Alimentation électrique et refroidissement pour racks et serveurs

Alimentation électrique
et refroidissement pour
racks et serveurs
lame de très haute
densité
par Neil Rasmussen
Livre blanc n° 46
Revision 2
Résumé
Une puissance de rack de 10 kW par rack ou plus peut être atteinte en déployant certains
équipements informatiques, tels que des serveurs lame. De sérieux défis se posent alors
dans les domaines du refroidissement et de l’alimentation pour des environnements de
centres de données où la consommation électrique moyenne de l’industrie est inférieure à
2 kW par rack. Ce document décrit des stratégies de planification permettant de gérer des
racks de très haute densité, ainsi que des solutions pratiques pour des centres de données
nouveaux ou existants.
©2004 American Power Conversion. Tous droits réservés. Aucune partie de ce document ne peut être utilisée, reproduite, photocopiée,
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Introduction
La puissance consommée par l’équipement d'une simple baie informatique peut considérablement varier. La
puissance consommée en moyenne par baie dans un centre de données est d’environ 1,4 kW, mais la
puissance maximale pouvant être obtenue en remplissant un rack avec des serveurs haute densité, tels que
des serveurs lame, est d’environ 18 kW. De telles charges dépassent largement les capacités théoriques
d’alimentation et de refroidissement des centres de données standard.
Les techniciens de centres de données ont une expérience très limitée en matière de baies informatiques
pouvant gérer plus de 10 kW, mais les récentes tendances suggèrent que bon nombre d’entres eux seront
confrontés à la nécessité d’installer et de fournir des systèmes d’alimentation et de refroidissement pour
racks de haute densité que ce soit par racks individuels ou groupés.
La solution la plus simple à ce problème serait de proposer un centre de données qui puisse fournir 18 kW
de puissance et de refroidissement redondants pour chaque baie. Malheureusement, dans la plupart des
cas, ceci n’est simplement ni techniquement possible ni économiquement intéressant. Faire de mauvais
choix lors de la spécification d’un centre de données destiné à des opérations de haute densité peut
augmenter inutilement et considérablement les coûts de cycle de vie d’une infrastructure physique. L’objectif
de ce document est de présenter des stratégies pratiques et efficaces permettant de déployer des baies et
des serveurs lame de haute densité.
Nous passerons tout d’abord en revue le concept de densité électrique. Puis, nous examinerons les valeurs
réelles de densité électrique pour des centres de données actuels et à venir. Les approches pratiques
permettant d’atteindre des hautes densités seront ensuite présentées, ainsi que leurs limites et avantages.
Enfin, des stratégies logiques et pratiques de déploiement de solutions informatiques de haute densité
seront proposées.
Définition claire de la densité électrique pour un centre
de données
De très importants malentendus peuvent survenir lorsque l’on décrit la densité électrique, car la signification
du terme « densité électrique » est ambiguë. La densité électrique est souvent exprimée en Watts par m2 ou
en Watts par baie. Cette description simple est suffisante lorsque la puissance consommée par toutes les
baies est la même. Cependant, dans un centre de données réel, la puissance par baie informatique varie
considérablement. Dans ces cas réels, les densités électriques mesurées au niveau du rack, au niveau de la
rangée et au niveau de la pièce peuvent énormément varier. Cette variation de la densité électrique
mesurée au niveau de la baie, de la rangée et de la pièce a un impact important sur la structure du système
d’alimentation et un impact encore plus considérable sur la structure du système de refroidissement.
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Les différences de densité électrique mesurées au niveau du rack, de la rangée et de la pièce sont
présentées dans le schéma n°1. Dans ce schéma, des baies de 12 kW sont installées dans une pièce
typique. Dans l’un des cas, 15 % des baies de la pièce nécessitent 12 kW et le reste 1 kW. Dans le
deuxième cas, le même pourcentage de baies utilisent 12 kW, mais elles sont rassemblées dans une même
rangée. Dans le troisième cas, toutes les baies de la rangée utilisent 12 kW. Dans chacun des cas, la
densité électrique maximale est la même, 12 kW par rack, ce qui correspond à 5,2 kW / m2. En revanche,
les densités électriques de la rangée et de la pièce varient considérablement d’un cas à l’autre.
Schéma n°1 – Densité électrique en Watts par unité de surface, par rack, par rangée et par pièce
pour trois configurations de pièce différentes
Cas n° 1
Max Rack : 5,2 kW / m2
Max Rangée : 1,6 kW / m2
Pièce : 1,1 kW / m2²
Cas n° 2
Max Rack : 5,2 kW / m2
Max Rangée : 3,3 kW / m2
Pièce : 1,1 kW / m2²
Cas n° 3
Max Rack : 5,2 kW / m2
Max Rangée : 5,2 kW / m2
Pièce: 5,2 kW / m2²
Racks à 12 kW ; autres racks à 1 kW
Les différences entre les densités électriques de rack, de rangée et de pièce illustrées dans le schéma n°1
sont représentatives de diverses installations existantes. Ces différences affectent sérieusement la
conception des infrastructures d’alimentation et de refroidissement. Le régime final d’un système
d’alimentation ou d’un système de refroidissement est simplement la somme globale de la puissance
consommée par les charges. Ceci permet déterminer facilement la taille totale des onduleurs et des
climatiseurs de salles informatiques. Le problème principal lié à la variation et aux valeurs maximales de
densité électrique dépend de la distribution de l’alimentation et de l’air au sein du centre de données.
Notez que les descriptions de densité ci-dessus sont exprimées en termes de surface totale au sol, incluant
les espaces tels que les allées qu’il convient d’ajouter à l’encombrement au sol des baies informatiques. Il
s’agit de la méthode la plus fréquemment utilisée pour décrire la densité et nous utiliserons cette
terminologie tout au long de ce document. Cependant, d’autres sources d’information, surtout en
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provenance des fabricants informatiques, décrivent la densité en Watts par unité de surface, où la surface
est limitée à l’encombrement au sol des baies informatiques. De tels chiffres de densité basés sur
l’encombrement au sol de l’équipement doivent être ajustés en les diminuant d’environ 75 %.
Capacité réelle de la densité électrique des centres de
données actuels
APC et d’autres entreprises ont mené des sondages auprès de concepteurs et d’opérateurs de centres de
données afin de déterminer les densités électriques de fonctionnement actuelles ainsi que les limites de
conception des grandes salles réseau et centres de données nouveaux et existants. Le tableau 1 présente
les résultats de l’enquête menée en 2002 auprès de sources variées : entreprises, techniciens de support,
ingénieurs et consultants. La valeur de la densité électrique globale par baie trouvée correspond étroitement
aux valeurs obtenues lors de récents sondages menés par l’Université de Californie de Berkeley1.
Tableau 1 – Résultat d’une enquête sur la densité électrique initialement prévue et actuelle des
centres de données
Caractéristiques
Moyenne des
centres de
données
90 % des centres
de données sont
<à
Exemple
maximum
trouvé
Densité électrique de conception
0,38 W / m2
0,65 W / m2
2,17 W / m2
Densité électrique réelle de fonctionnement
0,27 W / m2
0,43 W / m2
1,63 W / m2
Densité électrique de conception par baie
1,1 kW / baie
1,8 kW / baie
6 kW / baie
Densité électrique globale réelle par baie
1,3 kW / baie
2 kW / baie
4 kW / baie
Puissance moyenne réelle par baie dans les
rangées de baies de plus haute densité des
centres de données
2 kW / baie
3 kW / baie
5 kW / baie
Baie de centres de données de plus haute
puissance réelle
3 kW
6 kW
7 kW
Remarque : les baies incluent les baies pour racks et les baies pour équipement, telles que les unités de stockage à
accès direct et les macro-ordinateurs. Les équipements de taille supérieure aux baies de racks sont comptés comme
plusieurs baies de racks de même encombrement au sol.
Ces données indiquent que la densité électrique de conception pour des centres de données est en
2
2
moyenne de 0,38 W / m , correspondant à 1,1 kW par baie si l’on considère une baie de 0,32 m . Le
résultat d’une puissance réelle moyenne par baie supérieure à la valeur de conception est possible, car, en
2
général, la densité par baie de 0,32 m n’est pas atteinte. Ceci est principalement possible du fait que les
1
Mitchell-Jackson, J.D., Koomey, J.G., Nordman, B., Blazek, M., “Data Center Power Requirements:
Measurements From Silicon Valley” (Besoins électriques des centres de données : mesures de la Silicon
Valley), 16 mai 2001. Mémoire de maîtrise, Département Energy and Resources, Université de Californie.
Berkeley, Californie.
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centres de données ne sont pas entièrement remplis de baies. Par exemple, un centre de données ayant
2
une densité électrique de conception par baie de 1,1 kW pour des baies de 0,38 m peut engendrer une
densité électrique par rack de 2, 2 kW par baie si les baies n’utilisent que la moitié de l’encombrement au sol
disponible.
Notez que ces données concernent uniquement des environnements de production. Des densités
électriques moyennes et maximales quelque peu supérieures ont été obtenues pour des environnements de
développement et de test.
Le schéma n°2 représente la distribution de la fréquence de la consommation électrique par rack basée sur
des données provenant de sondages2. Ceci fournit des indications supplémentaires sur les sources de
densité électrique. Chaque colonne représente le pourcentage de racks ayant une utilisation électrique
comprise dans une fourchette de 500 Watts précédant la valeur indiquée pour la colonne. Par exemple, la
colonne 1,5 kW représente les baies utilisant une puissance électrique entre 1 kW et 1,5 kW.
Remarquez que dans le schéma n°2, un nombre important de baies des centres de données standard
utilisent moins de 500 W. Ces baies incluent des panneaux de raccordement et des racks comprenant des
bypass et des serveurs de faible densité. La plupart de ces racks incluent également un important espace
vertical ouvert non utilisé.
Remarquez en outre dans le schéma n°2 que le nombre de baies nécessitant une puissance supérieure à
2 kW diminue spectaculairement et qu’aucune baie nécessitant plus de 8 kW n'a été trouvée.
2
Ces données sont plus difficiles à obtenir que les données du Tableau 1, car les instruments de mesure de
la puissance par rack ne sont pas présents dans la plupart des centres de données. Dans de nombreux cas,
les données ont dû être estimées à partir des données de puissance réelle pour un groupe de racks, que l’on
a réparties proportionnellement entre les baies à l'aide des données de consommation précises de
fournisseurs qu’APC détient et utilise dans ses outils de définition de taille d'onduleurs.
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Schéma n°2 – Distribution de la fréquence de la consommation électrique réelle des baies de
racks, montrant la relation avec les configurations de rack maximales possibles
30%
>90 % des
capacités
des
nouveaux
centres de
données
25%
% de baies
20%
Limite
de
Gartner
Maxi
serveurs
1U
Maxi
serveurs
lame
Données réelles
2002
moy. = 1,5 kW
15%
10%
5%
0%
0,5
1,5
2,5
3,5
4,5
5,5
6,5
7,5
8,5
9,5
10,5 11,5 12,5 13,5 14,5 15,5
Puissance par rack en kW
Dans le schéma n°2, plusieurs lignes de référence sont superposées aux valeurs de consommation
électrique réelle par baie. La première paire de lignes de référence indique la fourchette de densité
électrique moyenne pour laquelle les nouveaux centres de données sont conçus, basée sur un sondage
effectué auprès d’ingénieurs consultants.
2
La ligne intitulée « limite de Gartner » représente la valeur de 3,25 W / m suggérée pour la conception de
nouveaux centres de données par les recherches Gartner dans leur rapport de février 2003 intitulée « Power
and Heat in the Modern Data Center » (puissance et chaleur dans les centres de données modernes).
Remarquez que cette valeur dépasse largement la valeur des centres de données actuels ainsi que les
valeurs pour lesquelles les nouveaux centres de données sont réellement conçus. De telles densités sont
souvent mentionnées dans la presse comme valeurs de conception appropriées.
Les deux lignes suivantes représentent les densités électriques pouvant être obtenues en remplissant des
baies informatiques avec les serveurs de plus haute densité maximale existants à ce jour, les serveurs de
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1U et les serveurs lame. Ces valeurs dépassent largement les valeurs de conception des nouveaux centres
de données et les valeurs réelles des centres de données existants. Bien que les serveurs lame peuvent
présenter des puissances par rack supérieures aux serveurs 1U, il est important de noter qu'à ces densités
électriques les serveurs lame fournissent environ deux fois plus de serveurs que les serveurs 1U, ce qui
suppose que l’utilisation électrique des serveurs lame est environ 40 % inférieure à celle des serveurs 1U
conventionnels.
De ces données peuvent être déduites les observations suivantes :
•
La plupart des baies de centres de données fonctionnent à une puissance inférieure à la
valeur de conception des centres de données.
•
L’équipement informatique de haute densité n’est en fait pas installé à la densité maximale
pouvant être atteinte.
•
Les valeurs de densité électrique mentionnées fréquemment dans la presse ne sont atteintes
par pratiquement aucun des centres de données actuels ni d’un avenir proche.
Dans le cadre de ce document, le terme « haute densité » fera référence aux baies de plus de 3 kW, où la
valeur de 3 kW correspond à la limite supérieure de la fourchette de capacité moyenne de refroidissement
des centres de données actuels.
Besoins d’alimentation et de refroidissement des baies
de haute densité
Un exemple de baie de très haute densité serait une installation de serveurs lame consistant en six
machines serveurs lame de 7U sur un rack de 42U, chaque châssis de lame consommant 3 kW pour un
besoin total de 18 kW. Ceci signifie que 18 kW d'alimentation et 18 kW de refroidissement doivent être
fournis à la baie. Un système de ce type serait normalement considéré comme un système vital aux
opérations et une redondance de l’alimentation et du refroidissement serait nécessaire.
Besoins électriques
D’un point de vue électrique, ce système nécessiterait probablement douze circuits d’alimentation de 30 A à
208 V ou 230 V (deux pour chaque châssis de lame à deux câbles ; partager un circuit entre deux serveurs
placerait les charges d’un circuit individuel trop près du seuil de disjonction). Le câblage associé à ce circuit
serait encombrant et nécessiterait normalement d’être placé au dessus des racks pour éviter de bloquer la
diffusion de l’air dans le faux-plancher (dans le cas de l’utilisation d’un faux-plancher). Ce serait d’autant plus
le cas si plusieurs baies de ce type se trouvaient à proximité les unes des autres. En revanche, si un fauxplancher était utilisé, la profondeur du faux-plancher pourrait être augmentée pour recevoir le câblage. Dans
les deux cas, un câblage supplémentaire important devrait être installé, ce qui serait compliqué et onéreux
dans le cas d’un centre de données opérationnel. Ces méthodes permettent de fournir une alimentation
redondante à des racks de très haute densité.
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Besoins de refroidissement
Refroidir une baie de très haute densité est un défi bien plus épineux que de l’alimenter en électricité. Le
système de serveurs lame décrit ci-dessus nécessiterait environ 1,180 L/s d’air frais en admission (valeur
basée sur la valeur commune d’une augmentation de la température de l’air rejeté de 11°C) et rejetterait la
même quantité d’air réchauffé à l'arrière de la baie. Cet équipement consommerait ce volume d’air que le
système de refroidissement puisse ou non le fournir. Si la pièce n’était pas capable de fournir cette quantité
d’air frais à la baie, cette dernière utiliserait son propre air chaud rejeté (ou l’air rejeté de l’équipement voisin)
et finirait par surchauffer. Quatre éléments clés doivent être considérés pour atteindre les performances
souhaitées de refroidissement :
•
Fournir 1 180 L/s d’air frais à la baie
•
Évacuer 1 180 L/s d’air chaud rejeté par la baie
•
Garder l’air chaud rejeté loin de l’admission d’air de l’équipement
•
Fournir toutes ces fonctions d’une manière redondante et ininterrompue
Chacune de ces fonctions est très difficile à obtenir. Ces difficultés sont présentées dans les sections
suivantes.
Fourniture de 1 180 L/s d’air frais à la baie
Un centre de données standard dispose d’une dalle ventilée pour chaque baie. Le sol ventilé typique d’un
centre de données standard est capable de fournir environ 142 L/s d’air frais à la baie. Ceci signifie qu’une
baie de 18 kW nécessite 8 dalles ventilées, c'est-à-dire 8 fois plus que la valeur normale. La largeur des
allées ainsi que l’espacement des racks devraient alors être significativement augmentés afin de pouvoir
installer 8 dalles ventilées par baie. Ceci n’est pas possible dans un centre de données standard.
Le schéma n°3 présente la capacité de la puissance de refroidissement d’une dalle en fonction de la
circulation de l’air par dalle. Alors que la puissance de refroidissement augmente avec la circulation de l’air,
la figure montre que les capacités d’une circulation de l’air élevée deviennent irréalisables. La figure indique
que l’obtention d’une circulation de l’air par dalle supérieure à 142 L/s nécessite un faux-plancher étudié,
l’installation d’une climatisation centrale de salle informatique et le contrôle des obstacles à la circulation de
l’air existant sous le plancher, tels que des tuyaux et des câbles. Obtenir une circulation de l’air par dalle
supérieure à 236 L/s nécessite l’utilisation de dalles spéciales conçues sous forme de grilles métalliques
ouvertes. Elles peuvent fournir jusqu’à 330 L/s par dalle dans un centre de données standard. Cependant,
l’utilisation de ces grilles modifie considérablement les courbes de pression du sous plancher et influe sur la
circulation de l’air dans les régions voisines. Quand plusieurs de ces grilles sont utilisées, la pression locale
sous le faux-plancher tombe et la circulation de l’air totale n’est plus effectuée. Pour augmenter encore la
circulation de l’air et équilibrer la pression du sous plancher, la profondeur du faux-plancher doit encore être
significativement augmentée, ce qui rend finalement d’autres augmentations de la circulation de l’air par
dalle impossible.
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Schéma n°3 – Capacité disponible de refroidissement des baies informatiques pour une dalle en
fonction de la circulation de l’air par dalle
Capacité de refroidissement
par dalle (en kW)
7
Capacité
standard
6
Avec
efforts
Difficile à
obtenir
Extrême
5
4
3
2
1
0
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
1000
Circulation de l'air pour une dalle (PCM)
Même lorsqu'une conception extrême est mise en place, le schéma n°3 indique que 4 ou 5 dalles seraient
alors nécessaires pour refroidir une baie de racks hypothétique de 18 kW. Cependant, la disposition d’un
centre de données standard ne comprend qu’une dalle par baie de racks. Les dispositions conventionnelles
de centre de données comprenant une dalle de circulation d’air par rack ne pourraient simplement pas
permettre de refroidir des racks sur une surface étendue dans le cas de plus de 3 kW par rack.
Évacuation de 1 180 L/s d’air chaud rejeté d’une baie
Il existe trois manières de retourner de l’air à un système de refroidissement : par la pièce, par un conduit ou
par le plenum du plafond. Idéalement l’air chaud rejeté par l’équipement serait repris par le système de
refroidissement sans qu’il puisse se mélanger à l’air alentour et sans être capturé par l’équipement. Ceci
nécessite un chemin de retour direct et sans obstacle. Pour référence, sachons que transporter 1 180 L/s
dans un conduit circulaire de 30 cm nécessite une vitesse de l’air de 56 km/h. Un haut plafond ouvert avec
un retour d’air de masse situé à un point central élevé est un moyen de fournir cette fonction. Cependant, de
nombreux centres de données dépendent d’un retour de l’air transporté par des canalisations de retour ou
un plenum de plafond suspendu, et bon nombre se basent sur un retour d'air en masse par la pièce sous le
plafond à moins d'un mètre du toit des baies. Ces cas constituent des défis techniques de conception.
La disponibilité d’une capacité de retour d’air pour une baie informatique donnée est aussi limitée que
l’approvisionnement en air. Comme dans le cas de l’apport en air, fournir plus de 189 L/s de capacité de
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retour d’air par rack sur une surface étendue nécessite des installations spécialisées afin que le système
dispose des performances et redondance requises.
Éloignement de l’air chaud rejeté loin de l’admission d’air de l’équipement
Le chemin d’approvisionnement de l’air le plus court vers l’équipement électronique est le chemin de
recyclage depuis la sortie même de l’équipement. Un élément essentiel de la conception de centres de
données est que les chemins de fourniture d’air frais et de retour d’air chaud doivent dominer ce chemin de
recyclage indésirable. Ceci devient particulièrement difficile pour les environnements de haute densité, car la
vitesse élevée de la circulation de l’air doit dépasser la résistance des systèmes de distribution et de retour
d’air. Plusieurs méthodes peuvent être utilisées pour résoudre ce problème et sont décrites de manière plus
détaillée dans le livre blanc d’APC n° 49, « Avoidable Mistakes that Compromise Cooling Performance in
Data Centers and Network Rooms » (Erreurs pouvant être évitées qui compromettent les performances de
refroidissement des centres de données et des salles de réseau).
Mise en œuvre de toutes ces fonctions de manière redondante et ininterrompue
Dans un centre de données de haute disponibilité, les charges doivent continuent à opérer pendant les
interruptions de fonctionnement prévues ou imprévues des unités de climatisation des salles informatiques.
Ceci signifie que le refroidissement doit être disponible lorsque l’une des unités de climatisation ne
fonctionne pas. Dans les conceptions de centres de données conventionnels, plusieurs unités de
climatisation alimentent un faux-plancher ou un plenum de plafond commun supposés rassembler les
évacuations de toutes les unités de climatisation et fournir une pression uniforme dans tout le plenum de
circulation de l’air. Le système est conçu pour répondre aux exigences de circulation d’air et de
refroidissement lorsqu’une unité de ventilation ne fonctionne pas.
Lorsque la densité électrique de fonctionnement de centres de données conventionnels est augmentée, la
circulation de l'air dans les zones de plenum augmente et les hypothèses fondamentales relatives au
fonctionnement du système de plenum partagé commencent à faillir. L’interruption d’une unité de
climatisation peut radicalement altérer les vitesses de circulation locale de l’air dans le plenum. La circulation
de l’air au niveau d’une dalle individuelle peut même s’inverser, aspirant l’air dans le sol du fait de l’effet
Venturi. Le fonctionnement du système de refroidissement dans des conditions déficientes devient moins
prévisible à mesure que la densité électrique augmente. Pour cette raison, les installations de haute densité
sont souvent simulées à l’aide de méthodes de simulations numériques afin d’établir la présence de la
redondance.
Le concept de refroidissement ininterrompu est également remis en question dans un environnement de
haute densité. Le système de refroidissement d’un centre de données conventionnel reçoit une alimentation
électrique de secours d’un générateur de secours et non pas d’un système d’alimentation sans interruption.
Le délai de démarrage d’un générateur est acceptable dans les centres de données moyens car la perte de
refroidissement et d'approvisionnement en air pendant les 5 à 20 secondes nécessaires au démarrage du
générateur n’engendre qu’une augmentation de la température de 1°C. En revanche, dans le cas de
l’installation de charges de haute densité de l’ordre de 18 kW par baie, l’augmentation approximative de la
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température de l’air atteint les valeurs inacceptables de 8 à 30°C pendant le délai typique de démarrage
d’un générateur. Ainsi, dans le cas d’installations de haute densité, il devient nécessaire de mettre en
permanence en fonctionnement les ventilateurs du système de climatisation, les pompes et dans certains
cas les unités mêmes de climatisation afin d’assurer un refroidissement ininterrompu. Il s’agit d’un facteur de
coût élevé et d’un frein important au déploiement d’environnements informatiques de haute densité.
Solutions pour le déploiement de baies de haute
densité et de serveurs lame
Il existe 5 méthodes de base différentes pouvant être utilisées dans le cas d’installations de baies de haute
densité et de serveurs lame :
1.
Fournir à la pièce la capacité d'alimenter et de refroidir chaque rack à la densité maximale
des baies.
2.
Fournir à la pièce la capacité d’alimenter et de refroidir à une valeur moyenne inférieure à la
valeur maximale des baies et utiliser un équipement de refroidissement additionnel, en
fonction des besoins, pour refroidir les racks d’une densité supérieure à la valeur moyenne de
conception.
3.
Fournir à la pièce la capacité d’alimenter et de refroidir à une valeur moyenne inférieure à la
valeur maximale des baies et utiliser des règles pour permettre aux racks de haute densité
d’utiliser la capacité de refroidissement sous-utilisée des racks voisins.
4.
Fournir à la pièce la capacité d'alimenter et de refroidir à une valeur moyenne inférieure à la
valeur maximale potentielle des baies et répartir la charge de certaines baies qui dépassent la
valeur moyenne de conception en répartissant l'équipement parmi les différentes baies de
racks.
5.
Fournir à la pièce la capacité d’alimenter et de refroidir à une valeur moyenne inférieure à la
valeur maximale des baies, aménager une zone spéciale limitée dans la pièce disposant
d’une capacité de refroidissement élevée et limiter l’emplacement des baies de haute densité
à cette zone.
Chacune de ces approches est présentée ci-dessous avec ses avantages et inconvénients.
Première méthode : Fournir à la pièce la capacité d'alimenter et de refroidir chaque rack à la
densité maximale des baies.
Il s’agit de la solution la plus simple d’un point de vue conceptuel, mais elle n’est jamais mise en œuvre, car
les centres de données connaissent des variations importantes de puissance par rack et concevoir le cas
extrême est par conséquent très onéreux et équivaut à du gaspillage. De plus, concevoir pour une densité
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électrique de rack globale supérieure à 6 kW par rack nécessite des moyens d’ingénierie et des analyses
extrêmement complexes. Cette approche ne serait logique que dans les situations extrêmes.
Deuxième méthode : Fournir à la pièce la capacité d’alimenter et de refroidir à une valeur
moyenne inférieure à la valeur maximale des baies et utiliser un équipement de
refroidissement additionnel, en fonction des besoins, pour refroidir les racks d’une densité
supérieure à la valeur moyenne de conception.
Cette solution nécessite généralement que l’installation soit planifiée à l’avance afin de pouvoir utiliser
l’équipement de refroidissement additionnel lorsque et où il est nécessaire. Lorsqu’une pièce a été
aménagée de cette manière, plusieurs techniques peuvent être utilisées afin de fournir un refroidissement
supplémentaire aux racks. Elles incluent :
•
Installation de dalles spéciales ou de ventilateurs afin d’augmenter la fourniture d’air frais du
système de climatisation vers une baie.
•
Installation de conduits de retour spéciaux ou de ventilateurs afin de récupérer l’air chaud
rejeté d’une baie et le retourner vers le système de climatisation.
•
Installation de racks spéciaux ou de dispositifs de refroidissement montés sur racks ayant la
capacité de fournir le refroidissement requis directement au rack.
Ces méthodes font l’objet du livre blanc d’APC n° 41: « Rack Cooling Options for Data Centers and Network
Rooms » (Option de refroidissement de racks pour les centres de données et les salles de réseau). Ces
méthodes ne sont disponibles que depuis peu et ne sont pas encore largement déployées dans les centres
de données existants. Pourtant, elles offrent une souplesse accrue et, grâce à une planification adéquate,
elles n’ont pas besoin d’être achetées ni installées avant d’être utiles.
Troisième méthode : Fournir à la pièce la capacité d’alimenter et de refroidir à une valeur
moyenne inférieure à la valeur maximale des baies et utiliser des règles pour permettre aux
racks de haute densité d’emprunter la capacité de refroidissement sous-utilisée des racks
voisins.
Cette solution sans frais est souvent utilisée mais rarement présentée. Cette approche bénéficie du fait que
certains racks utilisent moins de puissance que la valeur moyenne de conception. Le refroidissement et la
capacité de retour provenant des baies sous-utilisées sont disponibles aux baies voisines. Une simple règle
comme « ne pas placer les racks de haute densité les uns près des autres » engendre des effets
bénéfiques, mais des règles plus sophistiquées peuvent être mises en place et fournir un refroidissement
fiable et prévisible aux baies deux fois plus important que la valeur moyenne de conception. Ces règles
peuvent être établies officiellement et leur application être vérifiée en effectuant le suivi de la consommation
électrique au niveau du rack. Cette fonction peut être automatisée par un système de gestion, tel que le
gestionnaire ISX de APC Corp. L’automatisation de cette fonction deviendra essentielle à mesure que de
nouveaux équipements informatiques sont rajoutés dont la consommation électrique varie dans le temps.
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Un exemple de règle réelle, pouvant être appliquée dans le cadre de cette méthode, est présenté dans le
schéma n°4. Cette règle serait appliquée aux déploiements de nouveaux équipements afin d’établir s’ils
peuvent être déployés en respectant la capacité du système de refroidissement. Selon cette règle, la
capacité de refroidissement n’étant pas utilisée par les baies immédiatement voisines est disponible pour
refroidir un équipement de rack ; ce qui permet à la densité électrique maximale d’une baie de dépasser la
puissance de refroidissement moyenne de la pièce d’un facteur pouvant atteindre 3. Dans les centres de
données standard, ceci peut être une manière très efficace de mettre en place des baies de haute densité,
car il existe souvent des baies contigües n’utilisant pas la capacité de refroidissement moyenne.
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Schéma n°4 – Exemple d’une méthode basée sur des règles permettant à des baies de haute
densité d'utiliser une capacité de refroidissement sous-utilisée
Start:
New proposed load
Obtain power value
from existing loads in
rack and add proposed
power value
NO
Does new proposed
rack power exceed
Average Cooling
Power?
YES
Do either
immediately adjacent
racks exceed
Average Cooling
Power?
YES
Is rack located at the
end of a row?
YES
NO
NO
NO
Does the average of
the new rack power
and the adjacent
rack power exceed
Average Cooling
Power?
Does the average of
the new rack power
and the two adjacent
rack powers exceed
Average Cooling
Power?
YES
NO
YES
New load may be deployed
New load may not be deployed;
split up load or try a different
location
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Quatrième méthode : Fournir à la pièce la capacité d'alimenter et de refroidir à une valeur
moyenne inférieure à la valeur maximale potentielle des baies et répartir la charge de
certaines baies qui dépassent la valeur moyenne de conception en répartissant
l'équipement parmi les différentes baies informatiques.
Il s’agit de la solution la plus populaire permettant d’incorporer un équipement de haute densité à des
centres de données actuels. Heureusement, tous les serveurs de 1U et les serveurs lame vendus n’ont pas
besoin d’être installés afin de remplir une baie informatique, mais peuvent être répartis sur plusieurs baies.
En répartissant l’équipement sur plusieurs racks, aucun rack n'est jamais tenu de dépasser la valeur de
densité électrique de conception et par conséquent les performances de refroidissement sont prévisibles.
Notez que lorsque l’équipement est réparti sur plusieurs baies, un espace vertical inutilisé important sera
laissé au sein des racks. Cet espace doit être rempli de panneaux d’obturation afin d'éviter la dégradation
des performances de refroidissement, tel que décrit dans le livre blanc d’APC n° 44, « Improving Rack
Cooling Performance Using Blanking Panels » (Amélioration des performances de refroidissement des racks
à l’aide de panneaux - caches).
Le besoin de répartition des équipements de haute densité sur plusieurs racks est souvent ressenti pour
d’autres raisons que les besoins de refroidissement. L'approvisionnement adéquat des racks en câbles de
données ou d'alimentation peut ne pas être possible ni pratique, et dans le cas de serveurs de 1U, le volume
de câblage à l’arrière de la baie peut sérieusement bloquer l'air ou même empêcher la fermeture des portes
arrière.
Cinquième méthode : Fournir à la pièce la capacité d’alimenter et de refroidir à une valeur
moyenne inférieure à la valeur maximale des baies, aménager une zone spéciale limitée
dans la pièce disposant d’une capacité de refroidissement élevée et limiter l’emplacement
des baies de haute densité à cette zone.
Cette approche nécessite la connaissance préalable de la fraction des baies de haute densité et la
possibilité de rassembler ces baies dans une zone spéciale ; elle permet dans ces conditions de pouvoir
atteindre une utilisation optimale de l’espace. Malheureusement, une connaissance préalable de la fraction
des baies de haute densité est souvent impossible.
Résumé
Les avantages et inconvénients des cinq approches permettant de refroidir des baies de haute densité sont
résumés dans le tableau 2.
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Tableau 2 – Application des cinq approches de refroidissement des baies de haute densité
Approche
Avantages
Inconvénients
Application
1) Fournir une capacité
de refroidissement de
haute densité à chaque
baie
Supporte tous les
scénarios futurs
Coûts d’installation et de
fonctionnement très élevés, 4
fois supérieurs aux autres
méthodes
Cas extrêmes de grands
centres d’équipement de
haute densité devant tenir
dans un espace physique
très limité
Ingénierie complexe
Redondance difficile à
assurer
Infrastructure
surdimensionnée nécessitant
de l’espace
2) Fournir une capacité
de refroidissement
moyenne avec
l’installation d’un
équipement de
refroidissement
additionnel
Hante densité où et quand
elle est requise
Limitée à environ 7 kW par
baie
Coûts d’installation
différés
Racks et pièce doivent être
conçus à l’avance pour cette
approche
3) Fournir une capacité
de refroidissement
moyenne avec des
règles permettant
l’emprunt d’une
capacité sous-utilisée
Aucune planification
requise
Limitée à environ 2 fois la
densité électrique moyenne
Pratiquement gratuite
dans de nombreux cas
Utilise une plus grande
surface au sol
4) Répartir
l’équipement entre les
baies pour que la
charge maximale reste
peu élevée
Fonctionne partout,
aucune planification
requise
5) Zone spéciale de
haute densité
Utilisation optimale de
l’espace au sol
Grande efficacité
Nouvelles constructions
Utilisation optimale de
l’espace au sol
Lorsque l’équipement à
haute densité est une
petite fraction de la charge
totale
Nécessite le respect de règles
Pratiquement gratuite
dans de nombreux cas
Utilise une plus grande
surface au sol
Ne fonctionne que lorsque
l’équipement peut être réparti
parmi les racks
Nécessité de connaître à
l’avance la taille de la zone de
haute densité
Lorsque l’équipement à
haute densité est une
petite fraction de la charge
totale et que l’espace n’est
pas sévèrement limité
Lorsque la fraction des
racks de haute densité est
constante et connue
Nécessité de séparer
l’équipement de haute densité
du reste
Valeur de concentration
Les sections précédentes identifiaient divers obstacles liés aux coûts élevés, à la complexité et à la fiabilité
associés aux baies de haute densité électrique. Ces problèmes doivent être résolus pour pouvoir déployer
des centres de données de haute densité. Pourtant, les prédictions dominantes des publications
commerciales de l’industrie indiquent que la concentration des centres de données est inévitable et en
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cours, du fait du coût et des avantages d’économie d’espace que l’on associe à cette concentration. Ces
données suggèrent qu’une concentration croissante par l’augmentation de la densité sans une réduction
fondamentale de la consommation électrique n’est pas rentable.
Le schéma n°5 présente la surface d’un centre de données par kW en fonction de la densité électrique
d’équipements informatiques. Lorsque la densité des équipements informatiques augmente, la surface
immobilière consacrée à cet équipement chute comme le montre la courbe inférieure. Pourtant, aucune
diminution de la surface immobilière consacrée à l’infrastructure d’alimentation et de refroidissement ne
diminue. Lorsque la densité électrique dépasse environ 2,5 kW par rack, la surface utilisée par les
équipements d’alimentation et de refroidissement dépasse, en fait, la surface de l’équipement informatique.
Une concentration au-delà de 4-5 kW par rack environ n’engendre finalement pas une réduction
supplémentaire de la surface totale.
Surface en pieds carrés / kW
Schéma n°5 – Surface de centre de données par kW de capacité en fonction de la densité
électrique de rack
50
45
40
35
30
25
20
15
10
5
0
Surface totale de l'équipement et des
installations informatiques
Surface des installations électriques
et de refroidissement
Surface de l'équipement informatique
1
3
5
7
9
11
13
15
17
19
Densité de concentration : kW par rack
Une croyance implicite et largement répandue concernant la concentration consiste à penser que
fondamentalement les coûts des centres de données sont fonction de la surface et que réduire la surface
par le biais de la concentration réduit les coûts. Le schéma n°6 présente le coût total de possession d’un
centre de donnée sur sa durée de vie en fonction de la densité électrique de l’équipement informatique.
Lorsque la densité de l’équipement informatique diminue, un résultat largement attendu est que le coût total
de possession diminue proportionnellement comme l’indique la courbe inférieure de la figure. Cependant, en
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réalité, 75 % du coût total de possession des centres de données dépend de l’alimentation et que seuls
25 % des coûts dépendent de la surface. En outre, les coûts par watt augmentent avec l’augmentation de la
densité électrique du fait des facteurs précédemment décrits. Par conséquent, le coût total de possession ne
diminue pas significativement avec l'augmentation de la densité électrique, mais augmente en fait au-delà
d’une densité électrique optimale, qui est de l’ordre de 4 kW par baie.
Coût total de possession
Schéma n°6 – Variation du coût total de possession de centres de données tout au long de leur
durée de vie en fonction de la densité électrique de rack
100%
80%
Réalité: coût dépendant des Watts
60%
40%
Si les coûts dépendaient de la surface
20%
0%
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
Concentration : kW par rack
Les avantages d’une augmentation de la densité électrique d’un équipement informatique sont limités.
Cependant, il existe des avantages importants à réduire la consommation électrique de l’équipement
informatique car, comme l’ont montré les sections précédentes, la surface des centres de données et le coût
total de possession est fortement affecté par la consommation électrique. Le tableau 3 présente comment
des réductions supplémentaires de la consommation électrique et de la taille des équipements informatiques
affectent la surface et le coût total de possession des centres de données. Comparées au cas de base
typique, les réductions de consommation électrique ont de biens plus importants avantages que des
réductions proportionnelles de taille.
Tableau 3 – Économies de surface et de coût total de possession de centres de données par la
réduction de la taille et de la consommation électrique d’équipements informatiques
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Amélioration de
l’équipement
informatique
Réduction de 50 % de la
taille, même
consommation électrique
Réduction de 50 % de la
consommation électrique,
même taille
Économie
d’espace
14 %
26 %
Économies
de coûts de
possession
4%
35 %
Analyse
Les économies de surface attendues
ne sont pas réalisées car la surface
du système d’alimentation et de
refroidissement domine
Les économies de coût de
possession ne sont pas réalisées car
ces derniers sont inférieurs aux
coûts d’alimentation
De grandes économies d’espace
proviennent des économies
effectuées sur l’espace
d’alimentation et de refroidissement
Grandes économies de coûts de
possession car ces derniers sont
inférieurs aux coûts d’alimentation
Remarque : Un cas de base consiste en des serveurs de 2U à processeur double réalisant 3 kW par rack
Stratégie optimale de refroidissement
Des informations présentées dans ce document, il est possible de concevoir une stratégie cohérente qui soit
optimale pour la plupart des installations. Cette stratégie utilise une combinaison des approches
précédemment décrites.
Tableau 4 – Stratégie applicable permettant d’optimiser le refroidissement lors du déploiement
d'un équipement informatique de haute densité
Élément de stratégie
Objectif
1) Ignorer la taille physique de l’équipement
informatique et se concentrer sur la fonctionnalité par
Watt consommé.
Il s’agit d’une manière efficace de minimiser la surface et le
coût total de possession.
2) Concevoir le système pour permettre l’installation
ultérieure de dispositifs de refroidissement
supplémentaires.
Pour permettre l’installation ultérieure d’un équipement de
refroidissement supplémentaire lorsque et où il sera
nécessaire dans le centre de données en fonctionnement, afin
de répondre à des besoins futures incertains.
3) Choisir une densité électrique de base pour les
nouvelles installations entre 0,4 – 1,1 kW / m2 ; 0,6 kW
/ m2 (1800 W / baie en moyenne) étant une valeur
adéquate pour la plupart des nouvelles installations.
La densité électrique de base doit être choisie pour éviter un
gaspillage trop important dû à un surdimensionnement ; en le
conservant en dessous de 1,1 kW / m2, les performances et
capacité de redondance deviennent prévisibles.
4) Lorsque la fraction de charges de haute densité est
élevée et prévisible, établir et équiper des zones
spéciales de haute densité de 1,1 - 2,2 kW / m2 (3 –
6 kW par baie) dans le centre de données.
Lorsque l’on sait à l’avance qu’une zone de haute densité est
nécessaire et qu’il n’est pas possible de répartir la charge.
Ceci peut augmenter significativement les coûts, le temps et
compliquer la conception du centre de données.
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Élément de stratégie
Objectif
5) Établir des politiques et des règles déterminant
l’alimentation pouvant être fournie pour toute baie, en
fonction de son emplacement et des charges voisines.
Lorsque la compréhension des capacités de l’installation est
combinée à la gestion de l'alimentation, la mise en place de
règles pour les installations de nouveaux équipements peut
réduire les zones de réchauffement, assurer une redondance
du refroidissement, augmenter l’efficacité du refroidissement
du système et réduire la consommation électrique. Des règles
et une gestion plus sophistiquées peuvent permettre des
densités électriques élevées.
6) Utiliser des dispositifs de refroidissement
supplémentaires lorsque nécessaire.
Installer des dispositifs de refroidissement supplémentaires
lorsque et où ils sont nécessaires peut augmenter la capacité
de refroidissement d'une zone du centre de données jusqu'à 3
fois la valeur de base afin de s’adapter à un équipement de
haute densité.
7) Diviser les équipements dont l’installation ne
respecte pas les règles
Option engendrant les coûts les plus bas et les risques les
moins élevés, mais qui peut nécessiter un espace
considérable lorsque les charges de haute densité sont plus
importantes. La plupart des utilisateurs n’ayant pas de limite
de surface choisissent cette option comme stratégie
principale.
Conclusions
La densité électrique maximale de rack de la dernière génération d’équipement informatique de haute
densité est environ 10 fois la densité électrique moyenne de rack des centres de données existants. Un
nombre important de baies informatiques de centres de données actuels fonctionnent à la moitié de cette
densité électrique maximale.
Les méthodes et dispositions actuelles des centres de données ne peuvent pas fournir le refroidissement
nécessaire aux équipements de haute densité du fait des limites des systèmes de ventilation et de la
difficulté de fournir une redondance et un refroidissement ininterrompu pendant le passage à un
fonctionnement sur groupe électrogène.
Lorsque l’objectif est de réduire la surface des centres de données et le coût total de possession, les clients
doivent considérer l'acquisition d'un équipement informatique en se basant sur la fonctionnalité fournie par
Watt et ignorer la taille physique de l’équipement. Cette conclusion inattendue s’explique par le fait qu’audelà de 0,6 kW / m2, l’alimentation a un effet plus important que la taille de l’équipement sur le coût de
possession et la surface.
Une variété de solutions permet le déploiement efficace d'un équipement informatique de haute densité
pour des environnements conventionnels. Alors que la conception de centres de données entiers de haute
densité reste impossible en pratique, des centres de données peuvent supporter une installation limitée
d’équipements de haute densité en utilisant des systèmes additionnels de refroidissement, des règles
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permettant d’emprunter une capacité voisine sous-utilisée et enfin en répartissant la charge entre plusieurs
baies.
Lorsqu’une installation est projetée avec un fort pourcentage de baies de haute densité et qu’il n’est pas
possible de répartir l’équipement, la seule option est de fournir cette capacité à chaque baie. Cependant, la
hauteur et la surface utilisées dans de tels centres de données seront significativement supérieures à celles
des installations standard, afin d'assurer une circulation de l’air suffisante.
Malgré les indications fournies par les publications commerciales traitant des densités de conception de
centre de données de 3,25 – 6,5 Watts par m2, atteindre de telles densités reste hors de portée dû aux
importantes pénalités de coûts et à la difficulté d’obtenir une disponibilité élevée à ces densités. Des
installations actuelles de centres de données de hautes disponibilité et performances sont prévisibles et
possibles dans la fourchette de 0,4 – 1,1 kW / m2 (1,2 kW à 3 kW de moyenne par rack), avec la capacité de
s’adapter à des charges pouvant atteindre 3 fois la valeur de conception en profitant de la diversité de la
charge et en utilisant des dispositifs de refroidissement supplémentaires.
À propos de l’auteur :
Neil Rasmussen est l’un des fondateurs et le directeur de la technologie de American Power Conversion. À
APC, Neil dirige le plus gros budget de R&D du monde consacré à l’alimentation, le refroidissement et aux
infrastructures physiques de réseau critique; les principaux centres de développement de produits se
trouvent au Massachusetts, au Missouri, au Danemark, dans le Rhode Island, à Taiwan et en Irlande. Neil
dirige actuellement les travaux menés par APC visant au développement de solutions modulaires et
évolutives pour centres de données.
Avant de fonder APC en 1981, Neil a obtenu les diplômes de licence et maîtrise en génie électrique au MIT
où il rédigea son mémoire sur l’analyse d'une source d’alimentation de 200 MW pour un réacteur de fusion
Tokamak. De 1979 à 1981, il a travaillé aux laboratoires Lincoln du MIT sur les systèmes de stockage
énergétique grâce à un disque rotatif (« flywheel ») et les systèmes électriques solaires.
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