MAC-0412: Organização de Computadores

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1 UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO INSTITUTO DE MATEMÁTICA E ESTATÍSTICA MAC-0412: Organização de Computadores Computação Verde Integrantes do Grupo: Claudivan Ribeiro N USP: Tiago Bomventi N USP: Professor: Alfredo Goldman S Ã O P A U L O 26/11/2010

2 Sumário 1 Introdução O que é Computação Verde? Impacto da computação no meio ambiente Ciclo de vida de equipamento 4 3 Soluções verdes Virtualização Consumo de energia Projeto de hardware Armazenamento Monitores Video Thin clients Undervolting Bibliografia 9 2

3 1 Introdução 1.1 O que é Computação Verde? Computação verde é o estudo e prática de projetar, produzir, consumir e reciclar componentes de hardware com o mínimo de impacto ambiental. O assunto tem ganhado importância nos últimos anos entre profissionais de TI em empresas, governos, universidade e consumidores apartir de descobertas de que o ritmo de consumo da humanidade é incompatível com a quantidade de recursos naturais disponíveis. Um marco desta prática foi o ano de 1992 quando a Environmental Protection Agency dos EUA lançaram o projeto Energy Star, cujo objetivo era o de certificar equipamentos que faziam uso eficiente de energia[7]. Atualmente este selo em sua versão 4.0 é encontrado com frequencia em monitores, impressoras, fontes dentre outros. Mais tarde um consórcio de empresas propuseram outra certificação que também tornou-se bastante difundida, o 80 plus, específica para fontes de computador. Como sugere o nome, ele selava equipamentos em que o gasto energético útil fosse maior que 80%. 1.2 Impacto da computação no meio ambiente Para ilustrar os danos que a indústria de TI causa ao equilíbrio ambiental, citamos um estudo do físico Dr. Alex Wissner-Gross, da Universidade de Harvard (EUA). Ele concluiu que cada busca no emphgoogle libera em média 7g de CO 2 na atmosfera. A produção dos computadores assim como de outros eletro-eletrônicos trazem uma série de consequências ambientais. Elementros tóxicos como o arsênio, mercúrio dentre outros são utilizados tanto na manufatura quanto no produto acabado e a contaminação do lençol freático por estes é apenas uma dos possíveis danos causados. Para mais informações veja tabela 1. Mercúrio Cádmo Arsênio Berílio Chumbo Bário Tabela 1: Elementos usados e dados à saúde humana Danos ao cérebro e fígado Envenenamento, problemas nos ossos, rins e pulmões Câncer no pulmão, doenças de pelo, danos ao sistema nervoso Câncer no pulmão Danos ao sistema nervoso e sanguíneo Edema cerebral, fraqueza muscular, danos ao coração, fígado e baço 3

4 Para funcionarem bem estes equipamentos consumem conjuntamente uma grande quantidade de energia elétrica. Gases causadores do efeito estufa são liberados em consequência deste uso, dado que em muitos casos esta energia é gerada em usinas termelétricas. Além disso, o descarte é uma fase em que, em geral, há danos ambientais. A desmontagem, reutilização (se possível) e/ou reciclagem nem sempre são realizadas adequadamente. 2 Ciclo de vida de equipamento Segundo [4] há 4 exigências que devem ser satisfeitas para que os equipamentos de TI sejam considerados ecologicamente corretos: Projeto: projetar componetes modularizados e manuteníveis que desperdissem o mínimo em energia, com pouco uso de matéria-prima e redução/eliminação de materiais nocivos; Produção: processos de manufatura que não gere ou gere pouco resíduo, tratando-os antes de discartar na natureza; Uso: Ativar os modos gerenciadores de energia, desligar equipamento quando em modo ocioso, fazer upgrades de hardware antes da substituição total; Descarte: remanufaturar e reutilizar máquinas antigas além de reciclar apropriadamente o refugo; 3 Soluções verdes Muitos cientistas trabalham atualmente testando os mais diversos materiais e estudando processos químicos que podem levar os computadores ao funcionamento mais eficiente e menos agressivo em relação ao consumo de recursos ambientais. A construção de novas tecnologias e métodos podem muitas vezes alterar de maneira contundente as tendências de hardware e de computação para as máquinas construídas no futuro. Os tópicos abaixo estão de alguma forma relacionados, pois abordam a eficiência levando em consideração o impacto ambiental. Pode-se dizer que o problema do uso eficiente de energia requer uma abordagem holística, pois exige intervenções nas mais diversas áreas, tais como materiais, circuitos, dispositivos, chips, arquitetura de sistemas e software. Essas soluções tentam maximizar o uso de uma 4

5 infraestrutura (datacenters, departamento de TI, workstation etc) que deve ter sido bem dimensionada para atender às necessidades da empresa ou do usuário doméstico [2]. 3.1 Virtualização Nos últimos anos, o poder de processamento dos computadores aumentou de forma drástica, podendo realizar operações que envolvem uma enorme quantidade de cálculos por segundo. Mas isso não significa que as aplicações se aproveitam de todo esse poder. Na verdade a maioria delas sub-utiliza a capacidade de processamento das CPUs. Visando diminuir a ociosidade de diversos processadores em uma rede, a IBM desenvolveu a técnica de virtualização para aplicar a seus mainframes no início da década de 60. Esta técnica consiste em, ao invés de rodar diversos serviços em máquinas diferentes, oferecer todos esses serviços em uma única máquina (com maior poder de processamento) para que use ao máximo seus recursos computacionais. Esta prática é comumente utilizada em datacenters para agregar diversos serviços em um mesmo servidor, o que leva, por consequência, a reduções consideráveis na quantidade dos equipamentos utilizados, do consumo de energia, e dos custos com manutenção e refrigeração. Mais tarde, no início da década de 90, o conceito se popularizou e pôde ser aplicado também aos desktops. Recentemente, AMD e intel implementaram instruções específicas em suas linhas de CPUs para melhorar o desempenho destas aplicações. Com essa disseminação da prática, já é possível, por exemplo, que um usuário doméstico emule uma máquina virtual servidora de arquivos para que, quando em casa utilize o computador para suas tarefas básicas e, quando fora, acesse seus arquivos remotamente. Alguns exemplos de aplicações de emulação de máquinas virtuais são o Virtual PC da Microsoft, o VirtualBox da Sun, o Vmware da Vmware e o Xen da XenSource, alguns com licença gratuita de uso. 3.2 Consumo de energia O consumo de energia está diretamente ligado à emissão de carbono na atmosfera visto que grandes consumidores (a exemplo de EUA e China) utilizam a queima de combustíves fósseis na geração de eletricidade. Então, reduzir o consumo de energia dos equipamentos significa não apenas uma diminuição (indireta) na emissão de CO 2, como também uma economia financeira para manter estes equipamentos 5

6 ativos. Em abril de 2007, um relatório da Gartner Press [5] estimou que a emissão de dióxido de carbono por parte da indústria de TI e de comunicação, corresponde a 2% das emissões globais, uma parcela igual à da aviação. A Climate Savers Computing Initiative estimou que um desktop comum médio, desperdiça metade da sua energia [3]. A Intel também corrobora esse fato, afirmando que uma política agressiva de gerenciamento de energia pode reduzir em 60% o consumo de energia dos computadores médios. Em grande parte, a chave para a redução do consumo de energia está em reduzir o gasto quando o equipamento estiver ocioso. Medidas simples como desligar a máquina e monitor nestas ocasiões são bastante efetivas. Apesar disso, boa parte dos usuários não leva isso em consideração. Em 2006, a entidade inglesa National Energy Foundation estimou que no Reino Unido, 18% dos computadores nunca são desligados. Um estudo semelhante nos EUA em 2007, identificou que 60% dos computadores eram deixados ligados durante a noite. 3.3 Projeto de hardware A partir de 2005, a Intel mudou seu paradigma de produção. Antes o desempenho era medido pela velocidade de processamento e, aos poucos, a Intel incorporou o conceito de desempenho por watt em seus novos projetos, e o termo computação verde se difundiu [1]. Computadores podem diminuir seu consumo de energia usando hardware específico para essa finalidade. Abaixo são listadas algumas medidas de projeto de hardware que diminuem o consumo de energia e podem indicar uma tendência para máquinas do futuro Armazenamento Muito se fala dos gastos de energia dos processadores e pouco do consumo dos discos rígidos. Mas principalmente em datacenters, o consumo de energia destes componentes precisa ser considerado. Sabese que discos menores (2.5 polegadas) consomem menos energia por gigabyte que discos maiores (5 polegadas ou mais), que por sinal já estão saindo do mercado [8]. Muitas empresas estão produzindo discos que consomem menos energia e dissipam melhor o calor, abaixando de e rpm para rpm. Ao contrário dos discos rígidos, dispositivos de estado sólido (SSD) armazenam dados em memória flash. Não possuem partes móveis, o que reduz vibrações e ruídos, são mais resistentes a choques e 6

7 consomem menos. Em contrapartida, atualmente armazenam menos do que os discos IDE e SATA e ainda custam muito caro para o usuário final. Tirando essas desvantagens, as boas características do SSD provavelmente tornarão esses dispositivos a escolha de armazenamento no futuro Monitores Atualmente, os monitores de tubos catódicos (CRT) já são considerados peças de museu. Além de ocuparem muito mais espaço do que os monitores de tela fina, eles consomem muito mais energia. Enquanto um típico monitor LCD gasta entre 20 e 50 Watts, um monitor de tubo não consome menos do que 100 Watts. A tecnologia LED também começou a ser incorporada na fabricação de monitores alguns anos atrás. Monitores de LED, apesar de terem uma qualidade de imagem igual ao monitor LCD, consomem menos energia do que eles, pois operam em uma voltagem menor e ainda possuem uma maior durabilidade, além de usar uma quantidade de mercúrio menor em seu processo de fabricação. Dessa forma, acredita-se que a tecnologia LED domine o mercado de monitores nos próximos anos [6] Video A placa de vídeo pode ser o componente de maior consumo de um computador. Uma GPU pode consumir 230 Watts quando em funcionamento, já um processador Intel i7 consome cerca de 130 Watts. As alternativas para baixar o consumo de energia das placas gráficas são limitadas, já que esses dispositivos tem como caraterística dar vazão à grande quantidade de processamento. Algumas sugestões são trocar as placas off-board por placas on-board, que tem uma menor capacidade de processamento, não precisam de cooler para resfriar e, portanto, consomem menos energia. Em contrapartida há, em geral, uma perda considerável de desempenho. Também estão sendo desenvolvidas GPUs com a funcionalidade de undervolt, que poderiam baixar sua voltagem de funcionamento quando estivessem com menos carga de processamento. Alguns cientistias da NVIDIA, acreditam que o futuro dos computadores será utilizar GPUs ao invés de CPUs Thin clients O uso dos desktops e da internet no ambiente empresarial trouxe benefícios inquestionáveis (para produção e criação). Nos dias de hoje, praticamente toda empresa possui seus computadores conectados e quanto mais computadores, mais difícil é a tarefa de mantê-los atualizados e funcionando de forma eficiente, 7

8 já que muitos usuários não desligam suas máquinas fora do horário do expediente ou não acionam as políticas de baixo comsumo de energia da máquina. Para lidar melhor com essas questões, que podem envolver corte de gastos, muitas empresas estão usando o modelo thin client ou cliente magro. Um thin client é um computador cliente em uma rede de arquitetura cliente-servidor de duas camadas, o qual tem poucos ou nenhum aplicativo instalados, de modo que depende primariamente de um servidor central para o processamento de atividades [9]. Dessa forma, todas os recursos estão no servidor. Um thin client (devido ao seu tamanho reduzido e suas partes integradas), consome até 10% da energia consumida por um PC comum. Os thin clients podem se mostrar como a grande sensação do momento, mas essa tecnologia não é nova. Antigamente, existiam os terminais de processamento centralizado no mainframe. Hoje os thin clients estão ligados por rede Ethernet a um servidor virtualizado, podendo rodar as mais diversas aplicações. É possível instanciar desktops virtualizados para serem acessados via thin client. Dessa forma, os recursos que antes ficavam ociosos, agora são utilizados por todos. As principais vantagens no uso de thin clients são: diminuição de custo, tanto de consumo de energia como com a manutenção do hardware maior segurança, a centralização facilita o controle melhor manutenção Suas desvantagens: requer servidores com grande capacidade de processamento requer uma boa rede interna É importante destacar que thin client é uma solução vantajosa para grandes e médias empresas. Portanto não é comum usuários domésticos utilizarem este arranjo Undervolting É a técnica de redução da voltagem fornecida a um equipamento ocioso com a finalidade de diminuir seu consumo. Essa diminuição é realizada em funcionamento e pode ser via software ou implementada diretamente em hardware. A potência dissipada de um equipamento pode ser calculada pela relação C V 2 F, 8

9 onde C é a capacitância (constante), V é a voltagem e F a frequência. Da fórmula percebe-se que para reduzir o consumo a forma mais eficiente é diminuir a voltagem, embora a prática da redução da frequência também seja útil para esta finalidade. Uma outra consequência direta destas medidas é a diminuição da temperatura do dispositivo. A intel implementou esta técnica em seus processadores com o nome comercial de SpeedStep. A AMD chamou de Cool n Quiet/PowerNow. 4 Bibliografia Referências [1] C. Barnatt. Green computing: An introduction, [2] P. Carinhas. Green computing guide. Website, [3] C. S. C. Initiative, [4] S. Murugesan. Harnessing green it: Principles and practices. IT professional, 10(1):24 33, [5] G. P. Release, [6] Varindia. Led is too hot, VARBuzz.htm&printable=1. [7] Wikipedia. Green computing wikipedia, the free encyclopedia, [Online; accessed 1-November- 2010] computing&oldid= [8] Wikipedia. Hard disk drive wikipedia, the free encyclopedia, [Online; accessed 18-November- 2010] disk drive&oldid= [9] Wikipédia. Thin client wikipedia, the free encyclopedia, [Online; accessed 19-novembro-2010] client&oldid=