L'efficacité énergétique au cœur du centre de données

Bonjour à tous les lecteurs de Sun Inner Circle ! Ici Bob Worrall, le responsable des TI de Sun. La lettre mensuelle que je publie dans ces colonnes me permet de partager avec vous mes idées sur l'industrie informatique en général et sur les dernières évolutions de Sun en particulier. Le mois dernier, j'ai tenu à vous faire part des principaux enseignements que j'ai retirés de mes 100 premiers jours au poste de responsable des TI de Sun. Ce mois-ci, j'ai décidé d'aborder un thème de plus en plus brûlant (au propre comme au figuré) pour les responsables informatiques actuels : celui de l'efficacité énergétique et de l'éco-responsabilité.

Soit dit sans vouloir offenser personne, le fait est que la plupart des responsables des TI n'ont pas la moindre idée des dépenses énergétiques liées à leur centre de données. Les factures d'électricité sont, en général, adressées directement à l'équipe responsable de la gestion des locaux ou au directeur financier. Cependant, avec la hausse mondiale du prix de l'énergie, nombre de chefs de la direction commencent à tenir le directeur des TI pour responsable de la consommation du centre de données. Or, ce simple ajustement des procédures comptables engendre une mutation colossale à l'échelle des organisations concernées — une petite révolution au sujet de laquelle je suis fréquemment interrogé par des dirigeants d'entreprise curieux de savoir quelle stratégie Sun a adoptée face à l'envolée des coûts de l'énergie.

Afin de mieux répondre à ces interrogations, j'ai invité Mark Monroe à se joindre à moi pour une séance de questions-réponses. Mark a passé plus de 13 ans chez Sun, dont une bonne partie en tant que responsable de centres de données Sun. Il a été tout récemment le collaborateur de Dave Douglas, vice-président chargé de l'éco-responsabilité chez Sun. Aujourd'hui directeur de l'informatique durable (Sustainable Computing), Mark passe le plus clair de son temps à promouvoir l'efficacité énergétique au cœur du centre de données et à développer la part d'énergie verte au sein du portefeuille énergétique de Sun. Nul ne sait mieux que lui comment Sun s'y prend pour faire baisser la température au sein de ses centres de données, pour réduire sa facture énergétique et pour promouvoir l'éco-responsabilité.

Bob Worrall : Mark, cela fait un certain temps que vous êtes dans la mouvance de l'éco-responsabilité. Comment cette question est-elle devenue un enjeu crucial pour les responsables de centre de données ?

Mark Monroe : Tout cela peut se ramener à un calcul économique fort simple. Une équipe de chercheurs des Lawrence Berkeley Labs (LBL) a mené des études très poussées sur la consommation et l'efficacité énergétiques des centres de données. Selon leurs estimations, 3 % de la consommation énergétique totale des États-Unis — en tenant compte des automobiles, des bâtiments, des maisons individuelles et de tout autre dispositif consommateur d'énergie — seraient imputables aux centres de données. De plus, les niveaux de consommation énergétique s'alignent sur la loi de Moore : à mesure que les processeurs montent en puissance, la consommation augmente à proportion du gain en capacité de traitement, ce qui permet aux LBL de conclure que la consommation d'énergie double tous les deux à quatre ans. Il convient enfin de noter que l'étude qui avançait ce chiffre de 3 % date de 2004, si bien que nous sommes parfaitement fondés à supposer qu'aujourd'hui, en 2007, les centres de données absorbent jusqu'à 5 ou 6 % de la consommation énergétique des États-Unis.

BW : Mis à part l'augmentation de la consommation énergétique, quels sont les autres facteurs susceptibles d'expliquer la prise de conscience des décideurs informatiques vis-à-vis de l'éco-responsabilité ?

MM : La seconde pièce du puzzle est le fait que le coût de fonctionnement des ressources informatiques commence à dépasser leur coût d'acquisition. Lorsqu'on trace les deux courbes sur un diagramme (voir figure ci-dessous), on s'aperçoit que ces deux types de dépenses se croisent quelque part entre 2004 et 2011 (en fonction d'un ensemble d'autres facteurs). En d'autres termes, nous pourrions fort bien avoir déjà dépassé un point d'inflexion critique concernant l'origine des coûts relatifs au centre de données. Une fois ce point franchi, l'attention des responsables des TI et des exploitants de centre de données se tournera tout naturellement vers les questions énergétiques.

BW : Quelle est la quantité d'énergie dépensée — ou gaspillée — pour alimenter nos centres de données ?

MM : Cet aspect a également été étudié par Sun, en prenant en compte le cycle énergétique complet — depuis la production d'énergie jusqu'à l'affichage de données. En règle générale, environ 9 % de l'énergie totale disparaissent du fait des pertes en ligne en amont du centre de données proprement dit. À l'intérieur de ce dernier, nous mesurons l'efficacité énergétique — ou PUE (Power Use Efficiency) — sous la forme du rapport entre la quantité d'électricité relevée au compteur et la quantité d'électricité effectivement consommée par les équipements informatiques.

Le PUE du centre de données Sun de Broomfield (Colorado) se situe ainsi entre 2 et 2,4, ce qui signifie que chaque watt utilisé par un serveur suppose une consommation de 2 à 2,5 watts au compteur. Les pertes sont importantes — au niveau de l'onduleur (UPS), du disjoncteur, de l'alimentation électrique des machines, des câbles d'acheminement et du système de refroidissement. La bonne nouvelle, c'est que toute réduction de la consommation électrique d'une machine comptera double.

BW : Quels sont les principaux dispositifs de mesure auxquels le concepteur de centre de données doit penser pour réduire sa facture énergétique ?

MM : On sait que gérer, c'est avant tout mesurer. L'entreprise doit donc être capable de quantifier la consommation énergétique de son centre de données. Par exemple, Sun s'est donné les moyens de déterminer quelles parts de sa facture électrique sont imputables au centre de données et au reste des installations. Nous avons également installé des compteurs secondaires en différents points du centre de données — notamment en amont et en aval du système d'alimentation, en amont des équipements de distribution électrique, et jusqu'au niveau des baies de serveurs. À l'avenir, la consommation des baies pourra être relevée à distance et transmise au système de gestion global. L'opérateur du centre de données pourra ainsi gérer la puissance électrique comme une variable parmi d'autres en période de pointe, de façon à prévenir les baisses de tension et autres problèmes d'alimentation.

BW : Quels sont les autres paramètres à surveiller ?

MM : Le suivi du vieillissement des systèmes nous a révélé une chose : les nouvelles technologies ont permis d'immenses progrès en matière d'efficacité énergétique ! Sachant que les systèmes récents bénéficient des toutes dernières évolutions en matière d'alimentation électrique et autres, Sun a compris que la surveillance du vieillissement — jointe à un plan de mise à niveau — de l'infrastructure et des systèmes peut modifier radicalement la physionomie de la facture énergétique.

BW : J'imagine qu'en mesurant le vieillissement de l'infrastructure, on s'aperçoit vite que, passé un certain point, le renouvellement des équipements devient l'option la plus économique ?

MM : Il est essentiel de remplacer les équipements vieillissants, à condition de le faire intelligemment. Christian Belady, Distinguished Engineer chez HP, pose fort bien le problème dans l'une de ses présentations : si l'on considère l'évolution de la puissance de traitement dans le temps, pourquoi faut-il absolument qu'un logiciel de traitement de texte tourne cinq fois plus vite aujourd'hui qu'il y a trois ans ? Vu sous cet angle, les entreprises auraient avantage à remplacer leurs anciens équipements par des machines de puissance équivalente afin de tirer pleinement parti du gain en efficacité énergétique.

BW : L'utilisation de courant continu au sein du centre de données a été mise en avant comme un moyen de réduire la consommation énergétique. Quel est votre sentiment à ce sujet ?

MM : Nous avons réalisé une étude avec les Lawrence Berkeley Labs en conjonction avec plusieurs grands acteurs du secteur informatique dont HP, IBM, Emerson Network Power et une vingtaine d'autres fournisseurs. Sur notre site de Newark (Californie), nous avons construit un centre de données de démonstration alimenté de bout en bout en courant continu, afin de mesurer le gain en efficacité résultant de l'élimination des étapes de transformation du courant alternatif en courant continu et inversement. Nous avons ainsi constaté une perte de 2 à 8 % au moment où le courant alternatif alimentant le centre de données est converti en courant continu pour charger les batteries des onduleurs. En aval, ce courant est retransformé en alternatif, puis de nouveau en continu, et ce, en trois points différents du centre de données. La création d'un centre de données fonctionnant exclusivement en courant continu devait donc nous permettre de mesurer les économies réalisées en éliminant l'ensemble de ces conversions.

BW : Et qu'en avez-vous conclu ?

MM : Les choses sont un peu complexes. La première difficulté a été d'obtenir des tensions en courant continu suffisamment élevées pour permettre un fonctionnement efficace du centre de données. Il est vrai que les opérateurs téléphoniques travaillent en 48 volts c.c., mais ce voltage est bien trop faible pour alimenter un centre de données informatique. Nous avons donc opté pour un courant d'alimentation de 380 volts c.c. Cela dit, le courant continu est plus dangereux que le courant alternatif, d'où un problème de sécurité pour le personnel. Sans compter la difficulté de trouver des électriciens capables de brancher une installation en 380 volts c.c. ! Ajoutez à cela le fait qu'il n'existe pas de prise d'alimentation en 380 volts c.c. En d'autres termes, la généralisation du courant continu se heurte à de sérieux obstacles pratiques. Cela dit, nous avons effectivement mesuré des gains en efficacité énergétique — de l'ordre de 5 à 20 % — par rapport à un centre de données alimenté en courant alternatif basse tension.

BW : Le recours au courant continu paraît donc une option peu réaliste dans la pratique. Avez-vous envisagé d'autres solutions ?

MM : La société American Power Conversion (APC) a eu le grand mérite de démontrer que le courant alternatif haute tension — c'est-à-dire le standard c.a. 440-480 volts, couramment proposé dans de nombreuses régions du globe — permet une aussi grande efficacité énergétique que le courant continu haute tension. À mon avis, le courant continu représente une alternative viable pour une organisation qui chercherait à construire à partir de zéro un centre de données opérant à l'échelle du pétaoctet — à condition qu'elle puisse assumer des coûts de personnalisation substantiels. Dans ces conditions, les 20 % d'efficacité énergétique gagnés se traduiront par une économie considérable. Mais pour une entreprise présentant des besoins plus standard, le courant continu s'avérera probablement moins intéressant que le courant alternatif haute tension.

BW : La presse s'est largement fait l'écho des initiatives de Google et de Microsoft concernant la construction de nouveaux centres de données le long de la Columbia River. Que pensez-vous de cette idée ?

MM : Il s'agit d'une grande avancée sur le plan de l'éco-responsabilité. Il y a là-bas un énorme barrage (le barrage hydroélectrique de The Dalles), sur lequel Google et Microsoft comptent pour leur fournir une énergie plus propre et meilleur marché. Mais s'il est vrai que l'électricité commercialisée dans l'État de Washington ou de l'Oregon est deux fois et demie moins chère qu'en Californie, la palme en ce domaine revient cependant au Nevada et à l'Utah, qui proposent une électricité près de trois fois moins chère qu'en Californie.

Je pense que le choix de The Dalles par Google s'explique tout autant par le souci d'exploiter une énergie propre que par des considérations économiques. En effet, les États qui proposent l'énergie la moins chère sont le Nevada, l'Utah, le Wyoming, le Montana, la Virginie de l'Ouest et le Kentucky, mais 96 % de leur production d'électricité reposent sur le charbon. Si la motivation économique peut se révéler plus ou moins forte selon les entreprises, l'éco-responsabilité doit également être considérée comme un facteur déterminant.

BW : L'entreprise Sun a-t-elle évalué des solutions respectueuses de l'environnement au défi écologique soulevé par sa consommation électrique ?

MM : Tout à fait. Nous travaillons activement à la mise en place de systèmes photovoltaïques sur les toits de nos bâtiments dans le Colorado. Nous planchons également sur la possibilité d'utiliser notre capacité de secours de façon plus régulière. Nous avons notamment envisagé de faire fonctionner périodiquement les générateurs diesel de notre centre de données de Broomfield dans le but d'aplanir la courbe de charge (peak shaving), ce qui pourrait avoir un impact considérable sur notre facture d'électricité. Il est établi qu'en convertissant ses générateurs diesel en biodiesel, Sun disposerait d'une énergie cinq fois plus propre que l'électricité produite à partir du charbon qu'elle achète actuellement dans le Colorado. Naturellement, la première réaction des équipes de Broomfield est d'objecter que l'utilisation des générateurs de secours est réservée aux situations d'urgence. J'en conviens, mais le niveau actuel des coûts d'énergie est bel et bien constitutif d'une situation d'urgence.

BW : Avez-vous d'autres pistes sur le point d'aboutir pour réduire les dépenses énergétiques ?

MM : Nous avons notamment eu l'idée de faire régler la facture d'électricité relative au centre de données par le responsable des TI, comme un élément à part entière de son budget. Le centre de données est le plus gros consommateur d'énergie de toute l'entreprise. En réalité, j'ai déjà instauré cette distinction sur le site de Broomfield, où la consommation électrique du centre de données est désormais dissociée de celle du reste des bâtiments. Cela m'a permis de constater que chacun des bâtiments — hors centre de données — consomme 490 kWh par jour, tandis que la consommation quotidienne du centre de données s'élève à 1900 kWh. Mais dans la mesure où les responsables des TI ne sont jamais confrontés à cette dépense, rien ne les incite à rechercher des économies. Si bien que l'une des options dont nous disposons pour réduire la facture énergétique pourrait se résumer à un simple réaménagement comptable visant à responsabiliser le directeur des TI vis-à-vis de la consommation électrique du centre de données.

BW : Quelles améliorations les organisations peuvent-elles apporter au processus de conception du centre de données dans le but de favoriser l'efficacité énergétique ?

MM : Nous assistons à l'éclosion du concept de mise en service rétroactive (ou retro-commissioning), initialement développé par le secteur de l'écoconstruction avec la certification LEED (Leadership in Energy and Environmental Design). L'idée de base est de procéder pour la livraison d'un bâtiment comme on le ferait pour la mise en service d'un navire. Avant de fracasser la bouteille en déclarant le nouveau bateau propre à la navigation, il est bon d'engager une équipe d'experts pour vérifier l'ensemble des systèmes et s'assurer qu'ils fonctionnent bien comme prévu. Plusieurs études ont montré qu'il s'agit-là d'une procédure prodigieusement efficace et économique. Cette inspection revient en effet à moins de 2,5 dollars par mètre carré, alors qu'elle permet généralement une économie de l'ordre de 15 % sur la consommation énergétique totale du bâtiment. Résultat : cet investissement se rembourse de lui-même en l'espace de sept mois environ.

BW : L'idée semble en effet excellente ! Pourriez-vous nous donner un exemple de faille révélée par ce processus ?

MM : Par exemple, la plupart des responsables de système de climatisation s'obstinent à maintenir la température ambiante du centre de données entre 12 et 13 °C, alors que les systèmes sont spécifiés pour fonctionner à 22 °C. C'est en effet le seul moyen à leur disposition pour éviter les points de surchauffe — autrement dit, il faut refroidir l'ensemble du local pour compenser la dissipation thermique de certaines machines. Dans ces conditions, ne serait-il pas plus judicieux de repenser la disposition des systèmes ? Plutôt que de rafraîchir la pièce toute entière, le mieux sera d'éliminer les points de surchauffe et de rétablir une température normale. Le réagencement ou le refroidissement ponctuel des serveurs pourra ainsi engendrer une économie d'énergie considérable pour l'entreprise.

BW : Excellente nouvelle ! En conclusion, il semble bien que certains des serveurs éconergétiques de Sun, tels que les serveurs CoolThreads équipés de processeurs multitransactionnels UltraSPARC T1, offrent un véritable potentiel de réduction de la facture énergétique.

MM : Selon les chiffres que m'a communiqués Dean Nelson de Sun, l'utilisation de certains nouveaux serveurs Sun lui aurait permis de gagner 87 % de surface au sol et de réduire la consommation électrique de 75 %. Dans le même temps, sa capacité de calcul a augmenté de 300 %. Sa puissance de traitement a donc plus que triplé tandis qu'il divisait sa facture énergétique par quatre.

Bob Worrall
Responsable des TI, Sun Microsystems, Inc.
cio@sun.com