la virtualización de un entorno:
• Cargas que cambian de densidad y de ubicación. La utilización dinámica puede crear concentraciones de calor incluso cuando no se agregan servidores físicos. Las concentraciones de calor pueden presentarse en nuevas ubicaciones a medida que los equipos virtuales migran de servidor en servidor, y a medida que el sistema de administración de la energía de los servidores apaga ciertos equipos físicos y enciende otros.
• Aceleración del ritmo de los cambios. En el vertiginoso mundo de la virtualización y la tecnología en permanente transformación, se producen nuevos cambios antes de que lleguen a afirmarse los más recientes. Mantener la estabilidad del sistema resulta imprescindible, en especial si diversas partes introducen cambios sin una coordinación centralizada.
• Interdependencias complejas. La virtualización aporta un nuevo grado de sofisticación a las dependencias compartidas y efectos secundarios en las relaciones entre las capacidades de potencia, enfriamiento y espacio. Puede ser difícil predecir los efectos que el agregado, la eliminación o la reubicación de servidores tendrán en todo el sistema.
• Cambios inadvertidos. Aun si no se agregan servidores físicos, como resultado de la virtualización se producen cambios en la ubicación de la carga y en la demanda de potencia y enfriamiento que pasan inadvertidos. Si no se tiene acceso a las señales de advertencia sobre posibles trastornos, una irregularidad inadvertida puede transformarse en problemas de sobrecarga, sobrecalentamiento o pérdida de redundancia del sistema de enfriamiento.
• Incorporación eficiente de componentes de energía y enfriamiento. Si la infraestructura de energía y enfriamiento se encuentra adecuadamente optimizada para proporcionar máxima eficiencia, existe correspondencia entre la oferta y la demanda, lo que reduce la tolerancia a cambios imprevistos en una u otra.
La gestión eficaz de un entorno como el descrito requiere un sistema que tenga acceso a la disposición
física de la sala (para realizar un seguimiento de la capacidad del espacio físico), que además tenga acceso
a las características por dispositivo de la oferta y la demanda de potencia y enfriamiento, y que emplee un
modelo integrado para la interpretación de las condiciones en un momento dado, el reconocimiento de
tendencias y la previsión de requisitos futuros (figura 5).
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Figura 5
Un sistema de gestión analítico e interactivo que cuente con información completa es vital para toda
infraestructura integrada, en la que los subsistemas se comunican con un coordinador central que puede
correlacionar, analizar, recomendar, advertir y predecir. Un sistema como el descrito cuenta con
información sobre el estado del entorno en un momento dado y sobre los límites de la infraestructura en ese
momento y puede predecir, mediante la creación de modelos, el estado futuro del entorno con la
incorporación de cambios.
– Cómo enfrentar el desafío de la gestión en un entorno virtualizado
Encontrará más información sobre la administración de capacidad en el Informe interno Nº 150 de APC, Administración de capacidad de energía y enfriamiento para centros de datos.
Efecto de la virtualización sobre el consumo y la eficiencia energéticos
Los análisis de la eficiencia del centro de datos pueden resultar confusos; esto es así porque se trata de un
tema nuevo y la terminología no se encuentra estandarizada aún. La virtualización y la consolidación
resultante influyen en los tres niveles de eficiencia de los centros de datos, como se muestra en la figura 6.
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Importante oportunidad de aumentar la eficiencia aun más
El valor DCiE (Eficiencia de los sistemas de energía y enfriamiento) decrece Este es el tema del presente informe
La eficiencia general aumenta en cierta medida con la virtualización, y en gran medida si además se optimiza el componente DCiE
En este informe se trata la eficiencia eléctrica de la infraestructura física del centro de datos (DCiE), que
consiste principalmente en los sistemas de energía y enfriamiento. Si se actualizan los sistemas de energía
y enfriamiento que integran la infraestructura para que exista mayor correspondencia entre ellos y el nuevo
entorno informático virtualizado y eficiente, es posible aumentar considerablemente la eficiencia general
como resultado del aumento del valor DCiE.
Figura 6
– Efecto típico de la virtualización en la eficiencia del centro de datos; se muestra el valor DCiE en el contexto de la eficiencia general del centro de datos
En este informe se hace hincapié en el hecho de que adoptar la virtualización en un centro de datos
existente, sin modificar la infraestructura de energía y enfriamiento, siempre reduce la eficiencia de la
infraestructura física del centro de datos (el componente DCiE de la eficiencia general) a causa de las
pérdidas fijas (consumo de energía) inherentes a los sistemas de energía y enfriamiento. En esta sección
se explica por qué se reduce la eficiencia, cómo cuantificarla y cómo evitarla.
Una de las principales motivaciones para adoptar la virtualización es la mayor eficiencia computacional, es
decir, el mayor volumen de procesamiento por vatio de potencia consumido en el centro de datos (eficiencia
"general" en la figura 6). No obstante, el menor consumo de potencia de la carga informática consolidada
en sí misma es sólo una parte de los ahorros que pueden lograrse con la virtualización. En la mayoría de
los centros de datos existentes, existe un importante potencial de ahorro adicional en los sistemas de
energía y enfriamiento que ofrecen soporte a la nueva carga informática virtualizada y ahora reducida.
Esos ahorros adicionales van más allá de los ahorros inmediatos derivados de la reducción de la carga que
depende de los sistemas de energía y enfriamiento –que suelen ser decepcionantes a causa de las
pérdidas fijas, descritas más adelante–, y surgen de la eficiencia que puede obtenerse con la
reconfiguración y racionalización de la arquitectura de energía de modo que exista mayor correspondencia
con la demanda reducida y variable del entorno virtualizado.
La virtualización afecta el consumo y la eficiencia energéticos de diversas maneras, algunas de las cuales
pueden resultar contrarias a la intuición. Los conceptos no son complicados, pero dependen de la
La eficiencia de los equipos informáticos aumenta en gran medida con la virtualización. Importante aumento de la eficiencia en cualquier caso
Infr
astr
uctu
re
ITITwatts
Watts IN
Watts IN
Useful computing
DCiEDCiE
Overall efficiency
IT efficiency Much
betterWorse
Somewhat better
Phy
sica
lin
fras
truc
ture
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comprensión clara de ciertas definiciones básicas y de las relaciones fundamentales entre potencia, pérdida
y carga. Para ilustrar los efectos de la virtualización en el consumo y la eficiencia energéticos, es útil
repasar el concepto de eficiencia de la infraestructura del centro de datos (DCiE) e identificar a los
principales consumidores de energía del centro de datos.
¿Qué es la "eficiencia de la infraestructura del centro de datos (DCiE)"? La "eficiencia de la infraestructura del centro de datos" es un parámetro asociado a la infraestructura física
del centro de datos, cuyos principales componentes son los sistemas de energía y enfriamiento. El
parámetro cuantifica el "trabajo útil" que lleva a cabo la infraestructura física y se define como la proporción
del total de potencia suministrada al centro de datos que alimenta la carga informática (figura 7).
Figura 7 – Definición de eficiencia de la infraestructura física del centro e datos (DCiE) 3
En este contexto, toda la energía consumida en el centro de datos –es decir, la energía no consumida por
la carga informática– se considera "pérdida". Entre esos consumos, o pérdidas, no asociados a los equipos
informáticos se cuentan:
• Las ineficiencias internas del sistema de energía (dispositivos del circuito de potencia tales como unidades UPS, PDU, cableado, etc.), que se disipan como calor
• La energía que consume el sistema de enfriamiento
• La energía que consumen otros subsistemas de la infraestructura física del centro de datos (este consumo es relativamente bajo y no se muestra en la figura 7)
3 Otro parámetro es PUE (eficacia en el uso de energía), que es el inverso matemático de DCiE. Los parámetros DCiE y PUE son formas equivalentes de medir lo mismo. Véase el Informe interno Nº 157 de APC, Selección de un parámetro estándar del sector para centros de datos.
Data center
Power todata center
Power to IT
Physical infrastructure*
IT equipment
( )
Cabling Physical securitySwitches GeneratorLights Switchgear
* To simplify the analysis, subsystems consuming a small amount of power are not included in this discussion:
POWER system
COOLING system
Power toSecondary
Support
Power pathto IT
Power to IT
Power todata center
Data Center infrastructure Efficiency=
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Relación con la figura 7 (DCiE)
Eficiencia de la infraestructura física =
Power to IT
Power todata center
En la figura 8 se ilustran las pérdidas mencionadas en el contexto de la energía total consumida en el
centro de datos. Encontrará más información sobre el concepto de eficiencia del centro de datos y sobre la
distinción entre "pérdida" y "trabajo útil" en el Informe interno Nº 113 de APC, Elaboración de modelos de
eficiencia eléctrica para centros de datos.
Figura 8 – Definición de “pérdidas” con relación al consumo de energía en el centro de datos
Pérdidas fijas vs. pérdidas proporcionales De la energía que consumen los sistemas de energía y de enfriamiento –las "pérdidas" de la figura 8–, una
parte permanece constante independientemente del volumen de carga informática, y otra parte varía en
proporción a ese volumen. Esos dos componentes de la energía consumida (pérdida) se denominan
pérdidas fijas y pérdidas proporcionales.4
• Pérdidas fijas: Son siempre las mismas independientemente del volumen de carga. Las pérdidas fijas es la energía que se consume siempre que un dispositivo o sistema se encuentra en funcionamiento, independientemente del volumen de carga a la que se brinda soporte. La reducción de la carga no modifica este componente fijo de las pérdidas. Los transformadores y los ventiladores de velocidad fija son algunos ejemplos de dispositivos que registran un importante componente de pérdidas fijas. Es a causa de las pérdidas fijas que la eficiencia aumenta con cargas altas (las pérdidas fijas representan una pequeña proporción del consumo total) y disminuye con cargas bajas (las pérdidas fijas representan una gran proporción del consumo total); véase la figura 11 más abajo. Reducir las pérdidas fijas aumentando los niveles de eficiencia de los dispositivos y/o mejorando la configuración de los sistemas es la forma más eficaz de aumentar la eficiencia de los sistemas de energía y enfriamiento.
4 También existe un tercer tipo de pérdidas, en general menos significativas, que varía en función del cuadrado de la carga. Se trata de las pérdidas de ley cuadrática o del cuadrado. Encontrará más información sobre los tres tipos de pérdidas en el Informe interno N° 113 de APC, Elaboración de modelos de eficiencia eléctrica para centros de datos.
POWER system
IT load
COOLING systemPower consumed in providing COOLING to the IT load
Power consumed in doing the primary job of the data center (computing)
Power consumed by minor subsystems(omitted to simplify the discussion)
Lights Physical securitySwitches Generator
Switchgear
Efficiency goal is to minimize this “overhead”
Power consumed in providing POWER to the IT load
Power consumed by physical infrastructure
Power IN to data center
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• Pérdidas proporcionales: Son directamente proporcionales a la carga asociada al dispositivo. Si se duplica la carga se duplican las pérdidas proporcionales. Si la carga se reduce en 75% las pérdidas proporcionales se reducen en la misma medida. Los ventiladores y las bombas de velocidad variable son algunos ejemplos de dispositivos que registran un importante componente de pérdidas proporcionales.
Como se mostrará en las próximas secciones, a causa de las pérdidas fijas se acotan tanto los ahorros de
energía como los niveles de eficiencia que pueden alcanzarse a través de la virtualización, dado que las
pérdidas fijas no cambian independientemente de la medida en que se reduzca la carga informática.
Las pérdidas fijas acotan los ahorros de energía La consolidación permite reducir el consumo general del centro de datos. La pregunta clave a la hora de
pensar en la virtualización y consolidación de los sistemas es "¿Cuánto se reducirá mi consumo de energía?". La respuesta está muy ligada al volumen de pérdidas fijas que se registran en la infraestructura
de energía y enfriamiento. En la figura 9 se ilustra la relación entre la consolidación y los ahorros de
energía, y en qué medida las pérdidas fijas de la infraestructura de energía y enfriamiento acotan los
ahorros de energía que podrían obtenerse.
La clave para aumentar los ahorros resultantes de la consolidación está en reducir las pérdidas fijas de la
infraestructura de energía y enfriamiento. La reducción necesaria puede lograrse eliminando parte de las
pérdidas fijas (por ejemplo, eliminando el costo de rehumidificación mediante mejoras en el diseño del
sistema de enfriamiento), reduciendo parte de esas pérdidas (por ejemplo, adoptando un sistema UPS más
eficiente) o convirtiendo parte de esa pérdidas en pérdidas proporcionales (por ejemplo, reemplazando las
bombas y ventiladores de velocidad fija por dispositivos equivalentes de velocidad variable). En la figura 10
se muestra el efecto de reducir las pérdidas fijas.
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Figura 9 – Las pérdidas fijas acotan los ahorros de energía que pueden lograrse con la consolidación
Figura 10 – Reducir las pérdidas fijas permite obtener mayores ahorros con la consolidación
4:1 6:1 8:1 10:1 12:1 14:1 16:1 18:1 20:1 …
Electric billAs percentage of pre-consolidationamount
2:10%
FIXED LOSSES
100%
Portion of TOTAL POWER due to fixed losses – constant regardless of load
50%
25%
75%
Consolidation ratio
35% is a typical level of fixed losses in a non-virtualized data center
Examples of FIXED LOSS:PDU transformersFixed-speed fans
As IT load shrinks, TOTAL POWER can never drop below the level of FIXED LOSSES
En este gráfico se ilustra el CONSUMO DE ENERGÍA total del centro de datos.
No se muestra explícitamente la EFICIENCIA de la infraestructura del centro de datos (DCiE), pero se puede advertir en él que el componente DCiE disminuye porque la carga informática decrece mientras que las pérdidas fijas permanecen constantes.
4:1 6:1 8:1 12:1 14:1 16:1 18:1 20:12:10%
100%
50%
25%
75%
FIXED LOSSES
Electric billAs percentage of pre-consolidationamount
Consolidation ratio
10:1 …
Examples of reducing FIXED LOSS:
Reduce excess power/cooling capacitySwitch to variable-speed fans
Greater power savings enabled by reduced fixed losses
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La eficiencia del centro de datos es función de la carga informática
En el contexto de la eficiencia del centro de datos, las "pérdidas" que se muestran en la figura 8 están
compuestas por la suma de todo el consumo de energía de los sistemas que conforman la infraestructura
física del centro de datos, es decir, el consumo de energía necesario para ofrecer soporte a la carga
informática, pero no la carga informática en sí misma. Como sucede con el consumo de energía de un
dispositivo cualquiera como una UPS, algunas de esas pérdidas son pérdidas fijas, que permanecen
constantes independientemente de la carga a la que ofrezcan soporte; se trata de energía que se consume
siempre que el sistema se encuentre encendido. El resto son pérdidas proporcionales, que varían en
proporción a la carga informática, y están asociadas a dispositivos tales como ventiladores y bombas de
velocidad variable.
Si todas las pérdidas registradas fueran proporcionales (y disminuyeran al ritmo de la carga informática), la
eficiencia del centro de datos sería un valor único, idéntico para cualquier carga informática. No obstante,
eso nunca sucede en los centros de datos porque siempre existen pérdidas fijas, que dan como resultado
más altos niveles de eficiencia cuando la carga es más elevada, y más bajos niveles cuando la carga
disminuye. Por lo tanto, la eficiencia del centro de datos siempre es una curva: la eficiencia es función de la
carga. En la figura 11 se muestra una curva típica de eficiencia del centro de datos.
Figura 11 – Curva típica de eficiencia de la infraestructura del centro de datos
La curva de eficiencia de la infraestructura de cada centro de datos es mayor o menor en función de la
eficiencia de los dispositivos que la componen y de la eficiencia de la configuración de sus sistemas; pero la
curva siempre comienza en cero y suele tener la misma forma.
Identificación de los efectos de la virtualización en la curva de eficiencia de la infraestructura La virtualización siempre implica una reducción del consumo de energía debido a la optimización de los
componentes informáticos y su consolidación en un número menor de dispositivos físicos. Sin embargo, si
En la curva de eficiencia no se indican CANTIDADES absolutas de consumo de potencia, sino la PROPORCIÓN de potencia de entrada que llega a la carga informática, es decir, el "trabajo" útil de la infraestructura física.
Data centerinfrastructure efficiency
DCiE
IT Load% of data center capacity
0%
20%
40%
60%
80%
100%
0% 20% 40% 60% 80% 100%No load Full load
… at this load
Efficiency is this …
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simultáneamente no se reduce la infraestructura de energía y enfriamiento o no se introducen en ella
mejoras en materia de eficiencia, la curva de eficiencia de la infraestructura del centro de datos
permanecerá inalterada, y la eficiencia (DCiE) descenderá en la curva a causa de la disminución en la
carga (figura 12).
Figura 12 – La consolidación reduce la carga, y hace descender la eficiencia en la curva
Como puede verse, cayó el nivel de eficiencia a pesar de que el consumo de energía es menor. La
eficiencia no mide cuánta energía se utiliza; más bien, indica la magnitud de energía que se desperdicia
respecto de la que se utiliza. Esencialmente, se trata de una forma de medir el "margen de mejora". La
caída en la eficiencia se producirá independientemente de la curva de eficiencia del centro de datos
particular (que siempre tendrá una forma similar a la ilustrada) y del valor DCiE previo a la virtualización. Si
no se introducen cambios en los sistemas de energía y enfriamiento –para elevar la curva de eficiencia– el
componente DCiE descenderá tras la consolidación para cualquier centro de datos (figura 13).
La curva de eficiencia de este centro de datos refleja los niveles de eficiencia de los dispositivos que lo integran y la arquitectura de todo el sistema.
IT Load% of data center capacity
0%
20%
40%
60%
80%
100%
0% 20% 40% 60% 80% 100%No load Full load
Consolidation
BEFORE virtualizing
AFTER virtualizing55%DCiE
38%DCiE
Data centerinfrastructure efficiency
DCiE
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Figura 13 – Para CUALQUIER centro de datos, la consolidación reduce la eficiencia de la infraestructura si no se introducen cambios en la infraestructura del centro de datos
Para mejorar el valor DCiE tras la virtualización, debe elevarse la curva de eficiencia de la infraestructura
del centro de datos optimizando los sistemas de energía y enfriamiento para disminuir el desperdicio
inherente al sobredimensionamiento y lograr una mayor correspondencia entre la capacidad y la nueva
carga reducida (figura 14); tal optimización es el tema de este informe. La mejor manera de elevar la curva
de eficiencia es pasar de un esquema de enfriamiento perimetral a otro por hilera y dimensionar
adecuadamente los sistemas de energía y enfriamiento. Además de aumentar los niveles de eficiencia, la optimización de los sistemas de energía y enfriamiento influirá directamente en los gastos de electricidad ya que disminuirá el consumo de energía asociado a capacidad de energía y
enfriamiento que no se utiliza.
Figura 14 – La optimización de los sistemas de energía y enfriamiento eleva la curva de eficiencia
IT Load% of data center capacity
0%
20%
40%
60%
80%
100%
0% 20% 40% 60% 80% 100%No load Full load
45%DCiE
32%DCiE
62%DCiE
48%DCiE
Data center A
Data center BData centerinfrastructure efficiency
DCiE
IT Load% of data center capacity
0%
20%
40%
60%
80%
100%
0% 20% 40% 60% 80% 100%No load Full load
Optimized power & cooling(The subject of this paper)
55%DCiE
39%DCiE
58%DCiE
BEFORE virtualization
AFTER virtualization
AFTER virtualizationwith optimized power/cooling
Original power & cooling
Data centerinfrastructure efficiency
DCiE
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¿Por qué disminuye la eficiencia de la infraestructura (DCiE) a pesar del menor consumo de energía? Siempre que se adopte la virtualización disminuirá (mejorará) el consumo de energía debido a la menor
población de servidores y a cierta reducción simultánea del consumo de energía en los sistemas de energía
y enfriamiento (las pérdidas proporcionales descritas anteriormente). Sin embargo, la eficiencia de la
infraestructura del centro de datos decrecerá (empeorará) si no se achican y optimizan en la medida
necesaria los sistemas de energía y enfriamiento de modo de que exista una mayor correspondencia con la
nueva carga informática reducida. En otras palabras, si la infraestructura física no se contrae para
adecuarse mejor a la carga informática reducida, seguirá consumiendo energía (pérdidas fijas) para
sostener la capacidad excedente o mal empleada que no es de utilidad para ofrecer soporte a la carga
informática reducida. En la figura 15 se ilustra el resultado típico, menor consumo de energía combinado
con menor eficiencia de la infraestructura.
Figura 15 – Ejemplo de menor consumo de energía combinado con menor eficiencia de la infraestructura (DCiE)
A ver
Cómo aumentar la eficiencia: reducción de las pérdidas fijas En las secciones anteriores se explica por qué la virtualización hacer caer el componente DCiE y que las
pérdidas fijas de la infraestructura del centro de datos son la causa principal de ese efecto. Para compensar
ese problema y alcanzar el máximo potencial de ahorro de energía derivado de la virtualización, deberá
optimizarse la infraestructura de energía y enfriamiento –según se describe en la primera mitad de este
informe– para contemplar elementos como los siguientes a fin de minimizar las pérdidas fijas y maximizar la
eficiencia eléctrica del proyecto de virtualización:
• Reducción de la capacidad de potencia y enfriamiento para lograr una mayor correspondencia con la carga
En el ejemplo: Reducción de la carga informática: 50% 66% de las pérdidas del SISTEMA DE ENFRIAMIENTO son fijas 75% de las pérdidas del SISTEMA DE ENERGÍA son fijas
En la figura 7 encontrará la definición de eficiencia de la infraestructura del centro de datos (DCiE).
IT load
POWER system
500 kW500 kW
Infrastructure efficiency
Total power =
1000 kW
Total power =
672 kW
COOLING system
Infrastructureefficiency
Power consumed by minor subsystems ignored to simplify analysis
130 kW130 kW308 kW308 kW
250 kW250 kW
114 kW114 kW
370 kW370 kW
POWER system
COOLING system
IT load
(DCiE) (DCiE)
Power and cooling didn’t go down in the same proportion as IT load because of fixed losses
BEFOREvirtualization
AFTERvirtualization
= 50% = 37%
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• Ventiladores y bombas de velocidad variable que funcionan con menor intensidad cuando baja la demanda
• Equipos con dispositivos más eficientes que consuman menos energía durante su funcionamiento
• Arquitectura de enfriamiento con rutas de circulación de aire cortas (por ejemplo, pasar de sistema perimetral a sistema por hilera)
• Sistema de administración de la capacidad, para equilibrar la carga con la demanda y detectar la presencia de capacidad inutilizada
• Paneles de obturación para reducir la mezcla de aire en los racks
Para alcanzar el mínimo consumo de energía posible durante el funcionamiento de los equipos –es decir,
niveles eficientes de operación– es necesario proveer los recursos en forma dirigida en la medida, el
momento y el lugar justos (véase el recuadro).
Estos mismos principios se aplican al diseño de
dispositivos y arquitecturas que ofrecen respuesta a
los desafíos funcionales de la virtualización, que se
plantean en la primera mitad de este informe. Como
resultado, el aumento de eficiencia se produce
automáticamente cuando se adoptan las tres
soluciones anteriores: enfriamiento por hilera,
sistemas de energía y enfriamiento escalables, y
herramientas para administración de la capacidad.
TradeOff Tool™ de APC para calcular los ahorros derivados de la virtualización En la Figura 16 se muestra el Calculador de costos
de energía derivados de la virtualización, una
herramienta TradeOff Tool™ de APC. Esta
herramienta interactiva ilustra los componentes
informáticos, la infraestructura física y los ahorros
de energía que pueden obtenerse en el centro de
datos con la virtualización de servidores. La
herramienta permite que el usuario introduzca
datos relativos a la capacidad del centro de datos,
carga, cantidad de servidores, costo de electricidad
y otros valores asociados al centro de datos.
a Enfriamiento "justo a tiempo"
La idea de proveer un recurso en el momento justo y en la medida justa no es nueva, aunque sí con relación a los centros de datos. Los beneficios en materia de eficiencia asociados al tipo de enfriamiento por hilera localizado descrito tiene un conocido paralelo en el campo de la producción. "Justo a tiempo" es una filosofía desarrollada por Toyota en la década de 1950. Hoy es una piedra angular de la teoría de la administración, y hace hincapié en la eliminación del desperdicio partiendo de que se debe tener sólo la cantidad necesaria de los repuestos adecuados, en el momento y en el lugar adecuados, para que ante la necesidad concreta se los pueda tener justo a tiempo. La idea es eliminar el almacenamiento y movimiento innecesarios de partes, con el objetivo de posibilitar un flujo eficiente y regular de los materiales a través del proceso de producción. El sector de los centros de datos ya empezó a cosechar los frutos de lo aprendido de otros sectores en relación con la estandarización y la modularidad. Ahora que su materia prima principal –la electricidad– se está convirtiendo en un recurso escaso y costoso, las tecnologías y estrategias para conservarlo han despertado gran interés en el sector y en el usuario. El sistema de enfriamiento, uno de los principales consumidores de electricidad en el centro de datos, es un candidato ideal para la aplicación de la filosofía "usa sólo lo que necesitas, donde lo necesitas y cuando lo necesitas... y con gran eficiencia".
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Figura 16 – TradeOff Tool de APC para calcular los ahorros derivados de la virtualización
Estudio de caso El presente estudio de caso se llevó a cabo utilizando la herramienta TradeOff Tool™ de APC Calculador
de costos de energía derivados de la virtualización (figura 16, arriba). Se parte del supuesto de un centro
de datos hipotético con 75% de carga y sin redundancia de energía ni enfriamiento (figura 17a), con
relación al cual se recibe una factura de electricidad por US$193.123.
El centro de datos se virtualiza con una reducción en razón de 20 a 1 en cuanto a potencia de servidores.
Debido a la reducción de la carga a partir de la virtualización, el centro de datos cuya carga ahora asciende
a 53 kW está sobredimensionado en un 126% (120 kw de capacidad) (Figura 17b). Como resultado del
sobredimensionamiento, la infraestructura de energía y enfriamiento ofrece soporte a una carga muy inferior
a su capacidad y opera con niveles reducidos de eficiencia de la infraestructura (DCiE 39%) debido a las
pérdidas fijas, según se explicó en este informe. Si no se introducen mejoras en la infraestructura de
energía y enfriamiento, sólo se verá una reducción en razón de 1,4 a 1 (27%) en el total de la factura de
electricidad.
Si hace clic en la captura de pantalla que aparece abajo accederá a una versión en vivo de esta herramienta interactiva.
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Figura 17 – Estudio de caso en el que se muestra el efecto de la virtualización con y sin mejoras en materia de energía y enfriamiento
Con mejoras en la infraestructura de energía y enfriamiento la reducción en la factura de electricidad refleja
ahorros por encima de la relación de 2 a 1 (54%) y el componente DCiE se eleva a 62% (figura 17c).
Consideraciones relativas a la disponibilidad Las más altas densidades de potencia y las cargas variables que resultan de la virtualización pueden dar
origen a las vulnerabilidades típicas de todo cambio que influya en el entorno de alta densidad si no se lleva
a. Antes de la virtualización Capacidad del centro de datos: 120 kW Carga informática total: 90 kW (75% de
carga) Carga de servidores: 59 kW (66% de la
carga informática) Enfriamiento perimetral Disposición de pasillo caliente/pasillo frío
Unidades CRAC sin coordinación Sistema UPS: Tradicional, c/89% de
eficiencia a plena carga Piso elevado de 18" c/6" de obstrucción por
cableado Losas perforadas esparcidas por la sala No se utilizan paneles de obturación
b. Después de la virtualización Solamente consolidación de servidores Capacidad del centro de datos: 120 kW (sin
cambios) Carga informática total: 53 kW (44% de
carga) Carga del centro de datos: 75% (44% Reducción de servidores en razón de 20 a 1 Se virtualizó el 75% de los servidores Carga de servidores: 22 kW (42% de la
carga informática)
No se incorporaron cambios en estos elementos
c. Después de la virtualización CON mejoras en energía/enfriamiento Capacidad del centro de datos: 120 kW 60
kW Carga informática total: 53 kW (88% de carga) Sistemas de energía y enfriamiento
redimensionados adecuadamente ~ 10 kW Sistema UPS: Alta eficiencia, 96% de
rendimiento a plena carga Enfriamiento por hilera (sin contención) Agregado de paneles de obturación
DCiE = 49% DCiE = 39% DCiE = 62%
En el Apéndice encontrará más información sobre cómo se calcularon estas cifras.
Supuestos: No se utilizan componentes redundantes Densidad promedio: 7 kW/rack Unidad CRAC DX c/ condensador con enfriamiento por aire para transf. de calor Sist. de enfriamiento sin modo de economización Generador de reserva Costo de electricidad: US$0,12 por kWh
$193,123BeforeVirtualization
$193,123BeforeVirtualization
$140,305After Virtualization
$140,305After Virtualization
$193,123BeforeVirtualization
Afterpower/cooling improvements
$140,305After Virtualization
$140,305After Virtualization
savings
36%
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a cabo una reevaluación de los niveles de energía y enfriamiento requeridos para resguardar la
disponibilidad. Esto, combinado con la mayor
relevancia de cada servidor físico (ahora se ejecutan
diversas aplicaciones por servidor), hace que sea
más importante garantizar que los sistemas de
energía y enfriamiento satisfagan adecuadamente la
nueva demanda.
En la primera mitad de este informe se describen los
tres desafíos principales en relación con la
infraestructura física que plantea la virtualización:
cargas de alta densidad dinámicas y en movimiento,
infraestructura de energía y enfriamiento que opera
por debajo de su capacidad, y la necesidad de
administrar interrelaciones dinámicas que afectan a
la oferta y la demanda de capacidad. Todos estos
desafíos tienen consecuencias respecto de la
disponibilidad. Al repasar las soluciones se
observará que, además de los beneficios que
brindan en materia de eficiencia y capacidad de
administración, permiten solucionar los problemas de
disponibilidad asociados a la mayor complejidad y al
carácter dinámico de un entorno virtualizado (tabla 1).
Tabla 1 – Problemas de disponibilidad a los que se ofrece solución optimizando la infraestructura de
energía y enfriamiento
Amenaza contra la
disponibilidad
¿Por qué? ¿Cómo se soluciona?
Error humano
Históricamente el error humano ha sido una causa importante de tiempo de inactividad en el centro de datos. La naturaleza más compleja y cambiante de las salas actuales –incluso se producen cambios que no se ven– se traduce en un mayor riesgo de errores y descuidos.
Los sistemas descritos en este informe –como las unidades de enfriamiento localizados, la instrumentación por rack y la administración de capacidad– incorporan inteligencia en los componentes de energía y enfriamiento, lo que minimiza la necesidad de interpretación e intervención humanas.
Enfriamiento impredecible
El esquema tradicional de enfriamiento perimetral no es lo suficientemente ágil para manejar las cargas dinámicas de alta densidad que caracterizan al entorno virtualizado.
Los sistemas dirigidos de enfriamiento por hilera controlan el suministro de aire frío no sólo en cuanto al área hacia el que se dirige el aire sino en cuanto al caudal de aire suministrado. El sistema de administración de capacidad identifica proactivamente condiciones de carga que pueden llegar a superar la capacidad de enfriamiento local prevista para posibilitar la implementación de medidas correctivas.
a Efecto de la reducción del consumo energético en los contratos de suministro de
energía de red y de mantenimiento de equipos
La reducción abrupta del consumo energético puede tener consecuencias no deseadas con relación a los contratos de suministro de energía de red y de mantenimiento de equipos. Tales contratos deberán revisarse y renegociarse en la medida necesaria a fin de que los ahorros del centro de datos no se anulen al pagar las facturas del proveedor de suministro de red, el propietario del edificio o el proveedor de mantenimiento de equipos. • Contrato de suministro de energía de red:
Algunos contratos con los proveedores de suministro de energía incluyen una cláusula que penaliza al cliente si su consumo eléctrico general cae por debajo de un valor mensual preestablecido.
• Cláusula sobre costo de electricidad en el contrato inmobiliario: En algunos contratos inmobiliarios se contempla una tarifa plana para el costo de la electricidad, que suele facturarse considerando un costo por metro o pie cuadrado. Es posible que sea necesario renegociar esos contratos; de lo contrario, los ahorros derivados de la virtualización redundarán en beneficio del propietario del edificio.
• Contratos de mantenimiento de equipos: Los contratos de mantenimiento deberían revisarse para eliminar los equipos de energía y enfriamiento que no se utilizan y así dejar de pagar por el mantenimiento de equipos que al contraerse la infraestructura dejaron de estar operativos.
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Pérdida de redundancia del sistema de enfriamiento
Las cargas dinámicas pueden elevar la demanda de enfriamiento localmente al punto de que la capacidad prevista no sea suficiente para cubrir el tiempo de inactividad programado o no, de los equipos de enfriamiento.
Pueden instalarse unidades de enfriamiento por hilera para suministrar la redundancia deseada para una hilera determinada. El sistema de administración de capacidad puede advertir sobre la disminución o pérdida de la redundancia debido a cambios subsiguientes en la carga.
Sobrecarga del sistema de energía
La mayor frecuencia con que cambia la demanda de potencia –debido a la reconfiguración de servidores físicos o la migración de servidores virtuales– conlleva un mayor riesgo de que las cargas de los circuitos derivados se acerquen inadvertidamente al límite de activación de los disyuntores.
El sistema de administración de capacidad puede advertir sobre desequilibrios de carga antes de que esos desequilibrios impliquen un riesgo para la disponibilidad.
Conclusión La virtualización es un avance indiscutible en lo referido a la evolución de los centro de datos: ahorra
energía, aumenta el rendimiento informático, libera espacio en el piso y facilita la migración de cargas y la
recuperación de desastres. Sin embargo, existe cierto desconocimiento sobre la posibilidad de multiplicar
los beneficios de la virtualización mediante la optimización de la infraestructura de energía y enfriamiento a
fin de crear una mayor correspondencia con el nuevo y más eficiente perfil informático. Además de los
ahorros económicos que pueden obtenerse, las mismas soluciones para energía y enfriamiento ofrecen
respuesta a diversos desafíos relativos a la funcionalidad y disponibilidad de los sistemas que plantea la
virtualización. En la Figura 18 se resumen los efectos de la optimización de la infraestructura de energía y
enfriamiento, según lo descrito en este informe: la posibilidad de hacer frente a los desafíos técnicos que
plantea la virtualización y los beneficios generales que pueden obtenerse en materia de rendimiento.
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11 33Dynamic and migrating
high-density loadsUnderloading from
consolidationThe need to ensure capacities
down to rack level
Row-based cooling
Scalable architecture
Capacitymanagement
Reduced overallpower use
beyond virtualization alone
Increased power/cooling efficiency (DCiE)
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comparación del consumo de energía anterior y posterior a la virtualización. El primero es de pérdidas fijas
–la cantidad de energía que consumen los dispositivos y sistemas independientemente de la carga–, que
causa los niveles sorprendentemente bajos de eficiencia en los sistemas que funcionan por debajo de su
capacidad. El segundo es la distinción entre consumo de energía y eficiencia energética, que pueden
generar confusión al compararse los valores correspondientes al ahorro de energía. A continuación se
explica el papel que cumplen estos dos conceptos en el análisis de la virtualización: Aunque no se
actualicen paralelamente los sistemas de energía y enfriamiento, la virtualización generará una reducción
del gasto de electricidad, pero (1) esa reducción no será tan significativa como se esperaba debido a la
presencia de pérdidas fijas en los sistemas de energía y enfriamiento, y (2) a pesar de la reducción en el
consumo de energía del centro de datos, la eficiencia de la infraestructura (DCiE) del centro de datos en
general caerá tras la virtualización a causa de la ineficiencia de los sistemas de energía y enfriamiento que
funcionarán por debajo de su capacidad. La menor eficiencia señala un margen de mejora en los sistemas
de energía y enfriamiento; de hecho, es una forma de medir el potencial de obtener mayor provecho del
dinero invertido en energía.
Cuando se virtualiza un entorno, la actualización paralela de la infraestructura de energía y enfriamiento
optimizará tanto su arquitectura como su funcionamiento de maneras que permitirán resguardar la
disponibilidad, aumentar la capacidad de administración, reducir el consumo de energía y aumentar la
eficiencia. Cuando la infraestructura física está diseñada adecuadamente, además de brindar soluciones
para las necesidades específicas que surgen con la virtualización, puede elevar la capacidad de densidad
de potencia y la eficiencia del centro de datos muy por encima de los valores previos a la virtualización.
Acerca del autor Suzanne Niles es Analista de Investigación Senior en el Centro de Estudios de Centros de Datos de APC.
Estudió matemática en el Wellesley College antes de obtener el título de Bachelor en Ciencias Informáticas
en el MIT, con una tesis sobre reconocimiento de caracteres manuscritos. Ha contribuido a la formación de
públicos diversos por más de 30 años utilizando diferentes medios, desde manuales de software hasta
fotografías y canciones para niños.
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Apéndice
Los cálculos del presente estudio de caso se hicieron con el Calculador de costos de energía derivados de la virtualización, una herramienta TradeOff Tool™ de APC. Supuestos del modelo Supuestos generales
Disposición de pasillo caliente/pasillo frío Sist. de enfriamiento sin modo de economización Generador de reserva
Supuestos para sistema de enfriamiento sin mejoras Los casilleros” Row-based cooling” (enfriamiento por hilera) y “Rightsize CRAC/CRAH” (unidades CRAC/CRAH con dimensionamiento adecuado) no se encuentran marcados.
Unidades CRAC tradicionales, perimetral , sin coordinación No se cuenta con falso cielorraso para crear una cámara de retorno de aire Piso elevado de 18" c/6" de obstrucción por cableado Losas perforadas esparcidas por la sala
Supuestos para sistema de energía sin mejoras Los casilleros “ High efficiency UPS” (UPS con alto grado de eficiencia) y “Rightsize UPS/PDU” (Unidades UPS/PDU con dimensionamiento adecuado) no se encuentran marcados. El sistema UPS es de tipo tradicional, no escalable, con 89% de eficiencia a plena carga Datos del usuario para este estudio de caso Datos generales
Costo de electricidad: US$ 0,12 /kWh Virtualización de servidores solamente; sin mejoras en los sistemas de energía/enfriamiento
Capacidad del centro de datos: 120 kW Carga informática: 90 kW % de carga informática conformada por servidores: 66% Cantidad total de servidores: 425 Utilización de espacio en U por rack informático: 75% Sistema sin redundancia (energía = N/enfriamiento = N) Condensador con enfriamiento por aire para transferencia de calor, es decir, con expansión directa (DX) % de servidores virtualizados: 75% Razón de consolidación de servidores: 20:1 Mejoras al centro de datos (energía y enfriamiento): Ninguna (no se encuentra marcado ningún casillero)
De la fig. 17
DCiE = 49% DCiE = 39%
Datos considerados para el estudio de caso de la figura 17
Haga clic aquí para acceder a una versión en vivo de esta herramienta interactiva
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Virtualización de servidores CON mejoras en los sistemas de energía/enfriamiento (todos los casilleros se encuentran marcados)
Enfriamiento con dimensionamiento adecuado Energía con dimensionamiento adecuado Sistema UPS de alta eficiencia Enfriamiento por hilera Paneles de obturación
De la fig. 17
DCiE = 62%
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