Resumo executivo Os modelos convencionais para estimar a eficiência elétrica em data centers são bem imprecisos em instalações no mundo real. As estimativas de perdas elétricas são feitas normalmente somando as ineficiências de diversos dispositivos elétricos, como os equipamentos de energia elétrica e de resfriamento. Este relatório mostra que os valores utilizados normalmente para estimar a ineficiência dos equipamentos são bastante imprecisos. É descrito um modelo simples, de eficiência mais precisa que fornece uma base racional para identificar e quantificar o desperdício em equipamentos de energia elétrica e de resfriamento.
Introdução O custo total de propriedade (TCO) da infra-estrutura física de redes críticas (NCPI) em um data center típico pode variar entre $80.000,00 a $150.000,00 por rack, em 10 anos. Desse TCO, o custo do consumo de energia elétrica é um fator significativo, da ordem de 20% do custo total. Isso interessa porque grande parte do consumo de energia elétrica é desperdiçada (na forma de energia térmica) e uma quantidade significativa desse desperdício é evitável. É estimado que, os data centers consumam mundialmente cerca de 40.000.000.000 de kwh de eletricidade por ano e a redução do desperdício associado a esse consumo é uma questão significativa de política pública e também uma preocupação financeira importante para operadores de data centers. 2 Figura 1 - A eletricidade é uma parte significativa do TCO Modelos simplificados típicos de eficiência em data centers subestimam grosseiramente o desperdício elétrico em data centers. A possibilidade para melhorar a eficiência é, conseqüentemente muito maior do que normalmente se acredita. Este relatório apresenta um modelo otimizado que proporciona maior exatidão para as perdas em data center e sugere onde estão disponíveis as oportunidades de melhoria na área de energia. O que é a Eficiência de um data center? A eficiência de qualquer dispositivo ou sistema é a parte de sua entrada de energia (eletricidade, combustível, tudo que faz o sistema andar ) que é convertida no resultado desejado útil o restante, diferente do resultado útil, é considerado como desperdício. Esta fração da energia útil que é aproveitada em relação ao total da entrada de energia é normalmente apresentada na forma de porcentagem. Energia útil é tudo aquilo que é considerado resultado desejado para o sistema específico, que pode depender não somente da natureza do sistema, mas também do contexto de sua utilização. Por exemplo, uma lâmpada incandescente cuja saída é composta de 5% de luz e 95% de calor pode ser vista como uma lâmpada com 5% de eficiência ou um aquecedor com 95% de eficiência, dependendo do uso: se está sendo utilizada para iluminar uma sala ou para aquecer um ambiente. Saída útil é tudo aquilo que faz sentido para o sistema analisado. Para a infra-estrutura física do data center, a entrada é a eletricidade e a saída útil é a energia elétrica para os equipamentos de computação. 1 Detalhes dos fatores que contribuem com o TCO estão descritos no Relatório Oficial da APC No. 6, Determinação do Custo Total de Propriedade da infra-estrutura para data centers e salas de redes. 2 http://www.eei.org/magazine/editorial_content/nonav_stories/2004-01-01-nt.htm (acessado em 14 de junho de 2006).
Neste relatório um data center é modelado como um sistema elétrico cuja entrada total é a energia elétrica consumida da concessionária de energia e cuja saída útil é a quantidade de energia elétrica para o processamento que ele fornece, que pode ser representado pela quantidade de energia elétrica fornecida aos equipamentos de TI. A Figura 2 ilustra esse modelo geral de eficiência em data center. Figura 2 A eficiência em data center é definida como a fração da entrada de energia elétrica fornecida para a carga de TI A energia elétrica fornecida para a carga de TI é uma medida da saída útil do data center Se o data center fosse 100% eficiente, toda a energia elétrica fornecida para o data center chegaria até as cargas de TI. No mundo real há várias maneiras da energia elétrica ser consumida por dispositivos diferentes das cargas de TI, devido aos requisitos práticos para manter os equipamentos de TI alojados, alimentados, resfriados e protegidos corretamente, de modo que possam fornecer sua capacidade útil de processamento. (Essas tarefas são de responsabilidade da infra-estrutura física de redes críticas dos data centers, indicados aqui pela sigla NCPI.) Outros dispositivos, que não são os equipamentos de TI e que consomem energia elétrica do data center são, entre outros: os transformadores, no-breaks (UPS), fiação de energia elétrica, ventiladores, aparelhos de ar condicionado, bombas, umidificadores e iluminação. Alguns desses dispositivos, como os no-breaks (UPS) e os transformadores estão em série com as cargas de IT (porque fornecem o caminho da energia elétrica para alimentá-los) enquanto outros, como a iluminação e os ventiladores estão em paralelo com as cargas de IT porque realizam outras funções de suporte no data center. A Figura 3 ilustra esses componentes internos do consumo de energia no modelo de eficiência de data centers. 3 A relação exata entre a energia elétrica e os bits movidos está fora do escopo deste relatório, porém a energia elétrica consumida pelos equipamentos de TI é uma medida justa do processamento fornecido, para fins dessa análise. As melhorias na eficiência pela redução do consumo de energia dos próprios equipamentos de TI são importantes, porém não são tratadas neste relatório.
Figura 3 Detalhe do consumo de energia no modelo de eficiência de data centers Conceitos de energia útil e energia desperdiçada no modelo de eficiência para data centers Em um modelo de eficiência, energia desperdiçada é tudo aquilo que não foi definido como saída útil do sistema. Os equipamentos que fazem parte da NCPI fazem outras coisas úteis além de fornecer energia elétrica para as cargas de TI esses equipamentos são chamados de suporte secundário na figura 3. Poderia ser argumentado que a saída útil desses subsistemas NCPI (resfriamento ou iluminação, por exemplo) também deve ser considerada como parte da Saída útil dos data centers. Esta é uma questão que se refere à estrutura. O objeto desta análise é a eficiência geral do data center para produzir sua saída útil, que é o processamento. Data centers são não construídos para produzir resfriamento ou proteção contra incêndio ou qualquer uma das outras coisas boas que os equipamentos NCPI fazem. Embora as saídas desses equipamentos NCPI sejam extremamente úteis para os trabalhos internos do data center, para ajudar e proteger sua saída útil (processamento) elas propriamente dito não fazem parte da saída útil do data center, nem há nenhuma razão para acreditar que elas devem consumir eletricidade. Atividades NCPI que não fazem parte do caminho da energia elétrica devem ser consideradas um mal necessário no suporte ao processamento do data center portanto, no modelo de eficiência do data center elas são consideradas como desperdício, que deve ser minimizado o máximo possível. Tudo deve ser considerado como válido em projetos alternativos e novas tecnologias para reduzir o consumo de energia geral em data center. Por exemplo, há data centers que utilizam métodos de "resfriamento natural, que aproveita o ar externo fresco usando técnicas como "rodas calor" e resfriamento de placas e estruturas. Isto pode reduzir a quantidade de energia elétrica gasta em resfriamento, o que aumenta a eficiência do data center.
A "saída útil" dos próprios componentes NCPI será uma preocupação crítica mais adiante nesse relatório, na análise da eficiência individual de componente a componente um pequeno quadro de referência da eficiência em data centers para reduzir as ineficiências internas (desperdícios) no modelo de data center geral maior. Para onde vai a energia elétrica do data center? Praticamente toda a energia elétrica fornecida ao data center se transforma ao final em calor. Um diagrama mostrando para onde vai o fluxo de energia elétrica e térmica em um data center típico é apresentado na Figura 4. Esta é a análise da energia elétrica de um data center típico, com alta disponibilidade, com dois caminhos de energia elétrica com ar condicionado de sala de computadores (CRAC) com redundância de N+1, operando com uma carga típica de 30% da capacidade de projeto. (A carga de 30% e a eficiência de 30% são coincidentemente iguais nesse data center, porém não são a mesma coisa embora carga baixa e eficiência baixa estejam relacionadas, como será analisado posteriormente neste relatório.) Observe que menos da metade da alimentação de energia elétrica em um data center é fornecida realmente para as cargas de TI. O data center nesse exemplo é considerado como 30% eficiente. Figura 4 Fluxo de energia elétrica em um data center típico Oportunidades para aumentar a eficiência em data centers A eficiência em data centers pode ser aumentada de três formas: 1. Melhorar o projeto interno dos dispositivos NCPI, de modo que consumam menos energia elétrica ao executar suas funções 2. Casar o dimensionamento dos componentes NCPI mais próximo da carga de TI real ("dimensionamento correto") para que os componentes operem com uma eficiência mais elevada 3. Desenvolver novas tecnologias que reduzam a necessidade de energia elétrica para
alimentar funções de suporte de NCPI (como as técnicas de "resfriamento natural" mencionadas anteriormente) (Como será mostrado, a alternativa 2 proporciona a maior oportunidade imediata para aumentar a eficiência em data centers.) A Figura 5 ilustra que, o fato de reduzir o consumo de energia interna, aumenta a eficiência em data centers. Figura 5 Para aumentar a eficiência em data center Aumentar a eficiência de componentes Corresponder o tamanho do componente à carga de TI Usar novas tecnologias Correção de conceitos incorretos acerca da eficiência de data centers Embora a eficiência de data centers possa ser determinada empiricamente somando o consumo de energia de todos os equipamentos de TI e dividindo pela entrada total de energia elétrica do data center, a técnica usual é baseada na eficiência informada pelos fabricantes dos principais componentes como UPS e CRAC (Sistemas de ar condicionado para salas de computadores). Isto pode ser mais fácil, mas produz normalmente uma eficiência muito superestimada que obscurece qualquer informação potencialmente útil para identificar oportunidades de economia nos custos elétricos.
A eficiência de data centers é mais do que a eficiência mencionada na "plaqueta" do componente Os fabricantes fornecem dados de eficiência para equipamentos elétricos e de resfriamento. No caso de equipamentos elétricos, a eficiência é normalmente expressa como a porcentagem da potência de saída em relação à potência de entrada; para equipamentos de resfriamento, a eficiência é normalmente expressa como um parâmetro relacionado chamado de "coeficiente de desempenho" a razão entre o calor removido e a potência elétrica de entrada. Os valores de eficiência publicados para dispositivos similares por fabricantes diferentes não variam muito, levando a uma visão simplificada de que as perdas de eficiência de um data center podem ser determinadas simplesmente somando-se as ineficiências dos diversos componentes. Infelizmente esta abordagem não permite resultados precisos no caso de data centers reais. O uso das eficiências nominais dos fabricantes faz com que os usuários ou projetistas superestimem dramaticamente a eficiência e, conseqüentemente, subestimem as perdas em data centers reais. Figura 6 - Os fabricantes fornecem um valor único para a eficiência de cada componente Premissas incorretas A tabela 1 relaciona três conceitos incorretos comuns que causam erros significativos nos modelos de eficiência de data centers. Tabela 1 - Conceitos incorretos comuns sobre eficiência em data center Premissa incorreta A eficiência dos componentes elétricos e de resfriamento é constante e independente da carga de TI Os componentes elétricos e de resfriamento operam com a carga de projeto ou próximo dela O calor produzido por componentes elétricos e de resfriamento é insignificante Realidade A eficiência dos componentes especialmente das unidades de ar condicionado de salas de computadores e dos No-breaks (UPS) cai significativamente com cargas de TI menores As cargas típicas de TI são significativamente menores que a capacidade de projeto dos componentes NCPI utilizados A dissipação térmica de componentes elétricos e de resfriamento é uma carga significativa para o resfriamento e deve ser incluída ao analisar a ineficiência do sistema de resfriamento Esses erros principais se complementam entre si, particularmente com cargas de TI mais baixas, típicas na maioria dos data centers. Em função disto, as perdas elétricas em data center são subestimadas com freqüência por um fator de dois ou um fator maior ainda.
Felizmente, pode ser montado um modelo simples que incorpora as questões acima e fornece estimativas de eficiência mais confiáveis. Modelos aperfeiçoados para a eficiência de componentes Um modelo aperfeiçoado para a eficiência geral de um data center depende da precisão de modelamento dos componentes individuais, como um no-break (UPS), por exemplo. A caracterização de componentes elétricos e de resfriamento Premissa incorreta No. 1 usando um único valor de eficiência é o método comum, porém isso é inadequado para instalações reais de data center. A A eficiência dos com eficiência real de um componente como um no-break (UPS) p onentes elétricos e de resfriamento é constante e não é constante; a eficiência é função da carga de TI. independente da carga de TI A Figura 7 apresenta uma curva típica de eficiência de um no-break (UPS). Observe que próximo de cargas muito pequenas, a eficiência deste dispositivo cai para zero. Isto ocorre porque há algumas perdas, como as perdas do circuito de controle, que são independentes da carga. Essa perda constante, independente da carga, é conhecida por diversos nomes: perda sem carga, fixa, perda de shunt, tara, ou perda paralela. Este relatório usará o termo perda sem carga. A Figura 8 é uma outra visualização dos mesmos dados da Figura 7. Observe que à medida que a carga cai, o consumo interno de energia do no-break (UPS) (a "perda," mostrada como a fração vermelha de cada barra) se torna uma fração cada vez maior do total de energia elétrica, reduzindo assim o valor percentual da eficiência. Isto é devido à fração da perda sem carga, que permanece a mesma, independente da carga.
Figura 8 Efeito da perda interna do no-break (UPS) na eficiência O no-break (UPS) com os dados das Figuras 7 e 8 poderia ser descrito como tendo uma eficiência de 91%. No entanto, esta é a eficiência com carga total, ou o cenário do melhor caso. Em cargas baixas, onde a maioria dos data centers opera, dizer que este dispositivo tem uma eficiência de 91% é claramente um erro por exemplo, com 10% de carga o mesmo no-break (UPS) apresenta uma eficiência de apenas 60%. Fica demonstrado claramente que um modelo com um único parâmetro para a eficiência é inadequado nesse caso. Três tipos de perdas internas de dispositivos Uma análise cuidadosa da Figura 8 revela que a perda do dispositivo (a parte vermelha das barras) aumenta à medida que a carga aumenta. Isso se deve a uma perda extra sobrepondo-se à perda sem carga que é proporcional à carga. Pode ainda haver um componente de perda acima disso (não evidente nesse gráfico) que é proporcional ao quadrado da carga, normalmente não significativa, porém pode fazer a eficiência geral cair em cargas mais elevadas. A Tabela 2 apresenta valores típicos desses três tipos de perdas, para diversos tipos de equipamentos utilizados em um data center. As perdas são somadas na última coluna como perda total do componente.
Tabela 2 Perdas elétricas típicas de componentes NCPI expressas como uma fração da capacidade de carga total do componente Componente NCPI Perda sem carga + Perda proporcional + perda quadrática da carga = Perda total (parâmetro único) UPS 4% 5% - 9% PDU 1,5% 1,5% - 3% Iluminação 1% - - 1% Fiação - - 1% 1% Painel de distribuição - - 0,5% 0,5% Gerador 0,3% - - 0,3% Ar cond. sala comp. 9% 0-9% Umidificador 1% 1% - 2% Unidade de resfriamento 6% 26% - 32% Conforme a Tabela 2, pode ser observado que, ao caracterizar cada tipo de dispositivo usando não mais que dois parâmetros, é possível criar modelos mais completos para os componentes utilizados em data centers. Observe que as perdas nessa tabela são expressas como porcentagem da capacidade de carga total do equipamento e, em cargas reais abaixo da carga total, a perda percentual variará da seguinte forma: Perda sem carga: o percentual de perda aumenta com a redução da carga Perda proporcional: o percentual de perda é constante (independente da carga) Perda quadrática da carga: o percentual de perda diminui com a redução da carga A eficiência de um no-break (UPS) típico ilustrado nas Figuras 7 e 8 não poderia ser modelada com precisão com um único parâmetro de eficiência, porém foi modelado apropriadamente pelos parâmetros de perda sem carga (4%) e de perda proporcional (5%) da Tabela 2.
Efeito do sub-carregamento na eficiência do componente A seção anterior explica que a eficiência dos sistemas elétricos e de resfriamento cai significativamente quando os Premissa incorreta No. 2 equipamentos são utilizados abaixo do valor de projeto do equipamento. Isto significa que qualquer análise da eficiência do data center deve representar corretamente a carga como uma fração da capacidade de projeto. Os componentes elétricos e de resfriamento operam com a carga de projeto ou próximo dela Os modelos que utilizam um único valor de eficiência para modelar os equipamentos não são sensíveis à carga (a eficiência não muda com a carga nesses modelos). Ainda assim é um fato que nos data centers médios, os equipamentos elétricos e de resfriamento operam rotineiramente bem abaixo da capacidade nominal. O resultado é que tais modelos superestimam significativamente a eficiência real dos data centers. Para cada tipo de componente elétrico ou de resfriamento há quatro razões por que um componente poderia ser operado abaixo de sua capacidade nominal: A carga de TI do data center é simplesmente menor que a capacidade de projeto do sistema O componente foi superdimensionado intencionalmente para proporcionar uma margem de segurança O componente está operando com outros componentes similares em uma configuração N+1 ou 2N O componente está superdimensionado para atender a diversidade das cargas A carga de TI é menor que a capacidade de projeto do data center. A pesquisa é clara: a média dos data centers opera a 65%, abaixo do valor de projeto. Esta situação é descrita mais detalhadamente no Relatório Oficial da APC No. 37, Como evitar custos devido ao superdimencionamento do data center e da infra-estrutura da sala de rede. As próximas seções deste relatório mostrarão que a sub-utilização é um fator que contribui muito para a ineficiência de data centers. Componente superdimensionado para proporcionar uma margem de segurança. É comum superestimar os componentes em uma rotina chamada na prática de "derating" (uma redução na especificação operacional para melhorar a confiabilidade) ou reclassificação. A idéia é evitar que os componentes operem próximo do limite de suas capacidades. É possível operar instalações sem essa reclassificação, porém valores entre 10 e 20% são prática de projeto recomendada para instalações de alta disponibilidade.
Componente operando em uma configuração com redundância de N+1 ou 2N. É uma prática comum utilizar dispositivos em uma configuração N+1 ou mesmo 2N para melhorar a confiabilidade e/ou para permitir manutenção de componentes sem desligar o sistema. Operar o data center nesse tipo de configuração significa que a carga de TI é distribuída entre mais componentes NCPI, reduzindo efetivamente a carga do componente. Para um sistema 2N, o carregamento em qualquer componente simples é menor que a metade de seu valor de projeto. Portanto, a eficiência de um data center é afetada fortemente pela operação de dispositivos nas configurações N+1 ou 2N. O componente é superdimensionado para administrar a "diversidade de carga." Este efeito é sutil e melhor ilustrado por um exemplo. Considere um data center com uma carga de 1 MW alimentado por um no-break (UPS) de 1,1 MW. Entre o no-break (UPS) e as cargas de TI há 10 unidades de distribuição de energia elétrica (PDUs), cada uma alimentando uma parte das cargas de TI. A pergunta é: qual é a potência nominal de cada um desses PDUs e, portanto, com que potência estão operando para uma carga média? À primeira vista poderia parecer que se cada um tivesse uma capacidade nominal de 100 kw, o projeto do sistema poderia ser satisfatório. Além disso, se cada PDU operar à plena carga, o data center poderia operar com a carga total. No entanto, em data centers reais é praticamente impossível assegurar um equilíbrio de cargas entre as PDU. A carga em uma PDU específica é ditada pela natureza do equipamento de TI na região do data center onde a PDU está localizada. De fato, as cargas em diversas PDUs em data centers reais geralmente variam com um fator de 2. Se uma PDU alimenta uma seção do data center que é utilizada fisicamente para capacidade futura, porém ainda não está usando a capacidade total de potência desta PDU, então a capacidade restante dessa PDU não pode ser utilizada se as outras 9 PDUs estiverem totalmente carregadas. Nessa configuração, a única maneira de garantir a plena capacidade do data center é superdimensionar substancialmente a capacidade total da PDU. O superdimensionamento típico da capacidade de uma PDU é da ordem de 30% a 100%. Como nos exemplos anteriores, esse superdimensionamento degrada a eficiência do sistema. A Figura 9 ilustra a necessidade de superdimensionamento da PDU para atender a diversidade da carga. Deve ser notado que o mesmo problema que provoca o superdimensionamento da PDU também determina o superdimensionamento dos condicionadores de ar.
Figura 9 Efeito da diversidade de cargas no dimensionamento da PDU Efeito do calor proveniente dos equipamentos elétricos e de resfriamento Outro erro fundamental no modelamento da eficiência de data centers é a premissa de que a dissipação de calor dos equipamentos elétricos e de resfriamento (ineficiência) é uma fração insignificante da carga de TI e, portanto, pode ser ignorada. De fato, o calor gerado pelos equipamentos elétricos e de resfriamento dentro de um data center não é diferente do calor gerado pelos próprios equipamentos de TI, e também devem ser removidos pelo sistema de resfriamento. Isto cria uma carga extra para o sistema de resfriamento e cria a necessidade de superdimensionamento do sistema de resfriamento, que por sua vez cria mais perdas de eficiência no sistema de resfriamento. Para contabilizar corretamente essas perdas, a carga de resfriamento deve incluir tanto o os equipamentos de TI como as perdas dos dispositivos elétricos e de resfriamento localizados dentro do espaço com ar condicionado. Premissa incorreta No. 3 O calor proveniente dos componentes elétricos e de resfriamento é insignificante
Resumindo: Um modelo aperfeiçoado para a eficiência do data center Com base na análise acima, é possível montar um modelo aperfeiçoado para a eficiência de data centers. Este modelo aperfeiçoado tem os seguintes atributos: os componentes são modelados com uma perda sem carga, mais uma perda proporcional à carga, mais uma perda proporcional ao quadrado da carga O superdimensionamento devido ao derating/reclassificação do componente está incorporado A sub-utilização devido a projetos com redundância N+1 ou 2N está incorporado A carga de resfriamento inclui a carga dos equipamentos de TI e a carga térmica devido à ineficiência dos componentes internos elétricos e de resfriamento Para uma determinada instalação de data center, o modelo fornece uma saída gráfica da eficiência em função da carga, entendendo que data centers típicos operam bem abaixo da capacidade de projeto A implementação do modelo é direta e obedece ao seguinte fluxo geral: Determine o grau médio de superdimensionamento para cada tipo de componente elétrico e de resfriamento, forneça o derating/reclassificação, a diversidade e os fatores de redundância Determine as perdas operacionais de cada tipo de componente usando a carga de entrada, fração da carga nominal para o tipo de componente com base no superdimensionamento, a perda sem carga e a perda proporcional Determine a perda proporcional adicional devido a necessidade do sistema de resfriamento esfriar os equipamentos elétricos e de resfriamento dentro do data center Some todas as perdas Compute e tabule as perdas em função da carga de TI no data center Um modelo para computador baseado nesses princípios foi implementado para calcular o consumo de energia na metodologia de análise de TCO de data center, descrito no Relatório Oficial APC No. 6, Determinação do custo total de propriedade (TCO) de data centers e da infra-estrutura de sala de redes. Dispositivos com vários modos de operação Alguns subsistemas NCPI aparelhos de ar condicionado, por exemplo podem ter diversos modos de operação, com eficiências diferentes associadas a cada um deles. Por exemplo, alguns sistemas de ar-condicionado têm um modo "economizador" para períodos de temperatura externa baixa, quando a eficiência do sistema é significativamente maior. Esses dispositivos não podem ser modelados usando uma única curva de eficiência com base no modelo simples de 3 parâmetros (perda sem carga, perda proporcional e perda quadrática da carga) descrito neste relatório. Para estabelecer um modelo de eficiência para um dispositivo que opera em diversos modos é utilizada uma técnica diferente. Felizmente, essa técnica é bem conhecida e amplamente utilizada na área de engenharia.
Dispositivos que alternam entre modos diferentes de operação podem ser modelados em um período longo usando uma técnica direta chamada de "ponderação média de estado/espaço." Isto é feito determinando os períodos relativos do tempo gasto nos diversos modos e, em seguida, gerando uma média ponderada da saída do sistema. Esta técnica é aplicada facilmente em cálculos de eficiência e de perdas. Para utilizar o modelo de eficiência descrito nesse relatório em dispositivos NCPI com vários modos de operação, deve ser determinado primeiro as perdas fixas, proporcionais e quadráticas, para cada modo de operação. Em seguida, a contribuição da perda geral durante um período prolongado é calculada multiplicando-se a perda em cada modo pela fração prevista do tempo gasto em cada modo. Por exemplo, uma descrição completa de um sistema com dois modos de operação poderia exigir três curvas de eficiência: Curva de eficiência no modo 1 Curva de eficiência no modo 2 Curva da eficiência geral esperada, em função do período de tempo informado que será gasto em cada modo Eficiência de data centers no mundo real Equipado com um modelo aperfeiçoado para determinar o consumo de energia em data center, é possível fazer estimativas melhores da eficiência de data centers. Usando valores típicos para perdas de equipamentos, derating/reclassificação, diversidade de carga, superdimensionamento e fator de redundância, pode ser desenvolvida uma curva de eficiência como a da Figura 10. Figura 10 - Eficiência de um data center típico, usando o modelo aperfeiçoado 2006 American Power Conversion. Todos os direitos reservados. Nenhuma parte desta publicação pode ser utilizada, reproduzida, fotocopiada, transmitida ou armazenada em qualquer sistema de recuperação de qualquer natureza, sem a permissão escrita do detentor dos direitos autorais. www.apc.com Rev 2006-0 Página 16 / 20
Observe que esta curva de eficiência x carga é consideravelmente diferente das estimativas baseadas em cálculos convencionais que utilizam os dados de eficiência do componente publicados pelos fabricantes. Uma estimativa convencional da eficiência de data centers descrita pela Figura 10 poderia ser um valor entre 60 a 70%, independentemente da carga. Observe a redução drástica na eficiência prevista para o data center pelo modelo aperfeiçoado, particularmente em cargas mais baixas onde muitos data centers realmente operam. O modelo mostra que, em data centers com pouca carga, a ineficiência pode ser dramática. Por exemplo, em um determinado data center carregado com apenas 10% de sua capacidade nominal, para cada dez watts fornecidos ao data center apenas um watt aproximadamente chega nos equipamentos de TI. Os nove watts restantes são perdidos em ineficiências na infra-estrutura física da rede crítica. Outra maneira de olhar para essas perdas é em termos do custo financeiro. A Figura 11 mostra o custo anual de eletricidade de um data center de 1 MW em função da carga de TI. Isto é baseado em um projeto típico de alta disponibilidade, com caminho duplo de energia elétrica e unidades de ar condicionado para sala de computadores (CRAC) com redundância de N+1. Foi presumido um custo de eletricidade de $0,10 por kwh para esta análise. Figura 11 - Custo elétrico anual para um data center típico de 1 MW em função da fração da capacidade de projeto utilizada 2006 American Power Conversion. Todos os direitos reservados. Nenhuma parte desta publicação pode ser utilizada, reproduzida, fotocopiada, transmitida ou armazenada em qualquer sistema de recuperação de qualquer natureza, sem a permissão escrita do detentor dos direitos autorais. www.apc.com Rev 2006-0 Página 17 / 20
A Figura 11 mostra que o custo total de eletricidade em um data center de 1MW varia entre $600.000,00 a $1.700.000,00 por ano, em função do tamanho da carga de TI. Observe que, mesmo se não houver carga de TI o custo é maior que $500.000,00 por ano, determinado pelas ineficiências dos sistemas elétricos e de resfriamento. Em um nível de utilização de 30% da capacidade de um data center típico, acima de 70% dos custos da eletricidade são causados por ineficiências dos equipamentos elétricos e de resfriamento. Potencial de maior eficiência no data center O modelo mostra claramente que os fatores primários dos custos elétricos dos data centers são as perdas sem carga dos componentes da infra-estrutura, que ultrapassam o consumo de energia da carga de TI em situações típicas. É notável que as perdas sem carga são ignoradas na análise convencional; de fato, um exame nas especificações de produtos mostra que informações importantes sobre a perda sem carga de dispositivos elétricos e de resfriamento não são fornecidas rotineiramente pelos fabricantes dos equipamentos. Uma análise dos dados pode identificar e classificar rapidamente oportunidades para reduzir perdas e melhorar a eficiência operacional de data centers: Disparadamente, a maior oportunidade para economizar é reduzir o superdimensionamento dos data centers usando uma arquitetura modular adaptável que permita que a infra-estrutura elétrica e de resfriamento cresça com a carga. Redução potencial das perdas: 50%. Melhorar a eficiência dos sistemas de resfriamento. Redução potencial das perdas: 30% Redução das perdas sem carga dos componentes elétricos e de resfriamento no data center. Redução potencial das perdas: 10% A Figura 12 ilustra as possibilidades relativas de ganho de eficiência, a partir da eficiência melhorada de um componente e da redução do superdimensionamento. Uma análise mais detalhada dos potenciais de ganho de eficiência e das oportunidades de melhoria na eficiência é apresentada no Relatório Oficial APC No. 114, "Implementação de data center eficientes em termos energéticos". 2006 American Power Conversion. Todos os direitos reservados. Nenhuma parte desta publicação pode ser utilizada, reproduzida, fotocopiada, transmitida ou armazenada em qualquer sistema de recuperação de qualquer natureza, sem a permissão escrita do detentor dos direitos autorais. www.apc.com Rev 2006-0 Página 18 / 20
Figura 12 Potencial de melhoria na eficiência de data center Conclusão Modelos convencionais de eficiência em data centers normalmente superestimam a eficiência porque não tem a percepção correta do grau de superdimensionamento dos equipamentos, nem levam em conta a redução da eficiência em cargas reduzidas na qual a maioria dos data centers opera. Um modelo aperfeiçoado fornece valores numéricos mais precisos para a eficiência de data centers, e também uma compreensão sobre onde vão parar as perdas e como elas podem ser reduzidas. Data centers típicos consomem mais de duas vezes a potência que as cargas de TI exigem. O custo associado a esse consumo de energia é uma fração considerável do custo total de propriedade do sistema. Toda a energia elétrica consumida além da energia necessária para os equipamentos de TI é indesejável e grande parte dela pode ser evitada. 2006 American Power Conversion. Todos os direitos reservados. Nenhuma parte desta publicação pode ser utilizada, reproduzida, fotocopiada, transmitida ou armazenada em qualquer sistema de recuperação de qualquer natureza, sem a permissão escrita do detentor dos direitos autorais. www.apc.com Rev 2006-0 Página 19 / 20
O superdimensionamento de data centers é o maior contribuinte individual para a ineficiência do data center, sugerindo que soluções escaláveis, que podem crescer com a carga de TI, oferecem uma oportunidade importante para reduzir os desperdícios e os custos elétricos. As economias potenciais com o custo de eletricidade de um data center típico de 1 MW são da ordem de $2.000.000,00 a 4.000.000,00 ao longo de uma vida útil típica de 10 anos das instalações. Devido à grande quantidade de energia elétrica e do custo consumido pela ineficiência dos data centers, a redução dessas perdas deveria ser um tema de importância fundamental para todos os proprietários de data centers e também uma questão significativa de política pública. Sobre o autor: Neil Rasmussen é o Principal Executivo Técnico da APC-MGE. Neil define as instruções de tecnologia para o maior orçamento de P&D do mundo dedicado à energia elétrica, resfriamento e infra-estrutura de racks para redes críticas. Neil dirige atualmente as pesquisas na APC-MGE para desenvolver soluções modulares e escaláveis de alta eficiência para infra-estrutura de data centers e é o principal arquiteto do sistema InfraStruXure da APC-MGE. Antes de fundar a APC em 1981, Neil recebeu seus diplomas de graduação e de mestrado em engenharia elétrica do MIT onde apresentou sua tese sobre a análise de uma fonte de alimentação de 200 MW para o reator de fusão Tokamak. De 1979 a 1981 trabalhou nos laboratórios Lincoln do MIT em sistemas de armazenamento de energia em volantes de inércia e em sistemas de energia elétrica solar. 2006 American Power Conversion. Todos os direitos reservados. Nenhuma parte desta publicação pode ser utilizada, reproduzida, fotocopiada, transmitida ou armazenada em qualquer sistema de recuperação de qualquer natureza, sem a permissão escrita do detentor dos direitos autorais. www.apc.com Rev 2006-0 Página 20 / 20