Diseño eficiente en centros de datos

Publicado en la revista Constructor Eléctrico

El sobredimensionamiento de los equipos, mal flujo de aire, densidades más altas de aquellas para los que fueron diseñados, equipos ineficientes y parámetros inadecuados en el equipo de enfriamiento repercuten en la eficiencia energética de los centros de datos. Conocer los lineamientos necesarios para tener un centro en óptimas condiciones reflejará ahorros económicos importantes.

La sustitución de equipos ineficientes por sistemas modernos participa en la eficiencia energética de los centros de datos.

Por  Humberto Chacón Cuétara.

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El costo de la energía eléctrica se ha convertido en el segundo gasto más representativo en las organizaciones, después del recurso humano. Es posible reducir considerablemente el consumo de electricidad en un centro de datos mediante el diseño adecuado de la infraestructura física y una buena arquitectura informática. El objetivo de este artículo es explicar cómo mejorar el diseño de la infraestructura física en un centro de datos.

Qué es un centro de datos
De acuerdo con la TIA942, un edificio o parte de un edificio es tal cuando la función primaria es alojar un cuarto de cómputo y sus áreas de soporte. Éstas últimas, en un centro de datos, incluyen: área de soporte o NOC, cuarto de telecomunicaciones, área de carriers, almacén o bodega y cuartos eléctricos y de servicios.

Cómo se mide la eficiencia de los centros de datos 
La eficiencia de cualquier equipo o sistema es la división del resultado útil deseado entre la entrada, ya sea electricidad o combustible que lo haga funcionar.

Todo otro resultado no útil se considera desperdicio. Esta división de salida útil respecto de la entrada total suele representarse con un porcentaje.

Útil es todo aquello que se considera como el resultado deseado de un sistema en particular, que puede depender no sólo de la índole del sistema, sino también del contexto en el que se usa.

El ejemplo más claro es el de una lámpara, cuya salida útil consiste en luz, y la salida no útil es el calor. Una luminaria que tenga una  salida consiste en un 10 por ciento de luz y un 90 de calor; puede percibirse como una lámpara con una eficiencia del 10 por ciento o como un calentador con una eficiencia del 90, según se utilice para iluminar o para calentar.

En el caso de la infraestructura física de un data center, la entrada es la energía eléctrica comúnmente medida en kilowatts y la salida útil es la potencia para los equipos informáticos.

Si el centro de datos presentara una eficiencia del ciento por ciento, toda la potencia suministrada al centro de datos llegaría a las cargas informáticas. En el mundo real existen varias maneras en que la energía eléctrica es consumida por dispositivos que no son cargas informáticas, como transformadores, sistemas de suministro ininterrumpido de energía (UPS), cableado de alimentación, ventiladores, aires acondicionados, bombas, humidificadores e iluminación.

Todos estos equipos ayudan a mantener los sistemas informáticos debidamente albergados, alimentados, refrigerados y protegidos, de modo que puedan proporcionar actividad computacional útil.

La electricidad es una parte significativa del TCO
El costo total de propiedad (TCO) de la infraestructura física en un centro de datos típico en 10 años puede oscilar entre los 80 mil y los 150 mil dólares por gabinete. En este caso, el consumo de potencia eléctrica constituye una parte significativa que ronda el 20 por ciento del TCO.

Este hecho es de especial interés, ya que gran parte del consumo de potencia eléctrica se desperdicia en forma de calor, y una cantidad significativa de desperdicio puede evitarse. Se calcula que en el mundo los centros de datos consumen 40 mil millones de kW/h anuales de electricidad y la reducción del desperdicio vinculado a este consumo constituye un problema vital para los operadores de centros de datos.

Los modelos de eficiencia de los data centers suelen ser simplistas y subestiman enormemente el desperdicio de electricidad. En consecuencia, la posibilidad de mejorar la eficiencia es mayor de lo que comúnmente se cree.

La redundancia: un mal necesario para los centros de datos 
Para aumentar la disponibilidad en los centros de datos, se utilizan las redundancias; al emplearlas aumenta la capacidad instalada, por lo que afecta la eficiencia.

Si deliberadamente se sobredimensionó el componente para brindar un margen de seguridad, y éste funciona con otros similares, en una configuración con una redundancia de N+1 o 2N, afecta aún más la eficiencia.

Efecto del calor proveniente de los equipos de potencia y enfriamiento 
Otro grave error en la confección de modelos de eficiencia de los centros de datos es suponer que la energía térmica producida por los equipos de potencia y enfriamiento (ineficiencia) representa una fracción insignificante de la carga informática y que, por lo tanto, puede ser ignorada.

De hecho, el calor que aportan los componentes de potencia y enfriamiento al centro de datos no es distinto del que generan los equipos informáticos en sí, y debe extraerse con el sistema de enfriamiento. Ese calor representa un peso adicional para el equipo de enfriamiento, que da lugar a la necesidad de sobredimensionar el sistema, lo cual a su vez genera pérdidas adicionales en cuanto a la eficiencia del enfriamiento.

Para contemplar estas pérdidas en forma adecuada, la carga de enfriamiento debe incluir tanto a los equipos informáticos como a las pérdidas de todo dispositivo de potencia y enfriamiento ubicado en el ambiente acondicionado.

Capacidades en el nivel de sistema 
El suministro siempre debe ser mayor o igual que la demanda, esto con el fin de evitar que el centro de datos sufra una falla. Lo cual debe ser válido en todos los racks y también debe serlo para cada dispositivo de suministro que alimenta grupos de racks. Por lo tanto, en cualquier momento dado, siempre hay una capacidad en exceso (con la condición de que el suministro general sea mayor o igual a la demanda global). El exceso de capacidad viene de cuatro formas distintas para fines de administración de capacidad, los cuales son:

Capacidad de reserva: el exceso de capacidad real y actual que se puede utilizar “en este momento” por el nuevo equipo de TI

Capacidad inactiva: un problema causado por funciones de administración de alimentación y un movimiento automatizado de máquinas virtuales dentro del equipo de TI. La capacidad inactiva debe mantenerse para los momentos cuando el equipo de TI con alimentación administrada cambia a modos de alta alimentación

Capacidad de margen de seguridad: el exceso de capacidad planificado que se mantiene disponible sobre la demanda de alimentación y enfriamiento potencial máxima

Capacidad inutilizada: la capacidad que no se puede utilizar por cargas de TI debido al diseño o la configuración del sistema. La presencia de capacidad inutilizada indica una falta de una o más de las siguientes capacidades:

  • Espacio en el rack y en el piso
  • Potencia
  • Distribución de energía
  • Enfriamiento
  • Distribución de enfriamiento

Oportunidades de aumentar la eficiencia en los centros de datos 
1. Reemplazo de equipos ineficientes por sistemas de última generación, con un mejor diseño interno, que consuma menos energía al cumplir su función

Los fabricantes proporcionan datos sobre la eficiencia de los equipos de potencia y enfriamiento. Para equipos de potencia, la eficiencia suele expresarse como un porcentaje de la salida de potencia con respecto de la de entrada.

Cuando se trata de equipos de enfriamiento, la eficiencia acostumbra a expresarse como un parámetro relacionado, que se denomina coeficiente de rendimiento: la relación entre el calor extraído respecto de la potencia eléctrica de entrada.

La eficiencia de los componentes, en especial la de las unidades CRAC y los sistemas UPS, se reduce de forma significativa con cargas informáticas menores, y aumenta cuando funcionan a un nivel mayor de carga o a plena carga, como se expresa en la siguiente figura.

2. Ajustar el dimensionamiento de la infraestructura física para que esté más alineado a la carga informática real (dimensionamiento adecuado)

En el mundo real, la carga de cómputo es considerablemente inferior a la capacidad proyectada para los componentes en el centro de datos. Las investigaciones son claras: un centro de datos promedio funciona a un 65 por ciento por debajo del valor proyectado.

Existen en el mercado equipos UPS con eficiencias de hasta el 94 por ciento (sin transformadores) y modulares que ayudan a dimensionar de manera más adecuada para mejorar la eficiencia, de modo que los UPS queden operando de un 60 a un 80 por ciento de su capacidad.

Por otro lado, las unidades de enfriamiento de baja capacidad facilitan el diseño de enfriamiento para mejorar el flujo de aire y que la capacidad instalada quede más adecuada a la requerida por el centro de datos.

3. Enfriar sólo los equipos que se requieren y a la temperatura adecuada

Se ha comprobado que los aislamientos o contenciones, ya sea por fila o por gabinete, pueden mejorar aún más la eficiencia de un data center, ya que la cantidad de volumen de aire por desplazar es menor, y se focaliza el flujo de aire.

Por otro lado, la ASHRAE (American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers) ha ampliado la ventana o rangos recomendados de temperatura y aire para operar un centro de datos y acepta mayores temperaturas, lo que ayuda al ahorro energía eléctrica.

4. Equipos de enfriamiento con velocidad variable

Uno de los principales inventos del siglo XXI son los variadores de velocidad y en este caso es aplicable a los ventiladores, turbinas, bombas o compresores de un aire acondicionado, y ayudan a ajustar la capacidad de la unidad a la capacidad requerida por la carga.

Con la llegada de la vitalización y servidores del tipo blade, se comprueba cada vez más que la carga es dinámica y depende del procesamiento que se tenga durante el día y la capacidad de enfriamiento varía a diferentes horas y épocas del año. Por lo anterior, un diseño eficiente debe considerar la filosofía on-demand, en donde el aire acondicionado ajusta su capacidad a la de la carga con sensores de temperatura externos instalados en los gabinetes.

5. Desarrollo de nuevas tecnologías que reduzcan la necesidad de potencia eléctrica, como el enfriamiento gratuito o free cooling

Se ha comprobado que en los países cercanos a los polos el free cooling o enfriamiento gratuito representa una gran oportunidad de eficiencia y ahorro. En algunas ciudades de México representa una interesante opción para el desarrollo de estas tecnologías.

Existen unidades de enfriamiento que combinan el enfriamiento tradicional con el free cooling que, dependiendo la temperatura exterior y la carga, se ajustan para economizar energía.

Conclusión 
Los centros de datos típicos consumen más del doble de la potencia que requieren las cargas informáticas. El costo asociado con el consumo de potencia es una fracción considerable del gasto total de propiedad del sistema.

Toda la potencia que se consuma más allá de las necesidades de potencia de los equipos informáticos no resulta deseable y gran parte puede evitarse.

El sobredimensionamiento de los centros de datos es el factor que más contribuye a la ineficiencia de éstos, lo cual sugiere que las soluciones escalables, que pueden crecer a la par de la carga informática, ofrecen una gran oportunidad de reducir los costos y desperdicios de energía eléctrica. El posible ahorro en costos de electricidad para un típico centro de datos de 1 MW se encuentra entre los 2 millones y los 4 millones de dólares a lo largo de los 10 años típicos de vida útil de las instalaciones.

Debido a la gran cantidad de potencias y costos consumidos por la ineficiencia de los centros de datos, la reducción de estas pérdidas debe ser un tema de vital importancia para todos los propietarios de centros de datos, además de un problema primordial para el establecimiento de políticas públicas.
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Humberto Chacón Cuétara
Es ingeniero Mecánico Electricista por la UAG; vicepresidente de la UNCE (Unión Nacional de Constructores Electromecánicos). Es director General de Energía y Redes SA de CV, empresa especializada en diseño y construcción de data centers; y socio fundador de PQ Insel SA de CV (constructora eléctrica).

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