Quel Datacenter sous “les tropiques” ?

Les Datacenters sont les nouvelles usines de notre siècle. Nos photos, nos vidéos, nos Emails, nos documents, nos réseaux sociaux, nos services bancaires, nos services publics, et j’en passe, sont délivrés à partir des serveurs hébergés dans ces Centres de Données ou encore ces “Usines à données”

Ces Datacenters sont de plus en plus immenses, et bien évidement leur consommation d’électricité va avec. Une estimation faite récemment indique que ceux-ci consommeront trois plus d’électricité dans la prochaine décennie.

Dans un article du “Independent”, les Datacenters au cours de l’année 2015 ont consommé 416.2 TWh d’électricité. Cela représente plus que la consommation annuelle d’un pays comme le Royaume-Uni. Ceux-ci deviennent un vecteur important du réchauffement climatique.

Une étude (United States Data Center Energy Usage Report, June 2016) indique qu’aux Etats-Unis, en 2014, la consommation électrique de l’ensemble des Datacenters représentait 1.8% de la consommation globale des Etats-Unis et cette consommation correspond à la consommation annuelle de 6,4 millions de foyers américains.

Toute cette énergie a un coût non négligeable pour les différents exploitants de Datacenters. Celui-ci représente 30 à 50% des coûts d’exploitation d’un Datacenter.

Quand on est proche de l’Equateur, cette ligne imaginaire tracée autour de la Terre, à mi-chemin de ses pôles qui marque la séparation entre l’hémisphère nord et l’hémisphère sud, et qu’on a une température moyenne sur l’année à 28°C, une très forte humidité, et quand en plus on a de sérieux problèmes d’électricité et que l’offre existante n’arrive pas déjà à couvrir la demande, quelles solutions adoptées ? Quelles stratégies ? Faut-il abandonner et se dire que ces immenses Datacenters ne sont l’apanage que des pays très développés aux températures tempérées ?

Dans ce post, je fais un tour d’horizon de quelques solutions possibles, elles sont nombreuses et sont en évolution permanente ; il est donc impossible de les aborder toutes ici.

Pour commencer, je vous présente ci-dessous la carte des principaux Datacenters de Google, on observe bien une bande sur laquelle il n’y a aucune présence


Source: https://www.google.com/about/datacenters/inside/locations/index.html

Quelques Standards ou guide par rapports aux Datacenters

ASHRAE TC 9.9 – 2011 Thermal Guidelines for Data Processing Environments

ASHRAE, L’American Society of Heating, Refrigerating and Air Conditioning Engineers est une organisation internationale technique dans le domaine des génies thermiques et climatiques (chauffage, ventilation, air climatisé, production de froid). Cette organisation a été fondée en 1894 et est composée de plus de 50 000 membres qui viennent du monde entier.

Les directives thermiques de l’ASHRAE (Source : http://ecoinfo.cnrs.fr/?p=11085 ) sont particulièrement bien documentées dans le domaine des Datacenter en raison des nombreux retours d’expérience des groupes de travail des fabricants d’équipements informatiques. Jusqu’à il y a peu, chaque fabricant définissait ses propres normes environnementales.

Le comité TC 9.9 de cet organisme s’occupe de définir les normes environnementales des bâtiments qui hébergent des équipements électroniques. Il a publié en 2004 le livre « Thermal Guidelines for Data Processing Environments » qui aborde la plupart des questions concernant la conception et l’exploitation d’un Datacenter d’un point de vue thermodynamique. Les principaux fabricants d’ordinateurs (par exemple IBM, HP, Intel, Sun, Dell, etc.) sont fortement représentés au sein de ce comité. Les informations publiées par celui-ci permettent donc d’avoir une idée assez précise des exigences environnementales actuelles et futures du matériel informatique et répondent à certaines questions fondamentales relatives aux Datacenter comme les températures et les taux d’humidité recommandés ainsi que la localisation des points de mesure.

La dernière mise à jour de ces recommandations date de 2015 dans « THERMAL GUIDELINES FOR DATA PROCESSING ENVIRONMENTS, 4TH ED ». En quelques années les fabricants de matériel informatique ont fait des efforts significatifs pour certifier le fonctionnement de leurs produits dans des conditions environnementales moins contraignantes. Plusieurs constructeurs vont dès aujourd’hui au delà des limites ASHRAE.

Avant la formation de ce comité, il faut savoir qu’il était généralement accepté que les Datacenter devaient opérer dans des températures comprises entre 20 à 21°C, et on se disait que le froid était une excellente chose. Chaque constructeur de matériel avait sa propre norme et le rôle de ce comité a été de trouver un consensus parmi les principaux constructeurs de matériel.

Il y a eu plusieurs évolutions dans les recommandations sur les températures des Datacenter qui sont classes par classe en fonction de leur criticité et de leurs usages. En 2011, de nouvelles classes on été définies, les Datacenter correspondent aux classes A1, A2, A3, A4. A1 étant la classe la plus haute délivrant des services les plus critiques.

Le tableau ci-dessous montre l’évolution pour la classe A1 entre les recommandations de 2004, 2008, 2011 et 2015

 

Recommandations 2004 Recommandations 2008 Recommandations 2011 Recommandations 2015
Low End Temperature 20°C 18°C 15°C 15°C
High End Temperature 25°C 27°C 32°C 32°C
Low End Moisture 40% RH Point de condensation à 5.5°C Point de condensation à 5.5°C 12% RH et point de condensation à 8°C
High End Moisture 55% RH 60% RH et point de condensation à 15°C 60% RH et point de condensation à 15°C 80% RH et point de condensation à 17°C

 

Il ressort également que l’altitude max recommandée pour les Datacenter est de 3050 m. Donc pas de Datacenter au sommet du Mont Kilimandjaro ou du Mont Cameroun

Tous les standards et documents produits par le comité TC 9.9 sont disponibles à l’adresse : https://tc0909.ashraetcs.org/

D’autres standards à connaître

La classification Tier de Uptime Institute

Uptime Institute est une organisation qui a mis en place un standard de classification des Datacenter par rapport à leur performance, leur disponibilité. Cette classification est aujourd’hui mondialement reconnue. La classification comporte les niveaux présentés dans le tableau suivant :

Tier I : Basic capacity

No generator or optional

Basic UPS, non redundant

Single utility

99.671% Availability

Tier II : Redundant Capacity Components

Generator

N+1 UPS with redundant component

Single Utility, N+1 Mechanical System

99.741% Availability

Tier III : Concurrently Maintainable

N+1 Generator System

N+1 UPS with redundant components

Active/Passive, Utility source, N+1 Mechanical System

99.982% Availability

Tier IV : Fault Tolerance

2N Generator System

2N UPS System

Dual Active Utility, 2N Mechanical System

99.995% Availability

Un Datacenter doit être certifié par l’Uptime Institute pour revendiquer un niveau de Tier

Pour aller dans le détail avec les différents niveaux de Tier il faut aller sur le lien : https://journal.uptimeinstitute.com/explaining-uptime-institutes-tier-classification-system/

Le standard ANSI/TIA 942-A 2014

Ce standard approuvé par l’ANSI (American National Standards Institute) définit 4 niveaux de classification qui jusqu’en Mars 2014 était nommé « Tier » tout comme le modèle Tier d’Uptime Institute. Aujourd’hui on parle de « Rated » ou « Rating ». Ces niveaux indiquent le niveau de fiabilité et de disponibilité du Datacenter.

Rated I – Niveau 1 (Basique)

  • Disponibilité 99,671 %
  • Sensible aux interruptions, qu´elles soient planifiées ou pas.
  • Une seule entrée de courant électrique et de distribution de la climatisation, sans composants redondants.
  • Sans exigences de sol surélevé
  • Générateur indépendant
  • Délai de mise en service: 3 mois
  • Temps d´inactivité annuel: 28,82 heures
  • Doit être fermé complètement pour la maintenance préventive

Rated II- Niveau II (Composants redondants)

  • Disponibilité 99,741 %.
  • Moindre sensibilité aux interruptions.
  • Une seule entrée de courant électrique et de distribution de climatisation, avec un composant redondant.
  • Inclus sol surélevé, UPS et générateur.
  • Délai de mise en service: 3 à 6 mois.
  • Temps d´inactivité annuel: 22,0 heures.
  • La maintenance de l´alimentation et autres parts de l´infrastructure obligent à une fermeture de traitement.

Rated III- Niveau III (Maintenance concourante)

  • Disponibilité 99,982 %.
  • Pas d´interruption de fonctionnement pour les pauses planifiées, mais possibilité de problèmes pour les cas imprévus.
  • Accès de courant et climatisation multiples, par un seul cheminement actif. Inclus composants redondants (N+1).
  • Délai de mise en service: 15 à 20 mois.
  • Temps d´inactivité annuel: 1,6 heures.

Rated IV- Niveau IV (Tolérant aux erreurs)

  • Disponibilité 99,995 %.
  • Pauses planifiées : sans interruption de fonctionnement pour les data critiques. Possibilité de soutenir un défaut imprévu sans dommages critiques.
  • Accès de courant et climatisation multiples. Inclus composants redondants (2(N+1)). 2 UPS avec redondance (N+1) chacun.
  • Délai de mise en service: 15 à 20 mois.
  • Temps d´inactivité annuel: 0,4 heures.

Alors quelles solutions quand on réside sur la ligne équatoriale et quand en plus, on fait face à un déficit énergétique.

Le climat équatorial se caractérise par, de fortes précipitations, une température moyenne de 28 °C. C’est un climat chaud mais avec un taux d’humidité très élevé, ce qui donne l’impression de moiteur et d’un temps lourd.

Quand on sait que la facture d’énergie représente 30 à 50% des frais de fonctionnement d’un Datacenter et que pour beaucoup cette énergie est consacrée au refroidissement, on peut se demander comment ces pays peuvent faire face, tout en sachant que la plupart de ceux-ci connaissent une précarité dans l’approvisionnement en électricité.

Plusieurs solutions sont déjà appliquées ou expérimentées notamment par les grands acteurs du Cloud pour réduire leur facture énergétique. L’expression « Datacenter éco-responsable » est de plus en utilisé.

La mesure utilisée pour juger de l’efficacité énergétique d’un Datacenter est le PUE (Power Usage Effectiveness). C’est le rapport entre l’énergie totale consommée par le Datacenter (les équipements purement informatiques (serveurs), des équipements de l’environnement du Datacenter (UPS, lumières, climatisations) sur l’énergie consommée par les équipements purement informatiques.

En clair pour un PUE de 1,5 cela signifie que pour 1 KWh d’électricité utilisée par les serveurs, il faut dépenser 0,50 KWh supplémentaire dans le refroidissement du bâtiment, l’éclairage. Sachant que le PUE théorique « parfait » est de 1, la moyenne en 2011 des PUE est estimée à 1.8

Amélioration de la gestion du refroidissement des Datacenter

Le refroidissement constituant à lui tout seul près de 33% des consommations d’énergie d’un Datacenter, il faut donc commencer par améliorer la gestion du refroidissement des Datacenter. Plusieurs pistes sont envisageables, je n’en cite que quelques unes.

L’augmentation de la température du Datacenter

Comme vu précédemment avec la recommandation ASHRAE TC 9.9 dans le document publié en 2011 « Thermal Guidelines for Data Processing Environments–Expanded Data Center Classes and Usage Guidance », on peut monter jusqu’à 32°C, ce qui est loin d’être négligeable, car chaque degré de refroidissement économisé peut un impact financier important.

Cependant le livre blanc 221 de Schneider électrique par Wendy Torell, Kevin Brown et Victor Avelar, à l’issue de plusieurs tests, indique des impacts imprévus de l’augmentation des températures dans un Datacenter. Ils indiquent que les économies générées par l’augmentation de la température peuvent être neutralisées par une augmentation de la consommation énergétique des équipements informatiques et des systèmes de traitement d’air.

Pour être précis, par rapport aux équipements informatiques, on constate notamment une consommation d’énergie plus grande des serveurs dû à l’augmentation de la température des CPU et donc un fonctionnement accru des ventilateurs pour réduire la température.

L’utilisation des allées chaudes et froides et leur isolation.

Le confinement des allées froides qui consiste à couvrir les extrémités des allées de racks, la partie supérieure des allées ou bien des deux afin d’isoler l’air y circulant

Le free cooling

C’est une méthode innovante et économique qui utilise l’air extérieur pour refroidir les serveurs. En fonction de la température extérieure, il s’agit ici tout simplement d’ouvrir les fenêtres pour refroidir les Datacenter.

Ce qui explique la course pour l’implémentation des Datacenter en Sibérie ou au Nord de l’Europe dans des régions ou la température est tempérée toute l’année pour pouvoir utiliser la technologie du free cooling. Malheureusement c’est une technologie qui semble inutilisable sur la ligne équatoriale.

Fonctionnement du free cooling (Source : https://www.sigma.fr/avis-experts/free-cooling-datacenter-green )

Des Datacenters sous la mer

Microsoft a démarré depuis Novembre 2014 un projet de Datacenter sous la mer. Celui-ci présente plusieurs avantages, notamment dans le refroidissement des serveurs en utilisant l’eau de mer. Un prototype a été construit et testé. Celui-ci est constitué par un conteneur de 17 tonnes de 3 mètres sur deux qui a émergé à 9 mètres de profondeur au large de San Luis Obispo en Californie. L’idée pour la suite du projet est de construire un containeur 5 fois plus grand qui serait remonté tous les 5 ans pour changer les équipements.

Un Datacenter sous la mer s’explique par le fait que la température des océans bien que pouvant atteindre 30°C à la surface, au niveau de l’équateur, elle décroît fortement avec la profondeur. L’eau profonde est froide et relativement homogène : à titre d’exemple, 47 % de l’eau de l’Atlantique a une température comprise entre 2 et 4 °C.

Les Datacenter sous-marins sont donc une option très intéressante au niveau de l’équateur à condition qu’on puisse les immerger dans des profondeurs plus importantes.

Les Datacenters en altitude

La région équatoriale dispose de plusieurs sommets de plus de 3000 m. En tenant compte du fait que la recommandation faite par ASHRAE est de 3050 m d’altitude maximum, on pourrait imaginer un Datacenter sur l’un des flancs du Kilimandjaro.

Au pied du Kilimandjaro, la température annuelle moyenne est de 23,4 °C alors qu’elle est de 5 °C à 4 000 mètres d’altitude et de −7,1 °C au sommet. En conséquence, son gradient thermique adiabatique est d’environ 0,6 °C tous les cent mètres. Le gradient thermique adiabatique est, dans l’atmosphère terrestre, la variation de température de l’air avec l’altitude. A 3000 m d’altitude, la température moyenne est de 11°C , ce qui donne des possibilités d’utiliser du free cooling donc des possibilités de réduction d’énergie nécessaire au refroidissement

Bien évidement construire un Datacenter en altitude nécessite que des voies de communication soient disponibles pour acheminer les équipements. Et également les infrastructures de télécommunication comme les réseaux fibre optiques et le réseau électrique pour amener l’énergie

L’utilisation des énergies propres renouvelables

L’énergie marine

Les océans sont un vaste réservoir d’énergie diverses qui couplés aux Datacenter permettent de réduire la facture énergétique et d’utiliser des énergies propres et renouvelables :

  • La marée avec les procédés du type «la Rance» et du type «hydroliennes»,
  • Le vent avec les éoliennes «en mer»,
  • La houle avec les « houlomotrices »,
  • La circulation générale des masses d’eaux avec le procédé « ETM – Energie Thermique des Mers ».

L’énergie éolienne onshore à l’opposée de l’énergie éolienne offshore « en mer »

Il s’agit des éoliens implantés à terre.

Une grande partie de l’Afrique est à cheval sur les zones équatoriales et tropicales du globe, et seules les régions du nord et du sud bénéficient du régime des vents d’ouest des latitudes tempérées. Aussi, les vitesses de vent sont généralement faibles dans beaucoup de pays de l’Afrique subsaharienne, particulièrement dans les pays enclavés. L’Afrique du Sud, l’Afrique du Nord et le littoral de la Mer Rouge (et de façon inattendue, une partie du Tchad et du Nord du Kenya) disposent de certains des meilleurs potentiels éoliens de la région.

(Source: Les énergies renouvelables en Afrique http://base.d-p-h.info/fr/fiches/dph/fiche-dph-7422.html)

L’énergie hydroélectrique

C’est l’énergie produite par les barrages hydroélectriques. Nul besoin de rappeler ici l’important potentiel de ligne équatorial et plus particulièrement l’Afrique.

Dans un article de Jeune Afrique “Le grand gâchis de l’hydroélectricité en Afrique” (source : http://www.jeuneafrique.com/mag/243578/economie/le-grand-gachis-de-lhydroelectricite-en-afrique/), il est indiqué que les fleuves du continent Africain représentent un potentiel considérable et sous-exploité: une énergie propre et parmi les moins chères au monde. Seulement 5 % du potentiel hydroélectrique de l’Afrique est utilisé. Selon l’Agence internationale de l’énergie (AIE), l’eau pourrait lui apporter 300 GW d’électricité. Soit l’équivalent de ce que peuvent produire 300 réacteurs nucléaires. À elle seule, la RD Congo a répertorié 200 sites, représentant 100 GW.

L’énergie solaire

Oui, il est possible de faire fonctionner entièrement un Datacenter avec de l’énergie solaire. Annoncé en 2013, puis en 2015, Apple va investir 2 milliards de dollars dans la construction d’un Datacenter en Arizona et celui-ci fonctionnera à 100% à l’énergie solaire à partir d’une centrale solaire de 18 MW constituée par une immense ferme de panneaux solaires, sur une surface de près de 67 hectares.

Pour ce qui est de l’Afrique le potentiel est immense mais très peu utilisé.

Au niveau des opérations IT

Des chemins de câbles suspendus

Quand le système de distribution d’air utilise le plancher pour la distribution de l’air froid, il faut opter pour des chemins de câbles suspendus, car le fait d’avoir des planchers remplis de câbles rend difficile la distribution de l’air froid vers les racks.

Des équipements IT basse consommation et capables de supporter un plus haut niveau d’humidité

Un exemple ici est la technologie du stockage qui est entrain d’évoluer vers des disques SSD qui chauffent moins que les disques HD. Ce qui peut avoir un impact sur le refroidissement. Pour ce qui est de la consommation le débat n’est pas tranché, par rapport au fait que les SSD consomment moins, apparemment dans certaines conditions c’est le contraire qui arrive.

Il en est également de l’utilisation de serveurs équipés de processeurs basse consommation énergie ou de faible quantité de chaleur dissipée

La consolidation des serveurs et la mutualisation des Datacenter

La consolidation des serveurs avec la virtualisation est entrée dans nos mœurs. C’est devenue une banalité. La technologie est en train d’évoluer vers de l’hyperconvergence. Ce sont des solutions combinant virtualisation, calcul, stockage et haute-disponibilité dans un jeu de serveurs redondants. Plusieurs acteurs sont présents sur ce marché : Nutanix, ScaleComputing, Simplivity, etc..

La mutualisation est un axe également qui peut permettre de développer des Datacenters qui sont capables de fournir du service à l’échelle d’un pays, d’une région, etc.

D’autres mesures opérationnelles

  • La construction des infrastructures adaptées pour les besoins présents mais extensible en cas de montée en charge de la demande. Ceci afin d’éviter d’avoir des Datacenter surdimensionnés qui consomment de l’énergie à perte.
  • L’arrêt de tous les systèmes qui ne sont pas ou très peu utilisés. Le fait d’arrêter quelques serveurs sur l’année, représente une économie importante.

  • L’utilisation des panneaux d’obturation et des brosses passe-câbles dans les racks informatiques pour éviter que l’air chaud s’échappe de l’allée chaude
  • Le regroupement des équipements produisant le même niveau de chaleur ou nécessitant un certain niveau de température ou d’humidité, pour permettre de gérer de manière plus ciblé le système de refroidissement

Conclusion

Ce post m’a permis de faire un tour d’horizon des solutions possibles qui pourraient être utilisées non pas seulement en zone tropicale, mais par tous, car le réchauffement climatique est l’affaire de tous et des économies d’énergie sont toujours une bonne chose pour tout le monde. Ces solutions évoquées dans ce post ne sont pqs exhaustives.

Réduire la consommation d’énergie des Datacenters de manière efficiente et va donc permettre à ces pays de la ligne équatoriale d’être capable de fournir, non plus seulement des usines géantes de textile mais également des usines géantes de données qui pourront rivaliser avec celles qui sont construites dans les régions tempérées.

Source :

  • Comment réaliser des economies d’énergie dans les datacenters grâce au câblage suspendu, Livre Blanc 159, Par Victor Avelar, APC by Schneider Electric
  • L’impact imprévu de l’augmentation des temperatures du datacenter, Livre Blanc 221, Par Wendy Torell, Kevin Bron, Victor Avelar, APC by Schneider Electric


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