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Virtualización e informática en la nube: la

optimización de potencia, enfriamiento y de la administración maximizan los beneficios

Revisión 3

Por Suzanne Niles Patrick Donovan

Documento Técnico 118

La virtualización de la informática, el motor detrás de la informática en la nube, puede tener consecuencias significativas en la infraestructura física del centro de datos (DCPI). Las altas densidades de potencia que a menudo se obtienen pueden desafiar la capacidad de enfriamiento de un sistema existente. La reducción en el consumo total de energía que normalmente resulta de la consolidación de servidores físicos puede empeorar la efectividad en el uso de potencia (PUE) del centro de datos. Las cargas dinámicas que varían en tiempo y ubicación pueden aumentar el riesgo de inactividad si no se entienden o consideran niveles saludables de potencia y enfriamiento a nivel del rack. Por último, la naturaleza tolerante a fallas de un entorno altamente virtualizado podría plantear preguntas sobre el nivel de redundancia necesario en la infraestructura física. Se discuten estos efectos específicos de la virtualización y se ofrecen posibles soluciones o métodos para abordarlos.

Resumen Ejecutivo > Introducción 2

El aumento de alta densidad 2

La carga informática reducida puede afectar la PUE

4

Cargas informáticas dinámicas 10

Requisitos de redundancia disminuidos

12

Conclusión 14

Recursos 15

Apéndice 16

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by Schneider Electric. Los Documentos técnicos ahora forman parte de la biblioteca de Schneider Electric producido por el centro de investigación científica para Centros de Datos de Schneider Electric [email protected]

Virtualización e informática en la nube: la optimización de potencia, enfriamiento y de la administración maximizan los beneficios

Schneider Electric – Data Center Science Center Documento Técnico 118 Rev 3 2

Sin duda, la virtualización de la informática (la abstracción de la red física, el servidor y los recursos de almacenamiento) ha aumentado considerablemente la capacidad de utilizar y ampliar la potencia de procesamiento. De hecho, la virtualización se ha convertido en el motor de la tecnología detrás de la informática en la nube. Si bien las ventajas de esta tecnología y el modelo de prestación de servicios son bien conocidos, comprendidos y cada vez se aprovechan más, sus efectos sobre la infraestructura física del centro de datos (DCIP) se comprenden menos. El propósito de este informe técnico es describir estos efectos mientras se ofrecen posibles soluciones o métodos para abordarlos. En gran medida, estos efectos no son nuevos y actualmente existen estrategias exitosas para abordarlos. Hay cuatro efectos o atributos de virtualización de la informática que se tratarán en este informe técnico.

1. El aumento de alta densidad: es probable que se produzca mayor densidad de potencia de la virtualización, al menos en algunos racks. Las áreas de alta densidad pueden plantear problemas de enfriamiento que, si no se abordan, podrían poner en peligro la confiabilidad del centro de datos en general.

2. La reducción de la carga informática puede afectar la PUE: después de la virtualización, es probable que la efectividad en el uso de la energía (PUE) empeore. Esto es, a pesar del hecho de que la consolidación inicial del servidor físico da como resultado menor uso general de energía. Si la infraestructura de energía y enfriamiento no es del tamaño adecuado con relación a la nueva carga general, se degrada la eficiencia de la infraestructura física medida como PUE.

3. Cargas informáticas dinámicas: las cargas informáticas virtualizadas, especialmente en un centro de datos de la nube altamente virtualizado, pueden variar en el tiempo y la ubicación. Con el fin de garantizar la disponibilidad en un sistema así, es fundamental que se considere la densidad de potencia y capacidad de enfriamiento a nivel de rack antes de realizar cambios.

4. Los requisitos de menor redundancia son posibles: un centro de datos altamente virtualizado, diseñado y operado con un alto nivel de tolerancia a fallas de los equipos informáticos pueden reducir la necesidad de redundancia en la infraestructura física. Este efecto podría tener un impacto significativamente positivo en la planificación de centros de datos y los costos de capital.

Este informe técnico enfoca estos efectos en el contexto de un entorno altamente virtualizado típico de un centro de datos basado en nube con requisitos de demanda dinámicos. En el listado de informes técnicos internos que aparece al final se ofrece información adicional general y detallada sobre estos temas en el contexto amplio del centros de datos, independientemente del aspecto de la virtualización. Si bien la virtualización puede reducir el consumo general de potencia en la sala, los servidores virtuales tienden a instalarse y agruparse de manera que crean areas de alta densidad que a su vez conllevan a la creación de concentraciones de calor localizadas. Este desafío en términos de enfriamiento puede ser sorpresivo dada la drástica disminución en el consumo de energía que es posible debido a las altas relaciones de consolidación del servidor físico factibles desde un punto de vista realista de 10:1, 20:1 o incluso mucho mayores. A medida que un servidor físico se carga cada vez con más máquinas virtuales, su utilización de la CPU aumenta. Aunque lejos de ser una relación lineal, el consumo de energía de ese servidor físico aumenta a medida que aumenta la utilización. La utilización de la CPU de un servidor típico no virtualizado es de alrededor de 5% a 10%. Sin embargo, en un servidor virtualizado puede ser de 50% o más. La diferencia en el consumo de energía entre 5% y 50% de utilización de la CPU sería de aproximadamente 20% dependiendo de la máquina cuestionada. Además, las máquinas virtuales a menudo requieren un aumento

Introducción

El aumento de alta densidad



de los recursos de procesador y memoria que puede elevar aún más el consumo de energía por encima de lo que consume una máquina no virtualizada. Al agrupar estos recursos, los servidores virtualizados pueden dar como resultado densidades de energía significativamente más altas que podrían causar problemas de enfriamiento. Además de aumentar las densidades, como resultado de la virtualización las cargas de trabajo pueden desplazarse, iniciarse y detenerse en forma dinámica; así, las cargas físicas se modifican a lo largo del tiempo pero también cambia su ubicación física. Este efecto de las cargas dinámicas se analiza más adelante en este informe técnico. Métodos para enfriar racks de alta densidad para prevenir concentraciones de calor Las altas densidades de potencia en los racks deben animar a los operadores del centro de datos para que examinen la infraestructura de enfriamiento existente para ver si aún tienen suficiente capacidad de enfriamiento. Hay varios enfoques para enfriar los racks de alta densidad. A continuación se explican dos de los principales. Quizás el método más común es simplemente distribuir los equipos de alta densidad en todo el piso del centro de datos en lugar de agruparlos. Al distribuir de esta forma las cargas, ningún rack excederá la densidad de potencia proyectada, por lo que el rendimiento del sistema de enfriamiento es más predecible. La ventaja principal de esta estrategia es que no se requiere una nueva infraestructura de energía o enfriamiento. Sin embargo, este enfoque tiene varias desventajas graves, como el aumento del consumo de espacio del suelo, el aumento de los costos de cableado, la posible reducción de la eficiencia eléctrica en relación con las rutas de aire sin contención y la percepción de que los racks a medio llenar son un desperdicio. Dicho esto, este simple enfoque puede ser una opción viable particularmente... • Cuando el resultado de la densidad de potencia promedio del centro de datos

(kW/rack o vatios/pie cuadrado de espacio en el piso blanco) es aproximadamente igual o menor que lo que era antes de la virtualización. (Supone que antes había suficiente capacidad de enfriamiento.)

• Cuando los administradores tienen completo control de los servidores físicos donde se colocan.

• Cuando hay espacio en “U” en los racks existentes para permitir que se produzca la distribución.

Un enfoque más eficiente puede ser aislar equipos de mayor densidad en un lugar separado de los equipos de menor densidad. Este bloque de alta densidad supondría la consolidación de todos los sistemas de alta densidad en un solo rack o en hileras de racks. Entonces, la distribución de aire de enfriamiento dedicada (por ejemplo, aire acondicionado del rack y por hilera) y/o contención de aire (por ejemplo, contención de pasillo en caliente o frío), podrían llevarse a estos bloques aislados de alta densidad para asegurarse de que reciben el enfriamiento predecible necesario en un momento dado. Las ventajas incluyen una mejor utilización del espacio, alta eficiencia y que permite la máxima densidad por rack. Además, para organizaciones que requieren equipos de alta densidad para permanecer co-localizadas en conjunto, este enfoque es obviamente el preferido. En la Figura 1 se ilustra el concepto de un bloque de alta densidad.



• Una "isla" de alta densidad dentro de la sala

• Un centro de datos "mini" con su propio sistema de enfriamiento

• Térmicamente neutro para el resto de la sala (puede ayudar a la sala si el bloque tiene un exceso de capacidad)

• La circulación de aire caliente/frío se localiza dentro de la zona mediante rutas cortas de circulación o contención física

Las características básicas importantes de un bloque de alta densidad incluyen: • Rutas de circulación de aire cortas (cuando las corrientes de aire están sin contención)

para minimizar la posibilidad de mezclar el aire de suministro y retorno, como para minimizar la energía utilizada por los ventiladores de velocidad variable.

• Ventiladores de frecuencia variable (VFD) para manejar las cargas dinámicas que varían en el tiempo y la ubicación.

• Orientación del rack y/o la hilera que facilita la separación de suministro de aire frío del retorno de aire caliente.

El aislamiento de los equipos de alta densidad en un bloque independiente con enfriamiento dedicado hace que la administración sea más simple, que el rendimiento del enfriamiento sea más predecible y que la energía se utilice de manera más eficiente. Como mínimo, el bloque de alta densidad es térmicamente neutro para el resto de la sala. Pero, en especial cuando las corrientes de aire están bien contenidas, probablemente el bloque puede agregar capacidad de enfriamiento al resto del centro de datos. Para obtener más información detallada con respecto al uso de bloques de alta densidad separados y aislados, consulte el Informe técnico n.º 134, Implementación de bloques de alta densidad en un centro de datos de baja densidad. Para obtener más información general con respecto a los diversos métodos para enfriar equipos de alta densidad, consulte el Informe técnico n.º 46, Estrategias de enfriamiento para racks y servidores Blade de alta densidad. Una ventaja ampliamente promocionada de la virtualización ha sido la reducción de los costos de energía como resultado de la consolidación del servidor físico. Y, de hecho, estos ahorros a menudo no son triviales. Considere un centro de datos de 1MW con 1.000 servidores físicos que consumen 250W cada uno a un costo de $0,11 por kilovatio/hora. El costo de energía por año para hacer funcionar solo los servidores sería de aproximadamente $240.000 (250W/1000 x 0,11 x 24h x 365 días x 1.000 servidores). Virtualizando estos servidores a una razón de consolidación conservadora de 10:1 con cada servidor físico restante que opera utilizando el 60% de la CPU (en lugar del típico 5-10%) y ahora se

Bloque de alta densidad

La circulación de aire caliente/frío se encuentra

localizada dentro del dispositivo compacto EL CALOR

SALE hacia el sistema de transferencia de calor del edificio

Sala de baja densidad Figura 1

El bloque de alta densidad es una alternativa para abordar los equipos de alta densidad en un centro de datos existente y virtualizado

La carga informática reducida puede afectar la PUE

Implementación de bloques de alta densidad en un centro de datos de baja densidad

Conectarse al recurso Documento Técnico 134

Estrategias de enfriamiento para racks y servidores Blade de alta densidad


http://www.apc.com/wp?wp=134




obtiene el costo total de energía de alrededor de $60.000 (600W/1000 x 0,11 x 24 h x 365 días x 100 servidores)1 Eso representa un ahorro de energía de 76% para los servidores. Por lo tanto, no es de extrañar que la virtualización se considere y promueva ampliamente como una tecnología ecológica para el centro de datos. La capacidad de computación sigue siendo la misma e incluso incrementa mientras que el consumo de energía cae en forma abrupta. Entonces puede sorprenderle que en un escenario ecológico, la métrica de uso más común para la eficiencia del centro de datos, PUE, pueda empeorar después de producirse esta consolidación del servidor. Tal vez algunos podrían considerarlo un defecto de la métrica. Es decir, una métrica de eficiencia debe ser deficiente si no se pretende reflejar la ventaja ambiental obvia del uso de energía significativamente menor. Pero el lector debe recordar que PUE es una métrica diseñada para medir solo la eficiencia de la infraestructura física (por ejemplo, potencia y enfriamiento) del centro de datos, no la eficiencia energética del procesamiento informático. PUE nunca se debe usar o considerar como un indicador directo de lo ecológico que es un centro de datos específico. El objetivo es mostrar cuán eficiente son los sistemas de energía y enfriamiento para una carga informática dada. En la Figura 2, se ilustra el efecto de la virtualización en la eficiencia del centro de datos.

Infr

astr

uctu

re

ITProcesamiento informático útil

Infraestructura física

Total

Tecnología informática

MUCHO mejor

Un poco mejor

Infr

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físic

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eficiencia

SUMINISTRO en vatios

VatiosdeTI

Tecn

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info

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eficienciaeficienciaPeor (PUE más alto)

Gran derecho no reclamado aquí

PUE empeora con lavirtualización sola

Eficiencia general mejora hasta cierto punto con la virtualizaciónSin embargo, será mucho mejor si se optimiza también la infraestructura física (PUE)La eficiencia de TI mejora mucho más con la virtualizaciónSiempre una gran ganancia de eficiencia

(El tema de este informe)

Identificación de los efectos de la virtualización en la curva de eficiencia de la infraestructura Si la infraestructura de energía y enfriamiento se queda igual como lo era antes de implementarse la virtualización, entonces la PUE empeora después de producirse la consolidación física de los servidores y el almacenamiento. La capacidad de energía y enfriamiento inherente no utilizada se conoce como "pérdidas fijas". Se trata básicamente de energía que es consumida por los sistemas de potencia y enfriamiento, independientemente de la carga informática. Si hay más capacidad de potencia y enfriamiento de la que existe, mas pérdidas fijas van a existir. A medida que se reduce la carga informática (por ejemplo, por la consolidación) estas pérdidas fijas pasan a ser una mayor proporción del consumo energético total del centro de datos en uso. Esto significa que PUE empeorará. También significa que PUE siempre es mejor con cargas informáticas más altas y peor con cargas más bajas. La Figura 3 muestra una curva típica de PUE que representa la relación entre la eficiencia y la carga informática.

1 El mismo servidor físico con una utilización del 60% de la CPU llevaría el consumo de energía

aproximadamente a 300W. Se suponen 300W adicionales para alcanzar un total de 600W debido al aumento de recursos de procesador y memoria necesarios para manejar adecuadamente las cargas virtuales. Tenga en cuenta que la energía de almacenamiento de NAS o SAN puede aumentar, pero el ahorro genera de energía en cargas informáticas sigue siendo significativo.

Figura 2 Efecto típico de la virtualización en la eficiencia del centro de datos que muestra el contexto de PUE en la eficiencia general del centro de datos



Figura 3 Curva típica de eficiencia de la infraestructura del centro de datos

Figura 4 La consolidación reduce la carga y sube el PUE en la curva

debido a “pérdidas fijas” inherentes en la capacidad de potencia/refrigeración sin usar

PUE

Peor

Mejor

La eficiencia disminuye drásticamente con las cargas bajas

Carga informática% de capacidad de potencia del centro de datos

10% 20% 40% 80% 100%

Sin carga Plena carga

2

3

4

5

60%

Cada centro de datos va a tener una curva alta o baja de PUE – dependiendo de la eficiencia de sus dispositivos individuales y de la eficiencia de la configuración del sistema, pero siempre tiene la misma forma. La Figura 4 muestra el efecto de la consolidación en PUE.

PUE

Peor

Mejor


10% 20% 40% 80% 100%


2

3

4

5

2.002.25

60%

ANTES de la virtualizacióDESPUÉS de la virtualización

NOTA: Estas cifras de PUE se basan en un centro de datos tradicional con enfriamiento con piso elevado, unidades de enfriamiento perimetral de velocidad contaste y UPS no modular.

Para mejorar el valor de PUE después de la virtualización, se debe mejorar (bajar) la curva de eficiencia de la infraestructura del centro de datos optimizando los sistemas de energía y enfriamiento para disminuir el desperdicio inherente al sobredimensionamiento y lograr una mayor correspondencia entre la capacidad y la nueva carga reducida (Figura 5). Además de aumentar los niveles de eficiencia, la optimización de los sistemas de energía y enfriamiento influirá directamente en los gastos de electricidad ya que disminuirá el consumo de energía asociado a capacidad de energía y enfriamiento que no se utiliza. El estudio de casos que se usa para cuantificar estas PUE se ubica en el Apéndice de este informe técnico.



Figura 5 La optimización de los sistemas de energía y enfriamiento mejora la curva de eficiencia posterior a la virtualización


10% 20% 40% 80% 100%


2

3

2.00

Curva PUE originalCurva PUE menor después de una potencia/refrigeración optimizada (El tema de este informe)

2.25

Optimizar

1.74

60%

ANTES de la virtualización

DESPUÉS de la virtualización

PUE

Peor

Mejor1.63

Dimensión adecuada

Para obtener más información sobre la eficiencia como una función de la carga, consulte el Informe técnico n.º 113, Elaboración de modelos de eficiencia para los centros de datos. Para mejorar la PUE, reduzca las pérdidas fijas Para alcanzar el máximo potencial de ahorro de energía derivado de la virtualización, deberá optimizarse la infraestructura de energía y enfriamiento para incorporar elementos como los siguientes para minimizar las pérdidas fijas y maximizar la eficiencia eléctrica del proyecto de virtualización en general: • Reducción de la capacidad de energía y enfriamiento para correspondencia con la

carga (por ejemplo, apagar algunas unidades de enfriamiento o quitar módulos de UPS del sistema UPS escalable)

• Ventiladores y bombas de velocidad variable que funcionan con menor intensidad cuando baja la demanda.

• Equipos con dispositivos más eficientes que consuman menos energía durante su funcionamiento.

• Arquitectura de enfriamiento con rutas de circulación de aire contenidas o más cortas (por ej., contención de los pasillos caliente o frío o modificación de perímetro basado en la sala a por hilera)

• Sistema de administración de la capacidad, para equilibrar la carga con la demanda y detectar la presencia de capacidad inutilizada.

• Paneles de obturación para reducir la mezcla de aire en los racks de la entrada de aire con suministro de aire frío.

A pesar de que puede tener el mayor impacto, reducir la capacidad de potencia y enfriamiento puede ser más difícil de implementar en un centro de datos existente. En algunas situaciones es probable que no sea posible reducir la capacidad de estos sistemas. El sistema no puede ser divisible si el diseño no es modular. Los sistemas de infraestructura cuestionados podrían ser nuevos y haberse pagado recientemente, por lo que sería poco práctico su reemplazo o una modificación significativa. La dependencia de otros sistemas u operaciones fuera del piso blanco en un elemento de infraestructura dado (por ejemplo, planta enfriadora integrada) puede excluir el tiempo requerido y la habilidad de reducir su capacidad. Por lo

Elaboración de modelos de eficiencia para los centros de datos

Vínculo al recurso White Paper 113




tanto los costos de dimensionar adecuadamente la infraestructura de energía y enfriamiento pueden superar las ventajas de la estrecha alineación de la oferta con la demanda. En el caso de un centro de datos existente, tal vez las opciones más factibles pueden incluir acciones tales como: • Instalar paneles de obturación para reducir la mezcla de aire

• Orientar los racks en pasillos calientes o fríos separados

• Instalar tecnologías de contención de aire

• Ajustar la velocidad de los ventiladores o apagar las unidades de enfriamiento

• Quitar los módulos de energía de UPS innecesarios en UPS escalables

Sin embargo, en el caso de un nuevo centro de datos que actualmente está en diseño, dimensionar adecuadamente la planta de energía y enfriamiento con relación a la carga tiene más sentido. Hacerlo en esta etapa significará menores costos de capital inicial y una mayor eficiencia energética una vez que el centro de datos esté en funcionamiento. Como muestra el ejemplo del apéndice, un centro de datos existente puede experimentar un importante ahorro energético y ver la mejora de PUE, incluso si solo se centran en hacer que los sistemas de energía y enfriamiento existentes funcionen de forma más eficiente mediante la implementación de las opciones mencionadas anteriormente. La estandarización y la modularidad facilitan el dimensionamiento adecuado Sin embargo, a pesar de los problemas de viabilidad que acabamos de describir para los centros de datos existentes, la capacidad sobredimensionada es ineficiente y es un derroche. Y como muestra la barra lateral a la izquierda, hay otros efectos negativos al tener un sistema de energía y enfriamiento con menos carga. Afortunadamente, las soluciones de energía y enfriamiento actuales facilitan incluso para un centro de datos existente mantener la capacidad más acorde con la demanda real. Esto es, en gran parte, debido a que la capacidad es escalable. Y esta escalabilidad se deriva tanto de la estandarización como de la modularidad. La adición de capacidad a los tradicionales sistemas no modulares requiere ingeniería en el sitio para personalizar el diseño y ensamblar diversos componentes de varios fabricantes. Posteriormente, modificar o reducir la capacidad de esos sistemas tradicionales sería costoso, altamente perjudicial y muy lento. Mediante el diseño de sistemas de potencia y enfriamiento para que sean estandarizados, ensamblados y probados en la fábrica y de carácter modular, pasa a ser mucho más fácil y menos riesgoso agregar o quitar capacidad. Por ejemplo, la capacidad de potencia del sistema UPS se puede reducir rápidamente y de forma segura al quitar módulos de potencia del chasis. Esto se puede hacer sin interrumpir la alimentación de la carga y no se requiere personal técnico especializado. Quitar estos módulos de alimentación reduce las pérdidas fijas, lo que mejora la PUE. Estos módulos se pueden dejar de lado y reutilizarlos más adelante a medida que la carga aumenta con el tiempo. En la actualidad los sistemas de enfriamiento también son escalables. Los ventiladores de velocidad variable, por ejemplo, pueden aumentar o disminuir la velocidad cuando sea necesario sobre la base de la carga térmica. A medida que la carga informática general disminuye después de virtualización inicial, los ventiladores pueden funcionar a una velocidad mucho más baja lo que reduce las pérdidas proporcionales (energía consumida por el sistema que es proporcional a su carga), lo que también ayuda a mejorar la PUE. La infraestructura física escalable estrechamente alineada con la administración en tiempo real (que veremos más adelante) puede ayudar a proporcionar la cantidad correcta de energía y enfriamiento donde y cuando sea necesario. Esto hace que el dimensionamiento adecuado sea una opción más realista una vez que un centro de datos se ha virtualizado. Entonces, ¿cuánto ahorro adicional de energía se puede obtener al dimensionar adecuadamente la infraestructura?

> Efectos de la subcarga extrema A menos que se reduzca la capacidad de los sistemas de energía y enfriamiento para que la carga vuelva a estar dentro de límites operativos normales, los efectos mencionados podrían originar gastos que anularían algunos de los ahorros en energía o, en algunos casos, poner en riesgo la disponibilidad. Enfriamiento (carga térmica demasiado baja) • Apagado de seguridad debido

a alta presión de carga en los compresores. • Ciclos cortos de los compresores

como resultado del apagado frecuente, lo que acorta la vida útil de los compresores. • Posible invalidación de la

garantía debido a un funcionamiento sistemático por debajo de los límites inferiores de carga. • Costo de bypass de gas caliente

en los compresores para simular niveles de carga "normales" y evitar los ciclos cortos.



Figura 6 TradeOff Tool™ para calcular los ahorros derivados de la virtualización

TradeOff Tool™ para calcular los ahorros derivados de la virtualización En la Figura 6 se muestra el Calculador de ahorros de energía asociados a la virtualización, una herramienta TradeOff Tool™. Esta herramienta interactiva ilustra los componentes informáticos, la infraestructura física y los ahorros de energía que pueden obtenerse en el centro de datos con la virtualización de servidores. La herramienta permite que el usuario introduzca datos relativos a la capacidad del centro de datos, carga, cantidad de servidores, costo de electricidad y otros valores asociados al centro de datos.

Efecto de la reducción del consumo energético en los contratos de suministro de energía de red y de servicios La reducción abrupta del consumo energético puede tener consecuencias no deseadas con relación a los contratos de suministro de energía de red y de servicios. Tales contratos deberán revisarse y renegociarse en la medida necesaria a fin de que los ahorros del centro de datos no se anulen al pagar las facturas del proveedor de suministro de red, el propietario del edificio o el proveedor de servicios. • Contrato de suministro de energía de red: algunos contratos con los proveedores de suministro de red

incluyen una cláusula que penaliza al cliente si su consumo eléctrico general cae por debajo de un valor mensual preestablecido.

• Cláusula sobre costo de electricidad en el contrato inmobiliario: en algunos contratos inmobiliarios se contempla una tarifa plana para el costo de la electricidad, que suele facturarse considerando un costo por metro cuadrado. Es posible que sea necesario renegociar esos contratos; de lo contrario, los ahorros derivados de la virtualización redundarán en beneficio del propietario del edificio.

• Contratos de mantenimiento de equipos: los contratos de mantenimiento deberían revisarse para eliminar los equipos de energía y enfriamiento que no se utilizan y así dejar de pagar por el mantenimiento de equipos que al contraerse la infraestructura dejaron de estar operativos.

Haga clic en la imagen de pantalla para vincular una versión en vivo de esta herramienta interactiva



La creación y el traslado repentino, y cada vez más automatizado, de máquinas virtuales requiere una administración cuidadosa y políticas que contemplen el estado de la infraestructura física y que reduzcan la capacidad a un nivel de rack individual. De lo contrario, podría socavar la tolerancia a fallas del software que la virtualización otorga a la informática en la nube. Afortunadamente, en la actualidad existen herramientas que simplifican este procedimiento y que ayudan a realizarlo. La potencia eléctrica en los servidores físicos puede variar en el tiempo y la ubicación a medida que se crean cargas virtuales o cuando se trasladan de un lugar a otro. A medida que el procesador calcula, cambia de estado de energía o cuando los discos duros giran hacia arriba y abajo, la potencia eléctrica en cualquier máquina (virtualizada o no) puede variar. Esta variación se puede amplificar cuando se implementan políticas de administración de energía que aumentan o reducen activamente la potencia de las máquinas durante todo el día cuando las necesidades de cálculo cambian con el paso del tiempo. Sin embargo, la política de limitación de energía puede reducir esta variación. Aquí es donde las máquinas están limitadas en la cantidad de potencia que pueden consumir antes de que la velocidad del procesador se reduzca automáticamente. En cualquier caso, ya que la infraestructura física del centro de datos a menudo se dimensiona basándose en el alto porcentaje de las clasificaciones de la placa indicadora de los dispositivos informáticos, es poco probable que este tipo de variación de energía cause problemas de capacidad relacionados con la infraestructura física en especial cuando el porcentaje de servidores virtualizados es bajo. Sin embargo, un entorno altamente virtualizado como aquel que se caracteriza por un gran centro de datos basado en la nube, podría tener grandes oscilaciones de carga en comparación con uno no virtualizado. Y, a menos que estén muy bien planificados y administrados, estos podrían ser lo suficientemente grandes como para causar problemas de capacidad o, al menos, posiblemente infringir las políticas relacionadas con la capacidad. Cada vez más los administradores están automatizando la creación y el traslado de las máquinas virtuales. Esta es la única capacidad que ayuda a hacer que un centro de datos virtualizado sea más tolerante a fallas. Si se produce una falla del software en una determinada máquina virtual o falla el servidor de un servidor físico, otras máquinas pueden recuperar rápidamente la carga de trabajo con una cantidad mínima de latencia para el usuario. La creación y el traslado automatizado de las máquinas virtuales es también lo que permite gran parte de la escalabilidad de la energía de procesamiento en la informática en la nube. Sin embargo, irónicamente este traslado rápido y repentino de las máquinas virtuales también puede exponer a las cargas de trabajo de informática a problemas de energía y enfriamiento que las ponga en situación de riesgo. Integración de los administradores de la infraestructura del centro de datos y de las máquinas virtuales para automatizar la colocación más segura de las máquinas virtuales El software de administración de la infraestructura del centro de datos (DCIM) puede monitorear e informar sobre el estado y la capacidad de los sistemas de energía y enfriamiento. Este software también se puede usar para realizar un seguimiento a las diversas relaciones entre el dispositivo informático y la estructura física. Saber cosas tales como qué servidores, físicos y virtuales, se han instalado en un determinado rack junto con saber con cuál circuito de alimentación y sistema de enfriamiento se asocia requeriría conocimiento para una buena administración de la máquina virtual. Este conocimiento es importante porque sin él, es prácticamente imposible estar seguro de que las máquinas virtuales se crean o trasladan a un servidor físico con los recursos de energía y enfriamiento suficientes y en buen estado.

Cargas informáticas dinámicas



Confiar en la intervención humana manual para procesar y actuar sobre toda la información proporcionada por el software DCIM puede convertirse rápidamente en una forma inadecuada para administrar la capacidad, teniendo en cuenta las muchas exigencias hechas a los administradores de los centros de datos. La necesidad de intervención manual presenta el riesgo de error humano, la principal causa de inactividad. En este caso, es probable que el error humano tome la forma de cambios a la carga informática sin tener en cuenta el estado y la disponibilidad de la energía y enfriamiento en un lugar determinado. Automatizar el monitoreo tanto de la información de DCIM (espacio disponible en el rack, energía, y capacidad y estado de enfriamiento) como de la implementación de acciones sugeridas reduce considerablemente el riesgo. El software de administración de la infraestructura del centro de datos (DCIM) está disponible y puede proporcionar esta administración automatizada, en tiempo real. En la Figura 7 se muestra un ejemplo de esto. La comunicación bilateral entre el administrador de la máquina virtual y el software DCIM, y la automatización de las acciones que se derivan de esta integración es lo que asegura que los servidores físicos y las redes de almacenamiento reciben la energía y el enfriamiento adecuados donde y cuando es necesario.

Una máquina virtual se crea o se traslada a un servidor físico distinto por lo general porque no hay suficientes recursos de procesador, memoria o almacenamiento disponibles en un determinado momento y lugar. Sin embargo, un sistema de administración eficaz puede hacer que las máquinas virtuales se trasladen basándose en la capacidad de la infraestructura física, en tiempo real y al estado en el nivel de rack. Cuando el software DCIM se integra con el administrador de la máquina virtual, las máquinas virtuales pueden trasladarse de forma segura y automática a zonas que tienen suficiente capacidad de potencia y enfriamiento para manejar la carga adicional. Por el contrario, las máquinas virtuales se pueden trasladar lejos de los racks que generan problemas de potencia o enfriamiento. Por ejemplo, si hay un corte de energía en un rack, un ventilador deja de funcionar o se produce una pérdida repentina de la redundancia de energía, el administrador de la máquina virtual puede recibir una notificación del suceso y las máquinas virtuales "en riesgo" se pueden trasladar a un rack seguro y "saludable" en otro lugar del centro de datos. Todo esto ocurre de forma automática en tiempo real sin intervención del personal. La integración del software DCIM con un

Figura 7 Ejemplo de integración de los administradores de DCIM y VM: StruxureWare™ de Schneider Electric para la serie Data Centers DCIM se integra directamente con administradores de máquinas virtuales tales como vSphere™

de VMware y Virtual Machine Manager de Microsoft para asegurar que los recursos virtuales se instalen solo cuando existan capacidades suficientes de energía y enfriamiento



administrador de máquina virtual es una función clave para asegurar la protección de las cargas y de sus servidores físicos. A su vez, los niveles de servicio se podrán mantener de forma más fácil y el personal se liberará de tener que pasar tanto tiempo monitoreando la infraestructura de energía y enfriamiento. Esta integración se torna aún más crítica cuando las capacidades de potencia y enfriamiento se reducen o se dimensionan para adaptarse a un centro de datos recién virtualizado o consolidado. Cuanto menos espacio o exceso de capacidad exista, menos margen de error habrá para colocar las máquinas virtuales. El mantenimiento de un centro de datos muy eficiente, escuetamente aprovisionado en un entorno caracterizado por cambios en la carga frecuentes y repentinos requiere un sistema de administración que funcione de forma automática en tiempo real con el administrador de máquinas virtuales. Además, no hay que olvidar que las políticas de informática relacionadas con la administración de máquinas virtuales se deben construir de manera que se consideren los sistemas de energía y enfriamiento. Esto debe ocurrir para que la integración del software DCIM con el administrador de máquinas virtuales funcione como se describió anteriormente. Las políticas deben establecer umbrales y límites para lo que es aceptable para una aplicación o una máquina virtual determinadas en términos de capacidad, estado y redundancia en potencia y enfriamiento. La necesidad reducida de capacidad de potencia y enfriamiento es una ventaja conocida de la virtualización de la informática como se describe en la sección anterior, La reducción de la carga informática puede afectar la PUE. Sin embargo, una ventaja menos conocida es que la virtualización de la informática puede llevar a una necesidad reducida de redundancia en la infraestructura física. Confiar más en la tolerancia a fallas de las máquinas virtuales bien administradas (y las aplicaciones que se ejecutan en ellas) y menos en los niveles más altos de redundancia de la infraestructura podría simplificar el diseño, reducir los costos de capital y ahorrar espacio para otros sistemas necesarios o para el futuro crecimiento de la informática. Un entorno altamente virtualizado es similar a un sistema RAID en que es tolerante a fallas y altamente recuperable. Las cargas de trabajo, las máquinas virtuales y los recursos de almacenamiento virtualizados puede reubicarse de forma automática e instantánea en zonas seguras de la red cuando surgen problemas. Este desplazamiento de recursos para mantener el servicio sin interrupción se produce en un nivel que es esencialmente transparente para el usuario final. Sin embargo, dependiendo de la calidad de la implementación de la informática y el nivel de integración del software del administrador de la máquina virtual (VM), el usuario final puede experimentar problemas momentáneos de latencia, mientras se lleva a cabo esta migración. Pero, en general, los niveles de servicio se pueden mantener en un entorno altamente virtualizado incluso cuando algunos servidores o racks no están disponibles. Dada esta tolerancia a fallas, puede haber una necesidad reducida de un sistema de energía y enfriamiento altamente redundante (por ejemplo, 2N o 2N+1) en un centro de datos altamente virtualizado. Si, por ejemplo, la falla de un sistema UPS en especial no da como resultado la interrupción del negocio, puede que no sea necesario tener un sistema UPS de respaldo, redundante, para aquel que acaba de fallar. Aquellos que planifican crear un nuevo centro de datos con sistemas de energía y enfriamiento redundantes "2N", en su lugar tal vez puedan considerar la creación de dos centros de datos N+1. Los costos de capital de dos centros de datos de 500 kW con energía y enfriamiento N+1, por ejemplo, probablemente serían de alrededor de 35% menos de lo que costaría construir una sola planta de 1 MW con energía y enfriamiento 2N. Es la tolerancia a fallas de una red altamente virtualizada lo que permite que las organizaciones consideren ahora esta redundancia de infraestructura reducida como una opción real. Antes de tomar este tipo de decisiones, por supuesto, la administración de informática e instalaciones siempre debe tener plenamente en cuenta los

Requisitos de redundancia disminuidos



posibles impactos de la continuidad del negocio si el sistema de infraestructura física o el componente que se considera falla o deja de estar disponible. Esto significa que los sistemas y las políticas de administración de informática deben ser revisados y monitoreados para asegurar que son capaces de proporcionar el nivel de servicio y la tolerancia a fallas que permita tener menos redundancia en la infraestructura física. Esta equiparación del nivel de redundancia de la infraestructura física con la naturaleza tolerante a fallas de los entornos informáticos virtualizados es otra forma de implementar el dimensionamiento adecuado descrito anteriormente. Dimensionar de esta forma puede reducir aún más el consumo de energía, los costos de capital y las pérdidas fijas durante el tiempo que mejora la PUE del centro de datos. Para obtener más información sobre la redundancia de UPS, consulte el Informe técnico n.º 75, Comparación de configuraciones para diseño de sistemas UPS. Para obtener más información sobre el posible impacto del diseño de la infraestructura física en los costos de capital del centro de datos, consulte TradeOff Tool™ de costos de capital del centro de datos. Se proporciona un vínculo en la sección Recursos al final de este informe técnico.

Comparación de configuraciones de diseño de sistemas UPS





La virtualización de los recursos informáticos de un centro de datos puede tener ciertas consecuencias relacionadas con la infraestructura física. Si no se hace caso a estos impactos y consecuencias, las amplias ventajas de la virtualización y de la informática en la nube pueden verse limitados o comprometidos, y en algunos casos, de forma grave. Se pueden desarrollar áreas de alta densidad después de la consolidación de servidores que puede dar lugar a concentraciones de calor que pueden llevar a la falla del hardware. Existen varios métodos para asegurar que el sistema de enfriamiento tenga los medios y la capacidad para enfriar de forma confiable los equipos de alta densidad. PUE puede empeorar considerablemente después de producida la consolidación. Al optimizar los sistemas de energía y enfriamiento para que coincidan con la carga informática reducida, la PUE puede mejorar considerablemente. Esta optimización se hace mucho más fácil si se usan sistemas escalables y modulares. Las cargas informáticas dinámicas que pueden variar automáticamente en el tiempo y el lugar, pueden ponerse en riesgo sin querer, si no se considera primero el estado de energía y enfriamiento en un nivel de rack individual. Se requiere la cuidadosa planificación y administración para asegurar que las máquinas virtuales se coloquen solo donde hay energía y enfriamiento que no presenten inconvenientes. Mediante la construcción de políticas sólidas de máquinas virtuales y la integración del software DCIM con el administrador de máquinas virtuales, es posible automatizar esta administración continua. Por último, el alto nivel de tolerancia a fallas que es posible con el software administración de máquinas virtuales de hoy hace posible utilizar una infraestructura de energía y enfriamiento menos redundante. Esta estrategia puede ahorrar tiempo, espacio, energía y reducir significativamente los costos de capital. La aplicación de las soluciones descritas en este informe técnico mantendrá un centro de datos altamente virtualizado que operará con mayor confiabilidad, eficiencia y flexibilidad ampliada para satisfacer la demanda de energía informática de gran dinamismo.

Conclusión

Suzanne Niles es Analista de Investigación Senior en el Centro de Estudios de Centros de Datos de Schneider Electric. Estudió matemáticas en el Wellesley College antes de obtener el título de licenciado en Ciencias Informáticas en el MIT, con una tesis sobre reconocimiento de caracteres manuscritos. Ha contribuido a la formación de públicos diversos por más de 30 años utilizando diferentes medios, desde manuales de software hasta fotografías y canciones para niños. Patrick Donovan es Analista de Investigación Senior en el Centro de Estudios de Centros de Datos de Schneider Electric. Tiene más de 16 años de experiencia en el desarrollo y el servicio técnico de los sistemas de alimentación y de enfriamiento de la división de negocios de TI de Schneider Electric, incluidas varias soluciones galardonadas de protección, eficiencia y disponibilidad de alimentación.

Acerca de los autores



Ventajas de las arquitecturas de enfriamiento por hilera y por rack para centros de datos Documento Técnico 130

Implementación de zonas de alta densidad en un centro de datos de baja densidad Documento Técnico 134

Administración de capacidad de energía y enfriamiento para centros de datos Documento Técnico 150

Elaboración de modelos de eficiencia eléctrica de los centros de datos Documento Técnico 113

Comparación de configuraciones de diseño de sistemas UPS Documento Técnico 75

Calculador de ahorro de energía asociado a la virtualización TradeOff Tool 9

Calculador de costos de capital del centro de datos TradeOff Tool 4

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Figura 8 Estudio de caso en el que se muestra el efecto de la virtualización con y sin mejoras en materia de energía y enfriamiento

Este estudio de casos se realizó con el Calculador de ahorro de energía asociado a la virtualización TradeOff Tool™ de APC. Se parte de un centro de datos hipotético de 1 MW con 70% de carga y sin redundancia en materia de energía y enfriamiento, con relación al cual se recibe una factura de electricidad por más de US$1.400.000 (Figura 8). El centro de datos es virtualizado con una disminución en potencia de servidor en razón de 10 a 1. Debido a la reducción de la carga por la virtualización, la infraestructura de energía y enfriamiento se encuentra ahora sobredimensionado y opera con niveles reducidos de eficiencia de la infraestructura (PUE 2,25) debido a las pérdidas fijas, según se explicó en este informe técnico. En esta etapa, el total de electricidad facturada se reduciría solo en 17%. Sin embargo, la PUE se pudiera reducir mas adelante a 1,63 y el ahorro de electricidad podría llegar a 40%, si el sistema UPS, las unidades PDU y las unidades de enfriamiento fueran también correctamente dimensionados y si se utilizaran métodos de contención de aire (por ejemplo, instalar paneles de obturación). Cabe señalar que en comparación con la carga después de virtualización y antes de la optimización de la infraestructura, la carga general del centro de datos en la infraestructura física puede incrementarse debido al adecuado dimensionamiento de la capacidad del centro de datos. Y esto significar que la capacidad nominal del centro de datos general puede disminuir si la infraestructura física se dimensiona correctamente y conforme a la carga informática más baja.

$1,472,113AntesVirtualización

Despuésmejoras enenergía/enfriamiento

AntesVirtualización

$1,472,113AntesVirtualización

$1,217,563Después Virtualización

$1,217,563Después Virtualización

ahorrosahorros

28%

$1,472,113

Apéndice

a. Antes de la virtualización Capacidad del centro de datos: 1.000 kW Carga informática total: 700kW Carga del centro de datos: 70% Carga de servidores: 490 kW (70% de la carga informática) Enfriamiento perimetral Disposición de pasillo caliente/pasillo frío Unidades CRAC sin coordinación Unidad UPS: Tradicional, con 89% de eficiencia a plena carga Piso elevado de 18" con de obstrucción por cableado de 6" Losas perforadas esparcidas por la sala No se utilizan paneles de obturación

b. Después de la virtualización Solamente consolidación de servidores

Capacidad del centro de datos: 1.000 kW Carga informática total: 515 kW Carga del centro de datos: 52% reducción de servidores en razón de 10 a 1 Se virtualizó el 100% de los servidores Carga de servidores: 305 kW (59% de la carga informática) No se incorporaron elementos DCPI

c. Después de la virtualización CON mejoras en energía/ enfriamiento y con el dimensionamiento adecuado implementado

Capacidad del centro de datos: 515 kW Carga informática total: 515 kW Carga del centro de datos: 100% Unidad UPS: Alta eficiencia, 96% de rendimiento a plena carga Enfriamiento por hilera (sin contención) Agregado de paneles de obturación CRAC, CRAH, UPS y PDU dimensionadas adecuadamente a la carga NOTA: 90% de estos ahorros de energía total se obtuvo a través de la optimización del sistema existente (UPS de alta eficiencia, instalación de enfriamiento por hilera y paneles de obturación) El 10% restante viene de dimensionar adecuadamente unidades CRAC, CRAH, UPS y PDU.

PUE = 2,00 PUE = 2,25 PUE = 1,63

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