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Datacenter
 

27/02/2017

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di Michele Ciceri

Green computing nel data center

Il consumo energetico da parte di hardware e infrastrutture IT è in continuo aumento. Agli ambienti che alloggiano i rack si richiedono disponibilità e scalabilità ma anche efficienza, con un’attenzione crescente agli impatti ambientali.

L’osmosi tra energia e tecnologie ICT ha portato a due scenari: quello dell’ICT per l’efficienza energetica e quello dell’efficienza energetica nelle ICT. L’Information Communication Technology consente di ottenere risparmi energetici in molteplici settori, ma server, computer e stampanti consumano a loro volta energia in quantità significative. Secondo i ricercatori dell’Enea, le apparecchiature e i servizi delle tecnologie dell’ICT sono responsabili di circa l’8% del consumo di elettricità nell’Unione Europea e di circa il 4% della CO2 emessa in atmosfera. Per questo motivo, da anni ormai, nel mondo dell’IT si è iniziato a parlare con crescente convinzione di green computing per definire le politiche di risparmio ed efficienza energetica.

Risparmio energetico e data center

Nell’ambito del green computing, la parte più importante in termini di consumi riguarda i data center. Sebbene l’adozione di nuove soluzioni abbia portato significativi incrementi di efficienza, oggi i data center (DC) hanno sempre più bisogno di energia. Il motivo è l’aumento dei servizi web, di software di calcolo di ogni tipo, di sistemi di assistenza computerizzata legati a molteplici applicazioni, e di big data provenienti da apparati Internet oh Things connessi a una sensoristica sempre più capillare. L’Enea ha stimato che i data center sono responsabili di circa il 18% del consumo di energia del settore ICT (dati 2016) con tassi di crescita delle emissioni di CO2 di circa il 7% annuo. È prevedibile che, considerata la crescente diffusione di ‘informatica avanzata’ in tutti i settori, i valori legati allo sviluppo dei DC cresceranno con ritmi superiori a quelli di tutte le altre tecnologie ICT. In virtù dell’importanza di questo settore e, soprattutto, della sua dinamica, c’è un notevole fermento attorno al tema dell’efficienza energetica del data center, come testimonia anche l’introduzione da parte della Commissione Europea di uno specifico codice di condotta e di raccomandazioni riferite ai centri di calcolo. Allo stato dell’arte, i contenuti e le testimonianze che raccogliamo nel corso dei convegni di Soiel sull’energy management e sul data center - al pari delle sempre più numerose raccolte di buone pratiche che documentano casi di successo - ci fanno dire che le tecnologie per il risparmio energetico nel data center sono a portata di mano. A seconda della complessità del progetto, come sottolinea la relazione di PrimeEnergyIT pubblicata nell’ambito di un progetto europeo, i costi di investimento possono essere abbastanza ridotti e con breve tempo di ritorno, soprattutto per i casi in cui è possibile includere tali misure nei cicli standard di rinnovo di apparecchiature e infrastrutture.

Disponibilità, scalabilità ed efficienza
Le sfide di un moderno data center sono la disponibilità, la scalabilità e l’efficienza energetica. Quest’ultima si misura principalmente con la metrica di valutazione standard dell’indice PUE (Power Usage Effectiveness), ma anche con metriche che vanno oltre il rapporto tra consumi e valutano l’impatto sull’ambiente. Per esempio l’indice CUE (Carbon Usage Effectiveness) oppure il valore WUE (Water Usage Effectiveness), utili soprattutto quando l’energia elettrica necessaria al funzionamento del data center proviene in tutto o in parte da fonti rinnovabili. La PUE è il rapporto tra la potenza complessivamente assorbita dal data center ( total data center energy) e la potenza utilizzata dagli apparati IT (IT equipment energy). Se la PUE coincide con il valore minimo ‘uno’ significa che tutta l’energia è assorbita dai soli componenti IT (la situazione di massima efficienza ideale), mentre tutto ciò che va oltre ‘uno’ è inefficienza e rappresenta la misura dell’energia che viene usata per alimentare i sistemi di supporto e la struttura fisica. La media attuale del valore PUE nei data center di tutto il mondo è compresa tra 1,8 e 1,89 secondo i dati di Uptime Insitute. Secondo altri studi recenti, si scende a 1,5 prendendo in considerazione i soli data center di grandi dimensioni di nuova realizzazione. Spicca il record di Facebook con PUE 1,07 nel data center di Priveville (Usa), e di Google con un PUE medio di 1.2 che scende a 1.1 negli impianti più recenti.

Il data center di Esselunga
Tra i data center di medie dimensioni oggetto di interventi per l’efficientamento energetico c’è anche il caso italiano di Esselunga, documentato dal dipartimento di Energia del Politecnico milanese tra gli esempi di buone pratiche nello sudio PrimeEnergyIT. In sintesi, dopo una prima valutazione di sistemi esistenti e altre opzioni, al management di Esselunga è sembrata necessaria la creazione di un nuovo data center. Gli interventi eseguiti nella struttura esistente hanno migliorato la sensibilità di tutto il personale IT riguardo le misure di efficienza: il passo successivo è stato quello di dedicare una nuova sezione di edificio a una nuova infrastruttura IT efficiente, affidabile e di lunga durata con 110 server in 43 rack per un carico elettrico di 80 kW (livello di Tier III/IV). L’attenzione si è concentrata soprattutto sulle soluzioni efficienti di raffreddamento, considerato che il loro tempo di ammortamento è più breve della durata prevista delle nuova infrastruttura (circa quattro anni contro dieci). L’analisi dei carichi previsti e le condizioni climatiche hanno reso possibile l’adozione di chiller ad acqua con free cooling per 6.000 ore annue. La nuova costruzione del data center, rispetto all’esistente, ha reso possibile la divisione tra servizi IT differenti (server, mainframe, storage e di rete) al fine di gestire in modo più efficiente le condizioni ambientali. Le unità chile sono state poste sul lato nord dell’edificio al fine di ottimizzare l’efficienza del free cooling (economizzatori): sotto i diciassette gradi centigradi di temperatura esterna la richiesta di raffreddamento con compressori è ridotta ed è disattivata sotto i dieci gradi centigradi. Nella zona dei rack, suddivisi in cinque isole, il processo di raffreddamento è condotto con unità in now e ottimizzato con il contenimento del corridoio caldo. L’efficacia di raffreddamento in ogni condizione di carico è stata simulata con un software di simulazione fluidodinamica. Nel caso di Esselunga, il coinvolgimento del personale IT e dei tecnici nella fase di acquisto è risultato un fattore chiave. Le barriere tra personale IT e ufficio tecnico rappresentano infatti uno dei maggiori ostacoli all’efficienza nei data center. Il mercato offre una varietà di soluzioni efficienti per i data center: la combinazione di capacità ed esperienza di tutto lo staff di Esselunga ha reso possibile la corretta selezione dei sistemi da installare. Nel processo di approvvigionamento sono stati presi in considerazione tutti gli aspetti in materia di efficienza. Le caratteristiche tecniche di ognuno dei componenti sono state valutate con la supervisione dei responsabili IT in qualità di coordinatori del processo al fine di raggiungere l’obiettivo fissato dall’amministratore delegato. Da un valore di 1,85 della vecchia struttura si è passati a 1,30 in quella nuova, con un utilizzo IT medio che è rimasto invariato al 30% a fronte di un picco massimo al 50%.

Come rendere efficiente un data center
Tra le tecnologie utilizzate per ridurre i consumi energetici e aumentare l’efficienza dei data center ci sono i sistemi di controllo adattivi, che riducono il consumo di energia e aumentano la capacità di raffreddamento attraverso la gestione del flusso d’aria attivo, utilizzando sensori intelligenti distribuiti e politiche di controllo innovative. Le linee guida termiche ASHRAE sono utilizzate come riferimento nei nuovi impianti per ottimizzare le temperature interne. Questo riduce il consumo di energia per il raffreddamento, mantenendo una temperatura operativa di sicurezza per le apparecchiature informatiche. Importante è il contenimento del freddo e del caldo. Le migliori tecniche ricorrono a barriere fisiche per ridurre la miscelazione di aria fredda nei corridoi di alimentazione dei data center con l’aria calda nelle corsie di scarico. Da ciò deriva un minore consumo energetico e un raffreddamento più efficace. Altrettanto importanti sono i sistemi di illuminazione ad alta efficienza energetica, quelli migliori utilizzano controlli attivati col movimento per ridurre il consumo di energia e il calore ambientale causati dalle luci accese. Infine ci sono gli azionamenti a frequenza variabile utilizzati in refrigeratori, pompe e ventilatori nei sistemi Hvac per risparmiare energia, riducendo automaticamente la velocità e l’assorbimento di potenza di un motore in correlazione a carichi di sistema più bassi.

Transizione energetica verso le rinnovabili
Sul tema dell’efficienza nei data center la Commissione Europea ha lanciato qualche anno fa, nell’ambito del settimo programma quadro, l’obiettivo: ICT-2013.6.2, la cui sfida riguardava lo sviluppo di tecnologie volte a massimizzare la quota di energie rinnovabili impiegate da un DC, all’interno del contesto di smart city. Nell’ambito di quest’obiettivo specifico, la CE ha approvato il progetto DC4Cities1: An environmentally sustainable data centre for Smart Cities, che ha visto la partecipazione di 10 partner provenienti da Germania, Francia, Belgio, Spagna e Italia, compreso l’Enea. L’obiettivo principale del progetto DC4Cities è stato quello di rendere eco-friendly i data center esistenti e quelli di nuova generazione ovvero di adattare il consumo dei singoli data center alla disponibilità di energia rinnovabile, puntando a ottenere una quota di rinnovabili pari all’80% dei consumi, garantendo allo stesso tempo la qualità dei servizi. Il driver del progetto è stato quello di creare una filosofia di data center che fosse energy-adaptive, cioè che adattasse il carico di lavoro ottimizzando il consumo di energia elettrica in base alla disponibilità della stessa, senza imporre modifiche alla logistica e senza sacrificare la qualità dei servizi erogati agli utenti. L’ottimizzazione dei consumi è stata garantita grazie allo sviluppo di specifiche soluzioni software e all’utilizzo del cloud compunting, mentre la misurazione del livello di efficienza energetica è stata assicurata dalla messa a punto di metriche, KPI e dallo sviluppo di dispositivi per la previsione della disponibilità di energia da fonti rinnovabili.
Anche se l’80% di rinnovabili inizialmente fissato dalla Commissione si è dimostrato un target difficilmente raggiungibile, con l’utilizzo della soluzione DC4Cities i data center possono arrivare a raddoppiare la quota di energia rinnovabile, la sostenibilità ambientale dei DC è migliorata anche grazie a specifiche soluzioni che offrono l’opportunità di utilizzare fonti rinnovabili differenti, sfruttando il collegamento tra centri presenti in aree geografiche diverse. Tutto questo è stato possibile grazie allo sviluppo di sistemi in grado di aggiornare in tempo reale le informazioni riguardanti la disponibilità di energia che si basano su dati relativi alle previsioni del tempo e all’energia prodotta su scala locale. Grazie al successo delle sperimentazioni, le soluzioni messe a punto potrebbero essere distribuite e applicate in diversi data center esistenti e di nuova generazione, contribuendo così alla riduzione dei consumi e dell’impatto sull’ambiente di strumenti centrali nella gestione delle Smart City. Le attività svolte hanno anche riguardato la progettazione e lo sviluppo di componenti software che, integrati nel sistema centrale dell’architettura DC4Cities, hanno il compito di analizzare i piani in esecuzione nel sistema e valutarne lo stato in base agli obiettivi energetici preposti. Enea è stata coinvolta nella progettazione di un componente che riceve in input l’insieme di attività pianificate nel sistema per il giorno in corso (short term) e per il successivo (long term) e restituisce una valutazione basata su due aspetti: il primo è di tipo energetico e si basa sull’obiettivo di percentuale di energie rinnovabili utilizzate per eseguire le attività, mentre il secondo è basato sulle performance e va a verificare, per ogni attività, il raggiungimento o meno degli obiettivi. La valutazione avviene a granularità fine a livello di singolo time slot con 15 minuti di default.

 
TAG: Energy

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