Gestion énergétique des centres de calcul

La gestion énergétique des centres de calcul est la mise en œuvre de moyens permettant d'optimiser les besoins importants en énergie de ces centres. Elle fait partie du concept d'informatique durable.

C'est une gestion intelligente qui s'appuie sur des indicateurs de performance énergétique obtenus par une évaluation de chaque site. Pour améliorer ces indicateurs, une étude préalable est nécessaire dès la phase de conception du centre, afin de tirer parti des avantages géographiques du lieu d'implantation (climat, accessibilité à des sources d'énergie) et de l'architecture même du site, liée notamment au choix de la solution de refroidissement.

L'optimisation des logiciels, tant au niveau du traitement des données qu'au niveau du fonctionnement du centre, et l'amélioration continuelle de la performance de l'ensemble des équipements contribuent également à la réduction de la consommation et donc des coûts énergétiques.

Cette efficacité est devenue aujourd'hui un enjeu majeur, aux niveaux tant économique qu'environnemental. Les sociétés consomment de plus en plus de ressources informatiques. Celles-ci leur pourraient leur permettre d'atteindre leurs objectifs et d'accroître leur rentabilité. En conséquence, le nombre de centres de données ne cesse d'augmenter et suscite un besoin croissant en énergie. Il devient nécessaire de privilégier l'électricité décarbonée et de valoriser la chaleur produite par les serveurs.

Gérer efficacement ces centres de calculs, optimiser leur fonctionnement doivent permettre de limiter l'impact environnemental et le coût financier qu'ils engendrent. C'est aussi un moteur de recherche pour le développement de nouvelles technologies dans les domaines de l'alimentation électrique, de la climatisation, de la virtualisation et de la fabrication des composants électroniques.

Remarque préalable

Selon Frédéric Bordage, expert en GreenIT et sobriété numérique, contrairement à une idée répandue, résultant d'une certaine surmédiatisation, l'impact environnemental des centres informatiques, certes important, ne représente en 2019 qu'environ 15 % de l'impact environnemental du numérique à l'échelle mondiale, loin derrière les équipements utilisateurs (plus des deux tiers) et le réseau. En outre, les impacts ne se limitent pas à la consommation d'électricité, mais incluent aussi l'épuisement des ressources abiotiques (métaux)Frédéric Bordage, Sobriété numérique, les clés pour agir, Buchet Chastel, 2019, p. 57..

Problématique

C'est en 1992, via le sommet de Rio, que les premiers engagements sont pris pour protéger notre planète. En 2007, regroupe plusieurs entreprises dont le but est de travailler sur la gestion de l'efficacité énergétique. Face au surcroît de consommation de ces centres de données, deux axes se dessinent : optimiser les besoins en énergie en gérant au mieux la consommation et lutter pour réduire l'impact environnemental.

Gestion

La gestion de l'énergie est mise en avant pour optimiser au mieux la consommation et la dissipation que génèrent ces établissements. Ces centres de données prennent une place prépondérante pour répondre aux besoins toujours plus pressants des entreprises ou même pour de simples utilisateurs. Ils offrent un panel de services très important : les objets connectés, le ou encore le cloud qui est un service de stockage des données et représente une des plus importantes activités de ces centres de données.

Il faut être en mesure de recycler ce surplus d'énergie (Par exemple, la dissipation de la chaleur) : c'est devenu un véritable enjeu environnemental, le site Green Data Center News y fait état.

Pour information, l'article de Datacenter Mag donne une revue des différents problèmes qui sont rencontrés, des coûts supplémentaires à prendre en compte dans cette gestion (par exemple les licences logicielles). Il indique les sites les plus performants et montre ainsi la montée en puissance de ces centres dans lesquels, du matériel de plus en plus « hightech » y est concentré à tous les points de vue.

Énergie

D'après la thèse de Georges Da Costa, au niveau mondial, la consommation a été multipliée par cinq entre 2000 et 2007.. En 2020, une estimation montre qu'elle devrait atteindre . Autre constat, le nombre de serveurs s'est densifié. En 2014, plusieurs dizaines de milliers de serveurs occupaient une surface de l'ordre de . D'après l'Uptime Institute, 20 % des serveurs seraient devenus obsolètes et d'après une estimation de Google, ces serveurs seraient utilisés à moins de 50 %. Il faut dès à présent pouvoir répondre à cette croissance, en développant de nouvelles technologies au niveau du refroidissement, de l'alimentation électrique, mais aussi des équipements informatiques et environnements applicatifs. Pour préserver et limiter ces besoins en énergie, il est nécessaire de travailler sur tous ces domaines à la fois. Un article d'Actu-Environnement.com stipule qu'un seul centre de données, consomme en moyenne plus de (jusqu'à ). En comparaison, cette consommation est équivalente au besoin d'une ville de à habitants. Au niveau mondial, elle représente entre 1,5 % à 2 % de la consommation énergétique et 2 % des émissions de et en Europe, c'est par an d'électricité, le double d'ici 2020. Si cette gestion était maîtrisée, une économie de par an serait possible.

Une conception efficace L'architecture même de ces centres de calculs est un vecteur important pour gérer efficacement l'énergie de ces établissements. Le but étant de limiter le « gaspillage » énergétique. Pouvoir réutiliser toute cette énergie dite passive, favoriser l'utilisation d'énergie décarbonée sont aussi des enjeux importants. D'autres pistes sont à prendre en considération, décrite ci-après.

Choisir le lieu d'implantation thumb|Intérieur du centre de données de Google durant sa construction (2007). Avant de s’intéresser à l'architecture même d'un centre de calcul, il est important de prendre du recul au niveau du choix d'implantation du site. Ces sites dissipent énormément de chaleur. Ils doivent utiliser des systèmes de climatisation puissants, qui consomment autant d’électricité que les équipements informatiques eux-mêmes. Le climat du lieu d'implantation peut diminuer le coût de la facture énergétique et optimiser ainsi son fonctionnement. Exemple de choix géographique : le centre technique de Facebook situé à Lulea, au nord de la Suède, près du cercle polaire, utilise l'air extérieur qui est glacial. Celui-ci est filtré, humidifié puis mélangé à la chaleur dégagée par les serveurs pour réguler la température à l'intérieur. Ainsi le constat est le suivant : 90 % de l’électricité consommée sert à alimenter les calculateurs. D'autres études peuvent être réalisées pour statuer sur le choix d'une région géographique par rapport à une autre en prenant en compte d'autres critères, comme la qualité de l'air à Sapporo au Japon.

Définir les solutions de refroidissement Une fois ce choix géographique acté, la climatisation est un facteur important qui influencera l'architecture et plus particulièrement l'organisation des salles hébergeant le matériel informatique.

Le refroidissement à air est souvent privilégié, car moins coûteux. Plus généralement, par rapport au centre de données de Facebook, le free cooling (refroidissement à partir de l'air extérieur) permet de limiter le recours à des refroidisseurs et entraîne ainsi une réduction de la facture énergétique. Le free cooling n'est intéressant que dans les implantations où l'air extérieur est froid suffisamment longtemps durant l'année.

La climatisation peut être complétée par un refroidissement à eau, qui est plus efficace que l'air pour conduire la chaleur. Autre constat, d'autres solutions technologiques sont plus largement mises en œuvre : entre autres, la segmentation, le conditionnement d'air dans les salles informatiques (CRAC), l'utilisation de blocs de climatisation (CCU) qui permettent ainsi le refroidissement et l'humidification de l'air. Le fait d'appliquer ces nouvelles technologies (free-cooling par exemple), a permis de passer de 55 % d'énergie consommée par les climatiseurs à 18 %.

Optimiser les différents flux d'air thumb|Datacenter cooling|left En appliquant des règles simples basées sur la maîtrise des flux, le refroidissement de l'air peut être facilité en cloisonnant les baies et en évitant que celles-ci ne présentent des ouvertures à des emplacements non utilisés. Le fait d’espacer les travées pour former des couloirs « chauds » et des couloirs « froids » implique qu'un couloir sur deux insuffle l'air froid, par la face avant des serveurs via des baies grillagées, l'autre couloir aspirant l'air chaud par l'arrière. En lien avec cette gestion de flux, le design du bâtiment est important, à l'image du datacenter d'OVH à Roubaix, qui est conçu avec un grand nombre d'ouvertures sur toutes ses façades. L'air extérieur est introduit via ces ouvrants, traverse des « containers » dans lesquels se trouvent les serveurs. L'air chaud est ensuite évacué par des ventilateurs vers une cheminée (cour intérieur du bâtiment) pour y être refroidi. L'air traverse le bâtiment et les équipements.

Réduire la consommation des équipements Un autre axe d'optimisation est de privilégier l'utilisation d'équipements normés au niveau de la consommation énergétique(80Plus, Energy Star, EPEAT). Ainsi ce matériel ayant un cahier des charges plus restrictif sur les niveaux de consommation, l'énergie utilisée est plus facile à maîtriser. Enfin, il ne faut pas oublier tout simplement de veiller à ce que les serveurs ou autre matériel non utilisés, soient éteints.

Augmenter la température de fonctionnement du matériel thumb|Le refroidissement. L'un des leviers plus récents dans la réduction du coût énergétique des centres de calcul est d'augmenter la température de fonctionnement des composants, limitant ainsi le refroidissement requis. Ainsi, les recommandations de l'association ASHRAE encouragent de faire fonctionner les équipements informatiques jusqu'à sans risque de panne, ce qui permettrait une économie globale d'énergie de 4 %.

Autre contrainte à prendre en considération Enfin, aux contraintes liées à la conception et au choix géographique, s'ajoute également un critère sur les possibilités de raccordement au réseau. Un centre de données doit offrir une gestion efficace de la consommation de son énergie, mais aussi être le plus sécurisé possible (double adduction, maillage...). De plus, un raccordement au réseau doit être optimal pour limiter les temps de latence possible au niveau des liens de transmission. Il faut donc trouver un compromis.

Méthodes d'évaluation Les étapes d'évaluation Que ce soit dans les bâtiments « classiques » ou pour ce qui concerne ces centres de données, plusieurs études ont été menées afin d'identifier une méthodologie d'évaluation de l'efficacité énergétique. Cette mesure peut se faire dans un premier temps d'une façon globale, méthode dite « standard » (Sans prendre en compte les problématiques rencontrées), puis elle peut être affinée, en appliquant différents modèles. Parmi toutes ces études, celle réalisée par Schneider Electric éditant un livre blanc définit une méthodologie standard en trois étapes. : vignette|Calcul du PUE : Indicateur d'efficacité énergétique|left|upright=1.5 Classement standard des sous-systèmes (charge informatique : serveurs) ; Estimation des ressources partagées charge infrastructure : climatisation, énergie) ; Estimation des appareils difficiles à mesurer (autres).

Avant de commencer ces trois étapes, la phase initiale consiste à lister les différents types d'équipements présents sur le site et de les répartir dans les trois catégories ci-dessus.

Le but est de pouvoir calculer deux indicateurs de performance ou KPI : l'indicateur d'efficacité énergétique ou PUE (Indicateur d'efficacité énergétique), qui est le rapport entre la puissance d'entrée et la charge informatique. ;