Construindo datacenters com uso eficiente da energia

Olá caros leitores do Sun Inner Circle. Aqui é Bob Worrall voltando com mais um episódio da série de cartas que publico neste espaço, contando minhas visões sobre o setor de TI e os mais recentes desenvolvimentos da Sun. No mês passado, falei sobre algumas das maiores lições que aprendi durante os meus 100 primeiros dias como CIO da Sun. Neste mês, vou analisar um assunto que está esquentando (literalmente!) cada vez mais nos atuais datacenters – o consumo eficiente de energia e a eco-responsabilidade.

Que me desculpem os leitores, mas é bem provável que os CIOs não façam a menor idéia das despesas de energia de um datacenter. Em geral, as contas de luz são enviadas diretamente ao pessoal encarregado do espaço físico ou ao constas a pagar. Entretanto, com o aumento dos custos da energia em todo o mundo, muitos CEOs estão começando a delegar a responsabilidade pelos custos de energia do datacenter ao CIO. Essa simples mudança contábil representa uma guinada radical nas atuais organizações – e cada vez mais sou questionado sobre o tema por executivos que querem saber como a Sun está lidando com os custos de energia mais elevados.

Para dirimir algumas dessas dúvidas, convidei Mark Monroe para participar comigo de uma sessão de perguntas e respostas. Mark está na Sun há mais de 13 anos e por algum tempo administrou os datacenters da Sun. Mais recentemente, Mark foi trabalhar com Dave Douglas, Vice-presidente de Eco-responsabilidade da Sun. Agora, como Diretor de Computação Sustentável, passa o tempo incentivando o consumo eficiente de energia nos datacenters e determinando qual parcela dos gastos de energia da Sun provém de energia ecológica. Ele entende como a Sun está diminuindo o calor em seus datacenters para reduzir as despesas de energia e incentivar a eco-responsabilidade.

Worrall: Mark, você faz parte do movimento de eco-responsabilidade há algum tempo. Por que esse assunto entrou em voga para os administradores de datacenter?

Monroe: Tudo se resume a princípios básicos de economia. Os pesquisadores do Lawrence Berkeley Labs realizaram extensos estudos sobre o consumo de energia e a eficiência dos datacenters. O LBL estimou que 3% do total do consumo de energia nos Estados Unidos – incluindo automóveis, edificações, casas e tudo o mais que consome energia – são provenientes dos datacenters. Além do mais, os índices de consumo de energia estão seguindo a lei de Moore: à medida que os processadores ficam mais poderosos, o consumo de energia cresce na mesma proporção do aumento da capacidade de processamento. Com base nessa teoria, o LBL concluiu que os índices de consumo de energia dobram a cada dois a quatro anos. Além disso, o estudo que citou os 3% foi realizado em 2004, e agora, em 2007, é concebível que os datacenters estejam engolindo de 5 a 6% da energia dos EUA.

Worrall: Além do crescimento no consumo de energia, quais outros fatores estão contribuindo para a conscientização dos profissionais de TI em relação à eco-responsabilidade?

Monroe: A segunda peça do quebra-cabeças é que o custo da operação dos recursos computacionais está começando a ultrapassar o custo da aquisição dos ativos. Quando essas duas despesas são representadas em um gráfico (ver Figura 1), elas se cruzam (dependendo de alguns fatores) em algum momento entre 2004 e 2015. Ou seja, talvez já tenha passado o momento crítico, quando as despesas se cruzam, em relação à origem das despesas de datacenter. Nesse meio tempo, o foco dos CIOs e operadores de datacenter naturalmente muda para o tema da energia.

Worrall: Quanto de energia estamos perdendo ou desperdiçando para alimentar nossos datacenters?

Monroe: A Sun também tem estudos sobre isso. Na verdade analisamos a energia usada pelos datacenters – começando pelo carvão e terminando nos bits de uma tela. Normalmente, cerca de 9% do total de energia se dissipa como resultado da perda nas linhas de transmissão antes mesmo de ela chegar ao datacenter. Quando a energia já está no datacenter, há uma métrica chamada PUE (eficiência no uso da energia) que determina a quantidade de energia que entra no medidor em comparação com a quantidade que é consumida pelos equipamentos de TI.

O PUE no datacenter da Sun em Broomfield, Colorado, varia entre 2 e 2,4. Assim, cada watt consumido por um servidor requer de 2 a 2,5 watts de energia elétrica da distribuidora. Há muitas perdas – no no-break, no conjunto de manobra, nas fontes de alimentação dos equipamentos, na fiação que percorre os pisos e na refrigeração. Mas também há uma boa notícia: reduzir o consumo de energia é como matar dois coelhos com uma cajadada só.

Worrall: Quais são as métricas que os projetistas de datacenter devem ter como foco para tentar reduzir as despesas relacionadas a energia?

Monroe: Dizem que “medir é fundamental para gerir”. As empresas precisam ser capazes de medir o consumo de energia de seus datacenters. Por exemplo, a Sun pode dizer qual parte da conta de luz se refere aodatacenter, separando do restante da edificação. Além do mais, a empresa coloca submedidores em muitos pontos diferentes do datacenter, incluindo antes do no-break, depois do no-break e antes das unidades de distribuição de energia – a Sun faz inclusive monitoração de racks. No futuro, a monitoração de racks poderia ser feita remotamente e alimentada no sistema geral de gerenciamento de servidores para que os operadores pudessem usar a energia como uma variável para mudar as cargas de trabalho em épocas de pico, evitando assim problemas como baixas temporárias de energia.

Worrall: Quais outras métricas as pessoas deveriam acompanhar?

Monroe: Acompanhar a idade dos sistemas é uma experiência de alerta na Sun. As tecnologias mais novas são muito mais eficientes no consumo de energia. Os sistemas mais recentes empregam os avanços nas fontes de alimentação e em outras tecnologias, e a Sun descobriu que saber a idade da infra-estrutura e dos sistemas – e ter um plano para atualização deles – pode fazer uma grande diferença na conta de luz.

Worrall: Eu imagino que, quando se começa a medir a idade da infra-estrutura, em algum momento fica mais barato comprar novos equipamentos, não é?

Monroe: Trocar equipamentos obsoletos é importante, desde que faça bastante sentido. Christian Belady, distinto engenheiroda HP, faz uma apresentação que levanta uma questão importante: se você observar a energia da computação ao longo do tempo, indagará por que é que um processador de texto precisa operar cinco vezes mais rápido do que há três anos? Quando a questão é examinada sob esse ponto de vista, muitas empresas podem começar a trocar os equipamentos por computadores da mesma capacidade de processamento para aproveitar a redução do consumo elétrico.

Worrall: A energia de corrente contínua no datacenter foi mencionada como uma forma de reduzir os custos de energia. Qual é a sua opinião sobre isso?

Monroe: Fizemos um estudo com o Lawrence Berkeley Labs em conjunto com inúmeras empresas do setor, dentre as quais HP, IBM, Emerson Network Power e outras 15 a 20 organizações. Construímos um datacenter de corrente contínua em nossa unidade de Newark, Califórnia, como forma de demonstração e para medir o ganho de eficiência, ao não precisar converter a energia de corrente alternada em contínua e vice-versa. Normalmente, há perda de mais ou menos 2 a 8% quando a energia CA que chega ao datacenter é convertida em energia CC para carregar as baterias do no-break –; depois ela é convertida de volta em energia CA e energia CC em três lugares diferentes do datacenter. Por isso, construímos um datacenter CC para ver o que aconteceria se eliminássemos todas essas conversões.

Worrall: E quais foram as descobertas?

Monroe: Pois é... a questão é meio complexa. Tivemos de obter tensões de CC altas o suficiente no datacenter para torná-las eficientes para uso. As companhias telefônicas operam com energia CC de 48 volts, mas esse número é muito ineficiente em um datacenter de TI. Então decidimos operar o datacenter com 380 volts de energia CC. Agora, a energia CC é mais perigosa do que a energia CA, por isso há problemas de segurança envolvidos, e passamos um bom tempo procurando eletricistas para fazer a ligação da energia CC de 380 volts. Além de tudo isso, não há um plugue de energia CC de 380 volts. Em outras palavras, um dos motivos pelos quais a energia CC não está decolando é que ela exige artimanhas para funcionar com as limitações do mundo real. De qualquer modo, houve alguns ganhos. Medimos entre 5 e 20% de ganhos de eficiência em comparação com um datacenter típico de energia CA de baixa tensão.

Worrall: Parece um pouco irreal hoje, considerando-se os desafios do mundo real. Há outras alternativas além da energia CC?

Monroe: A American Power Conversion (APC) fez um excelente trabalho de demonstrar que a fonte de alimentação CA de alta tensão – a norma CA de 440 a 480 volts que é comum em muitas partes do mundo – pode funcionar de modo tão eficiente quanto uma CC de alta tensão. Na minha opinião, a energia CC faz sentido se uma empresa está construindo do zero um datacenter de vários petabytes e tem condições de bancar uma personalização extensiva. Daí, os 20% de ganhos de eficiência fazem uma grande diferença em termos de economia de custo. Mas para uma empresa típica, a energia CC provavelmente faz menos sentido do que a CA de alta tensão.

Worrall: Ouvi dizer na imprensa que o Google e a Microsoft estão construindo novos datacenters no rio Columbia. O que você acha dessa idéia?

Monroe: É uma excelente iniciativa em prol da eco-responsabilidade da parte deles. Há uma barragem imensa lá – a barragem hidrelétrica de Dalles – que o Google e a Microsoft esperam explorar para obter energia mais limpa e mais barata. Além do mais, apesar de o custo da energia comercial em Washington e Oregon ser de duas a duas vezes e meia menor do que na Califórnia, ele cai ainda mais em Nevada ou Utah, onde é quase três vezes menor do que na Califórnia.

Acho que o Google se mudou para Dalles para usar energia limpa, além de economizar custos. Nevada, Utah, Wyoming, Montana, Virgínia do Oeste e Kentucky têm a energia mais barata dos EUA, mas esses estados dependem de carvão para 96% de sua produção de energia. A motivação econômica pode ser maior ou menor em diferentes empresas, mas a eco-responsabilidade também deve ser um fator importante, e claramente foi no processo de decisão dessas duas empresas.

Worrall: A Sun avaliou alguma solução ecologicamente correta para os desafios do consumo de energia?

Monroe: Sim. Estamos empenhados em obter algumas matrizes fotovoltaicas solares para as coberturas de nossas edificações no Colorado. Também procuramos usar parte de nossa capacidade de energia de backup com maior freqüência. Por exemplo, pensamos em pegar esses geradores a diesel no datacenter de Broomfield e operá-los periodicamente para fazer o chamado peak shaving (redução de consumo em horários de pico), o que poderia ter um grande impacto em nossa conta de luz. O fato é que, se a Sun converter esses geradores a diesel em biodiesel, eles serão cinco vezes mais baratos do que a energia de carvão adquirida em Colorado. Evidentemente, a primeira reação que a Sun obtém dos funcionários da unidade é que a empresa não pode operar os geradores de backup a não ser em casos de emergência. Bom, do meu ponto de vista, os atuais custos de energia são uma emergência.

Worrall: Quais são as outras idéias criativas que você tem para reduzir as despesas relacionadas a energia?

Monroe: Uma idéia é fazer o CIO pagar a conta de luz como parte de seu orçamento. O datacenter é o maior consumidor de energia de uma empresa. Na realidade, eu isolei o consumo de energia do datacenter de Broomfield do resto das edificações e descobri que cada uma, sem o datacenter, consome cerca de 490 kilowatts-hora todos os dias. O datacenter em Broomfield consome cerca de 1.900 kilowatts-hora por dia. Quando você é um CIO, não vê nenhuma despesa de energia, por isso não fica motivado a economizar nada. Então, uma solução para reduzir o consumo de energia seria uma simples mudança contábil – tornar o CIO responsável pelos custos de energia do datacenter.

Worrall: Quando as organizações estão projetando os datacenters, há algumas melhorias de processo que podem aumentar a eficiência relacionada à energia?

Monroe: Existe um conceito conhecido como retrocomissionamento. Na realidade, esse conceito começou no setor de construção ecológica com o benchmark LEED (Leadership in Energy and Environmental Design). A idéia é tratar uma edificação como se fosse um navio que é comissionado: antes de alguém quebrar a garrafa de champagne e declarar que a embarcação está pronta para navegar, seria prudente contratar um profissional para revisar todos os sistemas e conferir se tudo está funcionando perfeitamente. Estudos indicam que o retrocomissionamento é extremamente econômico. O custo é de algo como 3 dólares por metro quadrado para realizar o retrocomissionamento e, o retorno em geral, é de cerca de 15% do total do consumo de energia da edificação. Além disso, o investimento normalmente se paga em cerca de sete meses.

Worrall: Parece uma ótima idéia. Poderia dar um exemplo do que esse processo poderia revelar?

Monroe: Sim. Ouço muitos casos de gente que usa o ar-condicionado do datacenter para refrigerar o ambiente entre 12,2 e 13,3°C, enquanto os sistemas na verdade estão especificados para operar a 22,2°C. Os operadores do datacenter fazem isso porque essa é a única maneira de lidar com pontos de calor – diminuir a temperatura da sala inteira para compensar o superaquecimento de alguns sistemas. Em vez disso, não faria mais sentido pensar em uma melhor disposição física dos sistemas? Em vez de refrigerar a sala inteira, os funcionários deveriam se concentrar na eliminação dos pontos de calor e aumentar a temperatura para o valor especificado. Com a simples mudança de posição dos servidores e a refrigeração localizada, as empresas poderiam economizar rios de dinheiro.

Worrall: Impressionante! Por fim, parece que alguns servidores com consumo eficiente de energia da Sun, como os servidores CoolThreads com processadores UltraSPARCT1 multithread, também podem oferecer possíveis economias de energia.

Monroe: Aqui na Sun, Dean Nelson me mostrou alguns dados indicando que, no geral, eles conseguiram reduzir o espaço ocupado pelos sistemas em 87%, ao mesmo tempo obtendo uma redução de 75% no consumo de energia usando alguns dos novos servidores Sun. Dean acrescentou também 300% da capacidade de processamento anterior. Então, isso é mais do que o triplo da capacidade de processamento e um quarto da energia elétrica.

Bob Worrall
CIO da Sun Microsystems, Inc.
cio@sun.com