Debate y Conocimiento

Este interesante artículo nos muestra uno de los grandes retos a los que se enfrentan las grandes compañías tecnológicas en materia de sostenibilidad: el alto consumo energético de los Centros de Procesos de Datos (CPD's). Adéntrese en uno de los desafíos más importantes de la 'informática verde'

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Introducción

Este capítulo sobre la informática 'Verde' pretende resaltar el tema de la electricidad, y el elevado consumo que hacen de la misma los Centros de Proceso de Datos (CPD's), lo cual se ha convertido en una fuente de preocupación no sólo entre los responsables de las TIC's, sino también de los 'controllers' financieros, por la elevada carga que supone para las finanzas de las compañías.

Si bien es ampliamente conocida la gran capacidad de proceso y almacenamiento que reside en los CPD's, existe un gran desconocimiento sobre la dimensión de su consumo energético, así como de las razones por las que se ha disparado el mismo y ha pasado a ser un tema de preocupación para sus responsables.

En el primero de los apartados que siguen se realiza una exposición sobre el escenario en el que se ambienta este problema, para seguidamente pasar a describir un poco más ampliamente el mismo, dejando para capítulos posteriores las soluciones e iniciativas que se están realizando por parte de las empresas y organismos públicos para atajarlo.

Potencia versus Energía

En el uso cotidiano se usan habitualmente los términos 'Potencia' y 'Energía', pero cuando se los aplica al entorno eléctrico, se suelen utilizar de forma indistinta y por tanto incorrectamente. Es conveniente recordar que potencia y energía son conceptos diferentes y en este apartado se intentará refrescar y clarificar su significado con el fin de facilitar un mejor entendimiento de los próximos artículos.

Según su definición académica:

• La energía es una magnitud física abstracta, ligada al estado de un sistema cerrado y que se define como la capacidad de realizar un trabajo.
  La energía puede darse en múltiples formas: cinética, potencial, eléctrica,……etc., siendo posible cambiar de una forma a otra, y de ahí el principio de que 'la energía ni se crea ni se destruye, solo se transforma'. El calor es una forma de energía.
• La potencia se define como la capacidad de realizar un trabajo en una determinada cantidad de tiempo, y por tanto equivale a la energía consumida dividida por el tiempo en que se ha utilizado.
  Las unidades en que se mide la potencia eléctrica son los Vatios y la energía eléctrica en kilovatios.hora.
  Por dar una referencia visual a estos números, cabría señalar que el kilovatio (KV) - igual a 1.000 vatios - se usa para manifestar la potencia de motores, herramientas y máquinas (un kilovatio es equivalente a 1,3 caballos de vapor).

Para una mejor comprensión de la diferencia entre potencia y energía hagamos un símil automovilístico.

• En un automóvil, la potencia se podría definir como la capacidad que tiene el motor para realizar un trabajo, bien sea alcanzar una velocidad en un tiempo determinado, o bien transportar una determinada carga a cierta velocidad. Por tanto, es obvio que, a mayor potencia del motor, mayor es la capacidad de que se dispone para realizar ese trabajo, y consecuentemente también es mayor el consumo de combustible (energía) por unidad de tiempo.
• En el ejemplo anterior, la energía utilizada por dicho automóvil para realizar un trabajo se correspondería con el combustible consumido por el motor durante el tiempo en el que haya estado en funcionamiento.
  Este último punto es trascendental de cara a entender las iniciativas de mejora de la eficiencia energética (reducción del consumo), ya que el impacto en el ahorro de energía es significativamente superior si se disminuye el tiempo de utilización del motor, que si se disminuye la potencia del mismo.

Siguiendo con este ejemplo del automóvil, cuando se analizan las características técnicas de un vehículo se puede apreciar claramente, y de forma diferenciada, las relativas a la potencia y al consumo. La primera de ellas se mide en caballos de vapor, mientras que la segunda se muestra en litros de combustible por cada 100 km. Sin embargo, dado que el consumo depende no sólo de la potencia del motor sino de otros muchos factores de la conducción, tales como la velocidad, la aceleración, la presión de los neumáticos, se han definido una serie de escenarios concretos para mostrar su valor y poder realizar comparaciones entre vehículos diferentes. Algunos de los escenarios de conducción son: en carretera normal, en tramos urbanos, en autopista, etc.

Al igual que en el ejemplo anterior, en el entorno de los CPD's también tienen aplicación los términos Potencia y Energía, pero con diferentes matizaciones que conviene aclarar. En los apartados que siguen se describe con mayor detalle algunas de sus particularidades.

Potencia eléctrica en el CPD

Si bien la fuente principal de energía a los CPD's son las redes públicas de suministro eléctrico, por motivos de seguridad y redundancia, los CPD's deben disponer de una fuente propia que garantice el suministro de energía en caso de caída o indisponibilidad de dicha Red.

Esta fuente alternativa de respaldo se obtiene mediante la instalación de generadores (grupos electrógenos basados en motores diesel) dimensionados con la potencia suficiente para alimentar tanto a los equipos TIC, como a los Sistemas de Refrigeración y demás infraestructuras del CPD.

Como resultado de lo anterior, el límite de carga en un CPD viene determinado por la potencia máxima que puedan suministrar los grupos electrógenos de sus instalaciones. El reparto de la potencia total de dichos generadores entre la superficie útil destinada a los equipos TIC es lo que se define como densidad de potencia del CPD, y ésta ha venido siendo uno de los parámetros de diseño de los mismos.

Inicialmente los CPD's se diseñaban para una densidad de potencia de 400 Vatios/m2, pasando posteriormente a los 800 Vatios/m2 y a los 1.700 Vatios/m2, pero ante la llegada de nuevas arquitecturas computacionales con mayor densidad de proceso y almacenamiento, estos valores se están quedando pequeños para poder dar satisfacción a la elevada concentración de dispositivos por m2 y sus crecientes necesidades de refrigeración.

La gráfica siguiente muestra una estadística sobre la potencia instalada en los CPD's existentes, referidas en este caso, no a m2, sino por 'rack'[*].

En la misma se observa que, si bien la mayoría de los CPD's actuales están en unos niveles bajos de densidad de potencia, la tendencia es incrementar significativamente la misma, llegando a niveles difícilmente asumibles tanto por los proveedores de electricidad, como por las finanzas de las compañías.

Consumo energético En el CPD.

Tal y como se ha mencionado anteriormente, la principal fuente de suministro eléctrico de los CPD's es la red eléctrica. Por tanto, y a diferencia del ejemplo del automóvil, no es necesario utilizar siempre toda la potencia del motor para mantener los equipos operativos.

Si bien la potencia del CPD tiene que estar diseñada para soportar la máxima carga prevista, el consumo de energía debe adaptarse a las necesidades de cada momento. Un ejemplo obvio es que, si la mitad de los equipos estuviesen apagados, el consumo del CPD se reduciría significativamente, aunque la potencia instalada permanezca inalterada.

Las iniciativas 'Verdes' que se tratarán en este documento están dirigidas principalmente al apartado del consumo energético, dejando un poco al margen los temas de potencia.

En los equipos TIC vienen bien especificados los datos de la potencia que necesita el equipo para su correcto funcionamiento pero, a diferencia de lo que ocurría en el ejemplo del automóvil, no suelen aparecer los datos relativos a su consumo energético. Asimismo, los datos especificados por algunos de los fabricantes de equipos TIC expresan la potencia, en lugar de Vatios, en unidades Voltio Amperios (VA) lo que introduce un nuevo factor de confusión sobre el consumo real de los equipos. En el caso de las bombillas incandescentes coinciden los Vatios y los Voltio Amperios, por lo que se puede hablar de un factor de potencia igual a 1, pero sin embargo en los equipos TIC la equivalencia entre ambas unidades no es 1:1 lo cual conlleva realizar cálculos más laboriosos.

¿Dónde va la energía que se consume en los CPD's?

A diferencia de la informática personal, en la que los equipos se conectan a una fuente de electricidad (220V) y a partir de ese instante están operativos, para la informática empresarial que reside en los Centros de Proceso de Datos el tema eléctrico es algo más complejo, y conlleva una serie de retos tecnológicos sobre los que se intentará arrojar algo de luz en este apartado. Antes de ello, conviene refrescar los principales componentes de un CPD, que aparecen en una visión simplificada en la figura adjunta.

La tensión de entrada desde el exterior (voltaje de la acometida eléctrica) proveniente de la compañía de suministro eléctrico, está comprendida entre los 20.000 y 45.000 Voltios, lo cual obliga a instalar en el CPD una pequeña central de transformación (Primary switchgear) que permita acondicionar la tensión eléctrica a los niveles requeridos por las infraestructuras del CPD, y así poder alimentar los equipos informáticos instalados en él.

Una vez resuelto el tema de la tensión eléctrica, se procede al reparto de energía entre los diferentes componentes del CPD, y aunque parezca llamativo, la parte más importante de la energía no se destina a los equipos TIC en sí, sino al resto de las infraestructuras, tal y como se describe en el apartado siguiente.

El reparto de la Electricidad:

Antes de entrar en mayores detalles conviene refrescar los principales componentes que consumen energía en el CPD y se aprovechará para incluir su vocablo en inglés.

Definiciones:

• Power Utility = Compañía de suministro eléctrico
• Primary switchgear = Conmutador de entrada
• Engine Generador = Grupo electrógeno
• Chiller = sistema de producción de frío,
• Cooling towers = Torres de refrigeración,
• Cooling units = Equipos interiores de Aire Acondicionado ,
• PDU = Sistema de distribución de potencia ,
• UPS = Sistema de alimentación ininterrumpida o SAI,
• Misc Loads = p.e. Iluminación
• IT Hardware = Equipamiento TIC (Sistemas Informáticos)

El gráfico siguiente muestra los elementos a los que llega la electricidad. Aparecen diferenciados por su color. Se puede observar el camino que sigue la electricidad hasta llegar a la parte computacional, marcado en verde, y el resto de elementos de las infraestructuras del CPD, que aparecen marcados en rojo.

A diferencia del gráfico anterior en el que se muestra una visión cualitativa del reparto de energía, en el siguiente gráfico se muestra a título informativo, una visión cuantitativa sobre cómo se produce dicho reparto energía en un CPD, y en el que se puede apreciar que la energía consumida por los sistemas de refrigeración (Cooling Systems ) es superior a la consumida por los equipos TIC.

'The Uptime Institute' en su documento 'Four Metrics Define Data Center Greenness' definió una serie de parámetros que permitieran medir la eficiencia energética de los CPD's, y entre los que cabe destacar el PUE ( Power Use Efficiency), el cual se obtiene dividiendo el consumo total del CPD entre el consumo que realizan únicamente los equipos TIC.

Una medición del mencionado PUE en los CPD's actuales mostró que dichos valores estaban por encima del valor 2 y en algunos casos por encima del valor 3, lo cual significa que en ambos casos menos de la mitad de la energía utilizada en un CPD se destina a alimentar los equipos TIC. En el ejemplo del gráfico anterior el valor del PUE sería superior a 3 (30%).

El resultado de lo anterior es que la mayor parte de la potencia se destina a las infraestructuras de CPD, denominadas en inglés 'Facilities', y que incluyen los equipos de producción de frío, las unidades internas de refrigeración, el sistema de baterías (SAI), equipos de energía y la iluminación.

El calor:

Una vez suministrada la energía necesaria para que los equipos puedan operar, se plantea un nuevo reto como consecuencia del principio de conservación de la energía, ya que los equipos del CPD transforman en calor casi la totalidad de la energía que se les suministra. A su vez, si este calor no es extraído hacia el exterior, hará que se incremente la temperatura y provocará que los equipos se paren por sobrecalentamiento.

Según un estudio de 'Opengate Data System', en un CPD típico, si no existiera un sistema de refrigeración, una vez transcurridos tres minutos desde la puesta en marcha de los equipos éstos empezarían a 'caerse' por fallo térmico (Overtemp).

La Refrigeración:

Del punto anterior se deduce que la refrigeración de los equipos TIC es un elemento crítico para el correcto funcionamiento de un CPD.

En los comienzos de la informática, y hasta los años 80, los grandes ordenadores iban refrigerados por agua ya que la tecnología de 'transistores' existente en esos momentos producía mucho calor y era la única manera de mantener su temperatura dentro de los márgenes de tolerancia. Pero, con la aparición de los circuitos integrados y la elevada densidad de integración de los 'microchips', disminuyeron las necesidades de refrigeración, pasando a ser realizada por ventiladores de aire. Esto, a su vez, contribuyó a la disminución del coste de fabricación, con la consiguiente proliferación del número de equipos.

Los sistemas actuales de refrigeración por aire son grandes consumidores de energía, de tal forma que por cada Vatio de energía que se suministra a los equipos TIC del CPD se requiere otra cantidad similar para alimentar a los equipos de refrigeración. Ello significa que por cada Vatio de energía que se suministra a los equipos TIC del CPD se necesita otra cantidad parecida de energía para extraer el calor generado por la primera.

La resultante de lo mencionado en los puntos anteriores conduce a un apetito descontrolado de los CPD's por la electricidad, que además se ha visto recientemente agravado por las novedades tecnológicas, ya que, con las actuales necesidades informáticas, donde antes había unos pocos ordenadores de arquitectura Mainframe ahora existen miles de servidores, y cada vez de mayor densidad.[*]

¿Por qué consumen tanta energía los CPDs?

Históricamente, los CPD's se han diseñado con grandes factores de tolerancia para poder acomodar crecimientos futuros y posibles expansiones, lo que ha supuesto un sobredimensionamiento de sus infraestructuras de energía y refrigeración, que en la actualidad han quedado obsoletas ante los nuevos avances tecnológicos. Consecuentemente, son muy poco eficientes desde un punto de vista energético.

Esta situación queda reflejada en el dato de que más del 80% de los CPD's existentes se construyeron antes de 2001. En una configuración habitual se consume aproximadamente dos o tres veces la cantidad de energía que sería necesaria para alimentar a los equipos TIC que alberga en su interior.

El coste del sobredimensionamiento de las infraestructuras del CPD, bien para disponer de capacidad ociosa para afrontar necesidades futuras, o bien para disponer de configuraciones en alta disponibilidad, era algo fácilmente asumible por la compañías, frente al riesgo de no dar satisfacción a las necesidades del negocio. Asimismo, el coste asociado a la energía era muy pequeño en comparación con los presupuestos destinados a las TIC's. Sin embargo, este escenario ha cambiado en los últimos tiempos, en los que han pasado a ocupar un puesto predominante temas tales como la eficiencia energética y el cambio climático.

Si bien el diseño de los CPD's contemplaba un escenario de evolución en lo referente a las TIC, lo cierto es que la realidad ha dejado cortas dichas previsiones, ya que, en respuesta a la demanda del mercado, la industria de las TIC ha ido mucho más allá y ha desarrollado:

• Servidores más potentes, más pequeños y más baratos.
• Sistemas de almacenamiento con más capacidad, de mayor densidad y más baratos.
• Equipos de red más potentes, con mayores prestaciones y más flexibles.

En la figura adjunta se muestran las dos tendencias predominantes en cuanto a mejora de la eficiencia en el hardware desde mediados de los años 90.

Estas dos tendencias son la de Servers optimizados para su instalación en Rack y la de los Blade Servers, que han ido desplazando la tecnología anterior, mejorando enormemente la capacidad de proceso e incrementando a su vez las necesidades de consumo energético.

La figura adjunta muestra la evolución en porcentaje (%) de las tres principales tecnologías de fabricación de servidores. Si bien en los años 90’s la mayoría de los servidores eran de apariencia física similar a electrodomésticos (dispositivos independientes y colocados en el suelo), a partir del año 2000 aumentaron significativamente los equipos que iban montados en bastidores, en 'rack' ( similar a colocar módulos en una estantería), y en los últimos años se observa que cada vez van teniendo mayor presencia los servidores tipo Blade (representado por el color azul), que tienen un concepto similar al de las tarjetas de componentes electrónicos, las cuales se enchufan a un zócalo, a través del cual obienen todo lo necesario para su correcto funcionamiento (alimentación, comunicaciones, adaptadores, ..etc.)

Aunque, con frecuencia, esos nuevos dispositivos presentan mejores niveles de eficiencia por unidad de proceso, también es cierto que a nivel de dispositivo se requiere más energía. A título de ejemplo:

Un equipo nuevo es 5 veces más potente que su antecesor, requiere solo 2 veces la energía que consumía este último y ocupa la mitad de espacio.

Desde un punto de vista de prestaciones, el nuevo equipo es mucho más eficiente que el primero ya que para la misma energía ofrece un mayor rendimiento, pero desde el punto de vista energético se produce el fenómeno de que, donde antes había un servidor, ahora se pueden instalar 2 servidores, y por tanto se necesitaría una potencia 4 veces superior a la situación anterior.

Este ejemplo pudiera parecer exagerado, pero demuestra que los nuevos avances tecnológicos están llegando más lejos que las estimaciones, tal y como ocurre con los servidores tipo 'Blade', que montados en 'Rack' requieren una potencia de 20.000 Vatios/rack, y en consecuencia su refrigeración plantea un serio problema ya que estos servidores se convierten en una elevada fuente de calor en un espacio muy reducido, o lo que es lo mismo, algo parecido a una 'estufa'.

Según algunos analistas de mercado, el precio de los servidores se ha mantenido bastante estable durante los últimos años, pero no así los de su consumo energético, de tal manera que la factura de la electricidad ha pasado a representar una parte importante del coste total. Según 'The Uptime Institute', el coste de alimentar y refrigerar los servidores durante tres años es equivalente al coste de adquisición del hardware del servidor.

Llevando este argumento al extremo, resultaría que a una empresa le costaría más la factura de la electricidad de CPD que lo que ha pagado por los equipos TIC que tiene instalados en su interior.

¿Por qué la energía electrica es una preocupación?

Ante el escenario descrito en los apartados anteriores, los responsables de los CPD's se encuentran un panorama que se podría resumir en los siguientes puntos:

• Los precios unitarios de la energía se han venido incrementando en un 4% anual y las expectativas son que los aumentos sean mayores.
• El consumo unitario por servidor se incrementa en un 9% anual.
• El volumen de servidores se ha duplicado en el periodo 2000-2005 (5 años) y se estima que entre los años 2000 y 2010 el número de servidores crecerá por un factor de 6 veces.
• Los sistemas de almacenamiento crecerán, para el mismo periodo que el punto anterior, en un factor de 69 veces la capacidad actual.
• El consumo energético de los CPD's a nivel mundial se duplicó en el tramo 2000-2005.

Y para aumentar un poco más la presión, si cabe, la creciente concienciación social hace que los clientes comiencen a exigir en sus CPDs iniciativas de sostenibilidad y de respeto al medioambiente. Las estrategias de diferenciación por Responsabilidad Social son cada vez más frecuentes en nuestro tejido empresarial (Grupo Forlasa, Sol Meliá, ALSA y LAN Airlines, por poner solo algunos ejemplos) y un CPD con apetito voraz por la energía puede dañar esta estrategia.

En la figura siguiente se muestra un gráfico con la prospectiva del consumo energético de los CPD's bajo distintos escenarios en EE.UU. En la misma se aprecia que si no se toman iniciativas al respecto, los temas energéticos pasarán a ser la principal fuente de preocupación para los responsables de los CPD's.

Aunque el coste de la factura energética y la imagen de resposabilidad social son factores importantes en sí mismos, existe otro componente que tampoco se debe dejar de lado y es el de la garantía del suministro eléctrico. Téngase en cuenta que un CPD de tamaño medio consume la misma electricidad que una ciudad de 40.000 habitantes. Ante la gran demanda que están teniendo las compañías eléctricas, sobre todo en áreas densamente pobladas, se están encontrando al límite de su capacidad de suministro y en consecuencia no puede atender demandas adicionales de energía.

Se da el caso de que ya existen compañías que, teniendo espacio disponible en sus CPD's, no pueden desplegar más equipos TIC porque no es posible suministrar la electricidad adicional necesaria para alimentarlos, con independencia de su precio. Como consecuencia de ello, han llegado a un punto de bloqueo, de tal manera que, si no liberan energía de algún otro sitio, su capacidad para atender a las demandas del negocio estará en riesgo, ya que la compañía suministradora no dispondrá de más energía para vender.

Conclusión

En los últimos años se ha producido un conjunto de fenómenos que están alterando la tranquilidad en el entorno de las TIC's, y dichos fenómenos se resumen sencillamente en el encarecimiento de la energía, la gran proliferación de equipamientos TIC, y una creciente concienciación por los efectos del Cambio Climático.

Por tanto el escenario con que se encuentran las empresas es el de un consumo energético cada vez mayor, y unos precios de la energía también mayores, lo cual está disparando los costes de las TIC's. A modo de ejemplo indicar que las previsiones en Telefónica de España para el año 2009 muestran un incremento del 5% en el consumo eléctrico y, sin embargo, más del 20% en la factura que habrá que pagar a la compañía eléctrica[*].

A todo esto hay que añadir clientes, medios de comunicación y medios políticos cada vez mejor informados, más implicados en la lucha contra el Cambio Climático. Las líneas de trabajo que marcan los Organismos Reguladores acerca de los CPDs son todavía preliminares y dejan margen para la adhesión voluntaria.

De los apartados anteriores se deduce un mensaje claro:

• Los costes energéticos están aumentando rápidamente.
• La capacidad de suministro eléctrico es limitada.
• La infraestructura de los CPD’s está al límite.
• La capacidad para responder a las demandas del negocio estaría en riesgo de no haber garantía de suministro eléctrico.
• El impacto negativo en el Medio Ambiente pone en riesgo la percepción del consumidor.

Los Centros de Procesamiento de Datos ya no se pueden quedar al margen en lo que respecta a la Eficiencia Energética. Deben pasar a la acción.

Es por ello que muchos organismos y empresas, entre ellas Telefónica, han lanzado iniciativas innovadoras para resolver esa difícil ecuación, y ven en la nueva ola de la 'Informática Verde' una herramienta o vía de solución al reto de reducir los consumos energéticos, fomentar la competitividad en el sector de las TICs y contribuir con la responsabilidad social siendo respetuosos con el medio ambiente.

En el próximo capítulo de esta serie se describirán algunas de ellas. Ver: La informática verde. Capítulo 3. Soluciones al apetito de los Centros de Proceso de Datos por electricidad .

Artículo relacionado:

• La informática verde. Capítulo 1: El cambio climático y las TIC

BIBLIOGRAFÍA:

• IDC- The impact of Power and Cooling of Data Center Infrastructure. June 1, 2007
• HP.- Eficiencia Energética en los CPD's
• APC- Reducing Energy Cost of your Data Center 6/28/2007 - Joe Jones
• APC. Implementing Energy Efficient Data Centres White Paper.
• APC- White paper #113. Electrical Efficiency Modeling form Data Centers by Neil Rasmussen
• APC- White paper #15. Watts and Volt-Amps: Powerful confusion by Neil Rasmussen
• EPA Report to Congress on Server and Data Center Energy Efficiency; August 2, 2007
• GAP. 'An Inefficient Truth'. Report Dec 2007. Global Action Plan.
• Unidades derivadas del Vatio para la distribución de la potencia: Kilovatio y Megavatio.
• Compromiso CO2=0 del Grupo Forlasa (primer fabricante de Queso Manchego).
• Compromiso Medioambiental de Sol Meliá y ALSA. Sala de Prensa de Sol Meliá.

Autores: Néstor González, Luis Moran y José Manuel Angioleti de Telefonica SA; José Alberto Varela de TEspaña Grandes Empresas

«Artículo incluido en el boletín eKISS nº 78, una publicación semanal interna de Telefónica»