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
Realidade
A eficiência dos componentes elétricos e
de resfriamento é constante e
independente da carga de TI
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
Os componentes elétricos e de
resfriamento operam com a carga de
projeto ou próximo dela
As cargas típicas de TI são significativamente menores que
a capacidade de projeto dos componentes NCPI utilizados
O calor produzido por componentes
elétricos e de resfriamento é
insignificante
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
A eficiência dos
isso é inadequado para instalações reais de data center. A
componentes elétricos e de
eficiência real de um componente como um no-break (UPS)
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%
1%
-
-
1%
Fiação
-
-
1%
1%
Painel de
distribuição
-
-
0,5%
0,5%
0,3%
-
-
0,3%
Ar cond.
sala comp.
9%
0
-
9%
Umidificador
1%
1%
-
2%
Unidade de
resfriamento
6%
26%
-
32%
Iluminação
Gerador
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
Premissa incorreta No. 2
elétricos e de resfriamento cai significativamente quando os
equipamentos são utilizados abaixo do valor de projeto do
equipamento. Isto significa que qualquer análise da eficiência Os componentes elétricos e de
do data center deve representar corretamente a carga como resfriamento operam com a carga
de projeto ou próximo dela
uma fração da capacidade de projeto.
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.
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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
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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,
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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.
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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.
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