Impact de la solution de refroidissement liquide sur le PUE et la consommation électrique d'un datacenter

L'adoption croissante du refroidissement liquide dans les datacenters est due à sa capacité à assurer un refroidissement plus efficace des baies informatiques à haute densité. Cependant, les concepteurs et les opérateurs de datacenters manquaient de données permettant de prédire l'impact du refroidissement liquide sur l'efficacité des datacenters et de les aider à optimiser son déploiement pour une meilleure efficacité énergétique.

Pour combler cette lacune, une équipe de spécialistes de chez NVIDIA et Vertiv a réalisé la première analyse approfondie de l'impact du refroidissement liquide sur le PUE (Power Usage Effectiveness) et la consommation électrique des datacenters. Cette analyse complète a été publiée par l'American Society of Mechanical Engineers (ASME) dans l'article intitulé "Analyse de l'efficacité énergétique d'un datacenter à haute densité refroidi par un système hybride air-liquide". Cette publication résume la méthodologie, les résultats et les points clés à retenir de cette analyse. 

Schéma de datacenter utilisé pour l’analyse de l’énergie avec les Vertiv™ Liebert® XDU et Vertiv™ Liebert® PCW

Approche méthodologique pour évaluer l'efficacité énergétique du refroidissement liquide dans les datacenters

Pour notre étude, nous avons sélectionné un datacenter de taille moyenne (1 à 2 mégawatts) de niveau Tier 2 situé à Baltimore, dans le Maryland. Ce site héberge 50 racks à haute densité disposés en deux rangées. La configuration de référence pour notre analyse était un système de refroidissement à air à 100 % fourni par deux climatiseurs à eau glacée périphériques avec confinement de l'allée chaude. Les unités de refroidissement sont soutenues par un chiller Vertiv™ Liebert® AFC qui propose différentes fonctionnalités telles que le freecooling, le freecooling adiabatique, le refroidissement hybride et le refroidissement adiabatique conventionnel.

Le refroidissement liquide est mis en œuvre en utilisant une méthode de refroidissement direct du microprocesseur via des plaques froides à microcanaux montées sur les composants informatiques principaux qui génèrent de la chaleur. Ce système est soutenu par deux unités de distribution de liquide de refroidissement (CDU) Vertiv™ Liebert® XDU équipées d'échangeurs thermiques liquide-liquide.

L'analyse a suivi une approche ascendante en décomposant la charge informatique en sous-systèmes, ce qui a permis de calculer précisément l'impact d'une augmentation progressive de la part de refroidissement liquide pour chaque sous-système. Nous avons ensuite réalisé quatre études en augmentant progressivement le pourcentage de refroidissement liquide dans chaque étude, tout en mettant en œuvre des optimisations de la température de l'eau glacée, de la température de l'air d'alimentation et de la température d'entrée secondaire rendues possibles par l'utilisation du refroidissement liquide.

• Étude 1 : Refroidissement à 100 % par air, avec une température d'eau glacée de 7,2 degrés Celsius, une température d'air d'alimentation de 25 degrés Celsius et une température d'entrée secondaire de 32 degrés Celsius.
   
• Étude 2 : 61,4 % de la charge refroidie par liquide et 38,6 % par air. La température de l'eau glacée est augmentée à 18 degrés Celsius, la température de l'air d'alimentation est maintenue à 25 degrés Celsius et la température d'entrée secondaire est maintenue à 32 degrés Celsius.
   
• Étude 3 : 68,6 % de la charge refroidie par liquide et 31,4 % par air. La température de l'eau glacée est augmentée à 25 degrés Celsius, la température de l'air d'alimentation est augmentée à 35 degrés Celsius et la température d'entrée secondaire est maintenue à 32 degrés Celsius.
   
• Étude 4 : 74,9 % de la charge refroidie par liquide et 25,1 % par air. La température de l'eau glacée est maintenue à 25 degrés Celsius, la température de l'air d'alimentation est maintenue à 35 degrés Celsius et la température d'entrée secondaire est augmentée à 45 degrés Celsius.

Évaluation de l'impact de l'introduction du refroidissement liquide sur la consommation électrique et le PUE des datacenters

Dans l'étude 4, où le refroidissement liquide a été entièrement mis en œuvre (74,9 %), on a observé une réduction de 18,1 % de la consommation énergétique du site et une réduction de 10,2 % de la consommation totale du datacenter par rapport au refroidissement à air à 100 %. Cela se traduit non seulement par une diminution des coûts énergétiques annuels de 10 % pour les données, mais aussi par une réduction équivalente des émissions de Scope 2 pour les datacenters utilisant des sources d'énergie à base de carbone.

La consommation totale du datacenter a diminué à chaque augmentation du pourcentage de charge refroidie par le refroidissement liquide direct des microprocesseurs. Entre l'étude 1 et l'étude 2, la consommation électrique a diminué de 6,4 %, avec une réduction supplémentaire de 1,8 % entre l'étude 2 et l'étude 3, et une autre amélioration de 2,5 % entre l'étude 3 et l'étude 4.

Cependant, les résultats surprenants ont été observés en ce qui concerne le PUE du datacenter calculé pour chaque étude. La diminution du PUE était seulement de 3,3 %, passant de 1,38 dans l'étude 1 à 1,34 dans l'étude 4, et restant constant à 1,35 pour les études 2 et 3.

Si vous êtes familier avec le calcul du PUE, vous avez peut-être déjà deviné la raison de cette disparité. Le PUE est essentiellement une mesure de l'efficacité de l'infrastructure, calculée en divisant la consommation totale du datacenter par la consommation IT. Cependant, le refroidissement liquide a non seulement réduit la consommation du côté de l'infrastructure, mais il a également réduit la consommation électrique IT (selon la définition du PUE) en réduisant la demande des ventilateurs des serveurs.

La consommation électrique des ventilateurs du serveur a diminué de 41 % entre l'étude 1 et l'étude 2, et de 80 % entre l'étude 1 et l'étude 4. Cela a entraîné une réduction de 7 % de la consommation électrique de l'équipement IT entre les études 1 et 4.

Contrairement au refroidissement à air, le refroidissement liquide impacte à la fois le numérateur (consommation totale du datacenter) et le dénominateur (consommation de l'équipement IT) dans le calcul du PUE, rendant ainsi cette métrique inefficace pour comparer l'efficacité des systèmes de refroidissement liquide et à air.

Dans notre article, nous proposons l'utilisation totale de l'efficacité (TUE) comme une meilleure mesure à cette fin, et je fournirai une explication détaillée de cette décision dans une publication ultérieure. Le TUE pour le datacenter analysé a montré une amélioration de 15,5 % entre les études 1 et 4, ce qui, selon nous, représente une mesure précise des gains d'efficacité du datacenter obtenus grâce à un déploiement optimisé du refroidissement liquide.

Les avantages significatifs du refroidissement liquide dans les datacenters : principaux points à retenir

L’analyse a fourni plusieurs informations sur l’efficacité du refroidissement liquide des datacenters et sur la manière dont il peut être optimisé. J’encourage les concepteurs de datacenters, en particulier, à lire l’article complet, qui comprend les données justificatives utilisées pour obtenir les résultats énoncés dans la section précédente. Voici quelques-uns des points importants à retenir qui pourraient intéresser un public plus large.

Dans les datacenters haute densité, le refroidissement liquide améliore l’efficacité énergétique des systèmes IT et des sites par rapport au refroidissement à air. Dans notre étude entièrement optimisée, l’introduction du refroidissement liquide a permis une réduction de 10,2 % de l’alimentation totale du datacenter et une amélioration de plus de 15 % du TUE.

L’optimisation de la mise en œuvre du refroidissement liquide des datacenters, en termes de pourcentage de la charge IT refroidie par liquide, offre l’efficacité la plus élevée. Avec le refroidissement direct du microprocesseur, il n’est pas possible de refroidir toute la charge avec du liquide, mais environ 75 % de la charge peut être efficacement refroidie par le refroidissement liquide direct du microprocesseur.

Le refroidissement liquide peut permettre des températures d’eau glacée, de l’air d’alimentation et d’entrée secondaire plus élevées qui optimisent l’efficacité de l’infrastructure du site. Le refroidissement à eau chaude, en particulier, doit être envisagé. Les températures d’entrée secondaire dans notre étude finale ont été augmentées à 45 C et cela a contribué aux résultats obtenus tout en augmentant les possibilités de réutilisation de la chaleur résiduelle.

Le PUE n’est pas une bonne mesure de l’efficacité du refroidissement liquide des datacenters et d’autres mesures telles que le TUE s’avéreront plus utiles pour guider les décisions de conception liées à l’introduction du refroidissement liquide dans un datacenter refroidi à air.

Lien vers l'article

Par Fred Rebarber - Global Senior Technical Director chez Vertiv