PUE: uma métrica de eficiência do data center

Como já vimos em outros artigos, disponibilidade é algo primordial para os data centers atuais, tendo sido criadas até classificações, conhecidas como tiers.

Mas hoje em dia há outra característica a ser valorizada, que é a eficiência energética do data center, que é a sua capacidade de operar com menor consumo de energia. Energia elétrica é um recurso caro, portanto desperdiçá-lo não é uma boa ideia. E para podermos reduzir seu consumo precisamos, antes de mais nada, saber medi-lo e, em seguida, utilizar métricas que possam nos informar com que grau de sucesso estamos atingindo nossos objetivos de melhoria da eficiência.

O assunto eficiência energética em data centers começou a preocupar em 2008, a partir de um relatório ao Congresso dos EUA, quando verificaram que os data centers norte-americanos seriam responsáveis pelo consumo de aproximadamente 1,5% de toda a energia elétrica produzida no país! A última estatística, de 2014, aponta para um aumento para 2%.

Mas, antes de falarmos sobre alguma métrica de eficiência, vamos analisar quais os principais sistemas consumidores de energia elétrica de um data center. Obviamente, o principal tipo de equipamento existente em um data center, e que precisa ser energizado, é o equipamento de TI, motivo último da existência do data center. Nessa categoria estão os servidores, os dispositivos de armazenamento (storage) e os equipamentos de comunicação (como switches e routers). Todos os demais equipamentos e dispositivos que consomem energia em um data center são auxiliares ao funcionamento dos sistemas de TI. Dentre os principais sistemas auxiliares, podemos citar os seguintes: geração alternativa de energia (geradores), energia ininterrupta (UPS ou no-breaks), climatização, segurança patrimonial e incêndio, iluminação, monitoramento e automação. Vamos denominá-los conjuntamente de “sistemas de infraestrutura”.

Resumindo, temos dois grandes sistemas consumidores de energia elétrica no data center: os sistema de TI e os sistemas de infraestrutura. Ambos somados correspondem ao consumo do data center como um todo. A proporção entre ambos e entre os diferentes sistemas componentes pode variar bastante a cada data center.

Neste artigo vamos abordar apenas a métrica que mede a proporção de consumo elétrico entre os sistemas de infraestrutura e o de TI, chamada de PUE – Power Utilization Effectiveness, ou efetividade da utilização da energia, criada pelo The Green Grid. Ela indica o quanto de tudo o que consumimos no data center é relativo aos sistemas de infraestrutura. E por quê isso é importante? Se pensarmos bem, os únicos sistemas que deveriam necessariamente consumir algo são os de TI. São eles que importam. Qualquer gasto com sistemas de infraestrutura deveria ser visto como um overhead, um gasto extra, embora inevitável. Se queremos um ambiente estável, controlado e seguro para os sistemas de TI, é natural que gastemos alguma energia extra com isso. A questão é: quanto de energia estou gastando para manter esse ambiente, para além daquilo que é estritamente consumido pelos equipamentos de computação, armazenamento e comunicação?

Se analisarmos uma certa quantidade de data centers, veremos que é comum que metade de todo o consumo elétrico seja devido aos sistemas de infraestrutura, ou seja, PUE de 2.0, pois o cálculo do PUE é simplesmente a divisão do consumo energético total do data center pelo consumo dos sistemas de TI, para um determinado período. Exemplo: o data center todo consome 4 GWh em um ano, sendo 2 GWh em TI e 2 GWh em sistemas de infraestrutura, portanto PUE = 4 / 2 = 2.0. Embora um PUE de 2.0 seja relativamente comum, esse valor é alto. Veja a interpretação de valores de PUE:

  • PUE 3.0: muito ineficiente
  • PUE 2.5: ineficiente
  • PUE 2.0: médio
  • PUE 1.5: eficiente
  • PUE 1.2: muito eficiente

Note que não foi colocado o valor PUE = 1.0, pois em tese nunca teremos um data center que direcione 100% da energia elétrica para os sistemas de TI. Sempre haverá algum consumo devido à infraestrutura, nem que sejam apenas as perdas da distribuição elétrica. Mas, quanto mais o valor do PUE se aproximar da unidade, mais eficiente será os seus sistemas de infraestrutura, ou seja, menos energia eles consumirão em relação àquilo que é consumido por TI.

Um dos sistemas de infraestrutura que mais consome energia no data center é a climatização. Para um data center onde TI consome metade de toda a energia (PUE = 2.0), é normal que os sistemas de climatização consumam por volta de 40% do total, os demais 10% ficando principalmente com as perdas elétricas e demais sistemas auxiliares. É bastante usual, portanto, que as tentativas de redução do PUE se deem principalmente pela melhoria da eficiência do sistema de climatização do data center.

Em data centers profissionais, que utilizam o estado da arte em eficiência energética, podemos ver valores de PUE iguais ou inferiores a 1.1! Para se ter uma ideia, a média de PUE de todos os data centers do Google, medida em período de 12 meses, é de apenas 1.12. Veja aqui.  Em termos práticos, PUE de 1.12 significa que a cada 1000 Wh consumidos pelos sistemas de TI, apenas 120 Wh são consumidos pelos sistemas de infraestrutura, incluindo a climatização e as perdas elétricas!

Se você analisar alguns gráficos de PUE medidos ao longo do tempo, verá que ele variará em ciclos. Isso se deve à variação de eficiência do sistema de climatização, que é altamente dependente das condições climáticas do ambiente externo ao data center. Dias mais quentes exigem mais dos sistemas de ar condicionado, piorando o PUE momentaneamente. Data centers que possuem PUE muito baixo somente são possíveis em locais onde o clima local é ameno ou é possível a utilização de recursos naturais (como ar ou água) naturalmente frios (free cooling), reduzindo o consumo dos sistemas de climatização.

É importante termos a consciência de que o PUE não é a única métrica a ser utilizada para medir a eficiência energética do data center. Como vimos, ele mede o overhead de energia gasto em relação aos sistemas de TI. Mas, e o gasto dos sistemas de TI em si? Será que não poderíamos ter os mesmos serviços de TI, mas com um consumo energético menor? Menos energia consumida por TI levaria a menor necessidade de gastos com os correspondentes sistemas de infraestrutura que o suportam.  Existem técnicas de melhoria de eficiência energética para cada sistema de infraestrutura de um data center. Estas técnicas, mais as técnicas de redução de consumo de TI, farão parte de um futuro artigo para este blog.

Existem, porém, algumas dificuldades para o cálculo do PUE. Como dito no início, a primeira etapa é a correta medição do consumo de TI e dos sistemas de infraestrutura. E aí já surgem as questões:

  • Onde devo medir o consumo de TI? Em algum quadro elétrico? Na saída de algum equipamento de distribuição elétrica? Na entrada do equipamento de TI? Tanto faz?
  • Quais gastos devem entrar na medição do consumo da energia total consumida pelo data center?
  • Se o data center compartilha um edifício com áreas de escritório ou produção, como medir corretamente o consumo do data center?
  • Se a central de água gelada fornece água para todos os sistemas de ar condicionado do edifício, incluindo o data center, como ratear isso?
  • Eu meço demanda ou consumo? Pico ou média?
  • Como definir os períodos de medição?

Como vemos, embora o cálculo do PUE em si seja simples, ele suscita diversas dúvidas, que devem ser endereçadas com precisão antes de implantarmos tal métrica em nosso data center. Voltaremos ao assunto PUE em futuros artigos para este blog.

O tema abordado neste artigo é apenas um dos tópicos que fazem parte do curso DC100 – Fundamentos de infraestrutura de data center. Confira aqui a data e o local da próxima turma desse curso.

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Até a próxima!

Marcelo Barboza, RCDD, DCDC, NTS, ATS, DCS Design
Clarity Treinamentos
marcelo@claritytreinamentos.com.br

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