Présentation de l’étude “L’effet de la température sur l’efficience énergétique d’un Datacentre”

Constats

la densité des équipements (en Watts/m²) au sein des data centres augmente constamment, ce qui accroît d’autant la quantité de chaleur à évacuer. Ainsi, le refroidissement des data centres se complexifie et et devient de plus en plus énergivore.

De nombreuses pistes pour réduire la consommation énergétique du système de refroidissement sont actuellement à l’étude. Récemment, l’idée d’augmenter la température de l’air au sein du data centre a été avancée comme une solution pour réduire globalement sa consommation énergétique.

L’étude menée par Michael K. Patterson (Intel) explore de manière théorique, l’effet de la température sur l’efficience énergétique globale du data centre.

Influence de l’augmentation de la température sur la consommation électrique des composants du Datacentre

Sur le système de refroidissement

Charge de travail constante : Dans le cas d’un bâtiment classique, le système de climatisation évacue surtout la chaleur provenant de l’extérieure. Si on augmente la température intérieure, alors la différence entre la température intérieure et extérieure est moins importante ce qui ralenti les transferts de chaleur, diminuant ainsi la charge de travail du système de refroidissement.
Ce n’est par contre pas le cas d’un data centre qui est souvent très bien isolé de l’extérieure. La quasi totalité de la chaleur à évacuer d’un data centre est produite par les équipements informatiques. Or la quantité de chaleur produite par les équipements informatiques ne diminue pas lorsqu’on augmente la température du data centre.

Schématisation simplifiée du fonctionnement d'une pompe à chaleur

Amélioration de l’efficience énergétique de la pompe à chaleur (voir schéma ci-dessus) : L’augmentation de la température au sein du data centre permet au liquide frigorigène de la pompe à chaleur de s’évaporer à une pression plus élevée. Le compresseur qui fonctionne à l’aide d’un moteur électrique, aura alors moins d’efforts à fournir pour compresser le gaz afin de provoquer sa condensation. La pompe à chaleur voit son coefficient de performance (COP) croitre de 1% à 2,5% pour chaque degré Fahrenheit (1,8°C) [[Dubin, Fred S. and Long C., Energy Conservation Standards for Building Design Construction and Operation, 1st Edition, McGraw Hill, 1978]] de plus dans le data centre.
Il faut néanmoins relativiser cette économie d’énergie avec la consommation totale du Datacentre. Dans cette étude, la consommation électrique du système de refroidissement est estimée à 35% de la consommation totale du Datacentre, tandis que la consommation de la Pompe à chaleur ne représente que 50% de la consommation du système de refroidissement (le reste étant principalement imputé à la ventilation).

Effets de l’augmentation de la température coté évaporateur

Sur l’équipement IT : L’étude identifie au sein des serveurs 2 composants dont la consommation électrique varie avec la température : le ou les processeurs centraux (CPU) et les ventilateurs.
Les autres composants (alimentation, carte mère, mémoire vive, disques durs) ne voient pas leur consommation électrique varier de manière significative avec l’augmentation de la température.

Augmentation de la charge de travail de la ventilation des serveurs : La ventilation des équipements informatiques travaillent plus pour maintenir les composants à la même température. La plupart des systèmes de ventilation intégrés au sein des équipements informatiques sont thermo-régulés : Leur vitesse s’adapte en fonction de la température de l’air entrant. Si la température de l’air entrant augmente, la ventilation tourne plus vite pour maintenir la température des composants. Conclusion, la consommation électrique du serveur augmente. A titre d’exemple, la ventilation d’un serveur 1U consomme entre 8W et 40W en fonction de la charge.

Diminution de l’efficience énergétique des CPU: Les fuites de courant des processeurs centraux augmentent de manière importante avec la température. Sur les processeurs modernes, les courants de fuite peuvent représenter plus de 50% de la consommation électrique du processeur [Fallah, F. and Pedram, M., “Standby and Active Leakage Current Control and Minimization in CMOS VLSI Circuits”, IEICE Transactions on Electronics, 2005, Vol E88-C, Num 4, pp.509-519].

Effets de l’augmentation de la température du Datacentre sur son efficience énergétique

Relation entre le CPU et la ventilation : Avec une ventilation thermo-régulés, la température du CPU a un impact sur la vitesse des ventilateurs et donc sur leur consommation électrique. Inversement, les ventilateurs ont un impact direct sur la température de fonctionnement du CPU et donc sa consommation électrique.
En cas d’augmentation de température, 3 cas de figure peuvent se présenter :

  • la température du CPU augmente, mais reste en dessous de la limite à partir de laquelle le contrôleur de la ventilation augmente la vitesse des ventilateurs ;
  • le contrôleur de la ventilation augmente tout de suite la vitesse des ventilateur pour maintenir la température du CPU constante
  • un peu du 1 et du 2 : la vitesse des ventilateurs augmente et la température du CPU aussi. C’est le cas le plus probable.

Les algorithmes des contrôleurs de la ventilation sont différents pour chaque serveur. Il n’est donc pas possible de tirer une règle générale.

Evolution de la consommation de l’équipement IT lorsque la température augmente

Distinction entre Datacentre avec ou sans FreeCooling

 

L’étude de cas théorique considère deux scénarios.

  • L’augmentation de la température dans un Datacentre dont l’air est conditionné en permanence ;
  • l’augmentation de la température dans un Datacentre qui est équipé pour pratiquer du FreeCooling.

Évaluation de l’efficience énergétique d’un Datacentre théorique

 

Evaluation de l'efficience energetique d'un datacentre théorique selon la température

Effets de second ordre à considérer

Fiabilité du matériel : Certains composants peuvent voir leur durée de vie raccourcie par une température élevée. L’étude cite 2 exemples : la durée de vie d’une batterie est réduite de moitié pour une augmentation de température de 8°C. Un condensateur durera 2 fois moins longtemps pour une augmentation de température de 10°C. Néanmoins, Intel qui a expérimenté durant 10 mois l’exploitation d’un data centre non climatisé dont la température a oscillé entre 18°C et 33°C, n’a constaté qu’une très faible augmentation des pannes (3.83% dans le data centre climatisé, 4,46% pour le non climatisé) [étude d’Intel [“Reducing Datacenter Cost with an Air Economizer”]. Microsoft exploite depuis peu un data centre refroidi 100% en FreeCooling dont la température d’exploitation peut atteindre 35°C [DataCenter Knowledge : [Présentation du Datacentre FreeCooling Microsoft à Dublin ]].

Conditions de travail :

  • La chaleur élevée , 30°C dans les allées froides, beaucoup plus dans les allées chaudes peut rendre les conditions de travail difficiles.
  • Augmentation des nuisances sonores : La ventilation interne des équipements informatique étant beaucoup plus sollicitée, le niveau de bruit au sein du data centre augmente sensiblement.

Saturation possible du système de refroidissement : la ventilation du système de refroidissement du data centre peut ne pas être capable de déplacer le volume d’air nécessaire pour maintenir la température. Si cette situation se produit, on peut assister à un emballement de la température jusqu’à la mise en sécurité des serveurs pour cause de surchauffe. Il convient donc, avant toute augmentation de la température, de vérifier que la ventilation est capable de déplacer le volume d’air nécessaire.

Conclusions

Dans le cas du Datacentre théorique de cette étude

L’augmentation de la température de 20°C à 30°C dans un Datacentre non équipé pour le FreeCooling augmente sa consommation d’énergie globale (l’augmentation de la consommation des équipements IT est plus importante que l’économie d’énergie réalisée au niveau du système de refroidissement) alors même que son PUE diminue (Voir les limites du PUE).

L’augmentation de la température de 20°C à 30°C dans un Datacentre équipé pour effectuer du FreeCooling diminue la consommation globale (recours à la pompe à chaleur moins fréquent) et diminue le PUE du Datacentre.

Data centre sans FreeCooling

L’augmentation de la température de 20°C à 30°C ne diminue pas forcément la consommation totale. Une température optimale existe pour chaque data centre. Celle ci qui dépend des équipements installés. Si il est possible de mesurer la consommation totale d’un data centre, l’idéal sera alors de tester différentes température d’exploitation dans la limites des recommandations (norme ASHRAE).

Datacentre avec FreeCooling

L’augmentation de la température permet d’allonger sensiblement les périodes durant lesquelles il n’est pas nécessaire d’avoir recours à la pompe à chaleur pour refroidir le data centre.

Limites de l’étude

Si l’étude avance des éléments très intéressants pour évaluer l’effet de l’augmentation de la température sur l’efficience énergétique globale du datacentre,
sa démonstration ne se base que sur un cas théorique. Il aurait été extrêmement utile et intéressant de vérifier concrètement les résultats de l’étude par un cas pratique.

Ressources documentaires

Télécharger l’étude “The effect of Data Center Temperature on Energy Efficiency” (Anglais) (format PDF)

 

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