FLASH INFORMATIQUE FI

FI-spécial été 2008 - Pérenne-IT


La virtualisation aide-t-elle à la réduction du réchauffement climatique ?




Fabien FIGUERAS


Introduction

Les climatologues sont formels [1] la question n’est plus de savoir si la température moyenne va augmenter au cours du XXIe siècle, mais de combien elle va augmenter  ? Si la température moyenne continue d’augmenter au rythme actuel les effets seront très sensibles et dévastateurs  ! La seule alternative pour ne pas dépasser un degré d’augmentation est de diviser très rapidement par 2 les émissions de CO2. La réduction de la consommation d’énergie est une des possibilités.
Depuis trois ans, six articles sur la virtualisation ont été publiés dans le Flash informatique [2]  ! Ils décrivent les apports de la virtualisation, les différentes techniques, les implémentations proposées par les différents éditeurs et l’infrastructure mise en place par le DIT.
Dans cet article, nous allons étudier l’incidence de la virtualisation sur la consommation d’énergie. Dans la première partie, nous présenterons le contexte technique et les métriques utilisés. Dans la deuxième partie, nous évaluerons les bénéfices théoriques attendus. Dans la troisième partie, nous vérifierons les gains réels obtenus et les possibilités d’améliorations. Enfin, nous conclurons sur l’influence de la virtualisation sur les économies d’énergie.

Contexte et métriques

Dans un centre de calcul, il y a deux sources principales de consommation d’énergie : l’électricité fournie aux ordinateurs et l’énergie nécessaire pour les refroidir.
Les ordinateurs consomment de l’électricité pour alimenter les processeurs, la mémoire, les disques durs, les cartes d’entrées sorties et les alimentations. Cette puissance électrique est fournie par une tension constante (240 V ) et un courant variable selon les besoins des machines. L’énergie consommée est en grande partie dissipée sous forme de chaleur qui doit être extraite de la machine pour éviter la surchauffe des composants électroniques. Les machines aspirent de l’air frais à l’aide de ventilateurs internes ; cet air froid en refroidissant les composants électroniques se réchauffe puis est rejeté et doit être à nouveau refroidi.
Nous admettrons que pour un watt d’énergie consommé par une machine il faut fournir un watt pour la refroidir. Pour obtenir les données, on peut installer des ordinateurs puis effectuer des mesures, ou alors utiliser un outil en ligne fourni par le constructeur Dell [3]. Nous avons choisi d’utiliser cet outil, car on peut simuler beaucoup de configurations très rapidement. Avant de l’utiliser il faut commencer par définir les unités (Metric), la tension maximum du réseau (240 V), l’altitude (400 mètres) et la température moyenne du centre de calcul (25 °C) comme le montre la figure 1.



On choisit le type de serveur (par exemple 2970- 3,5 inch) pour un Dell PowerEdge avec des processeurs AMD et des disques 3,5 pouces. On précise les caractéristiques matérielles (type et nombre de CPU, type et nombre de barrettes mémoire, nombre de disques, nombre de cartes PCI et nombre d’alimentations) et le type de charge de travail, faible (Idle), moyenne (Benchmark) ou maximum (Scientific). Une fois ces paramètres fixés, le simulateur donne les informations suivantes :

  • System Heat/Power (btu/h) : c’est la puissance à fournir pour refroidir la machine, elle augmente avec la charge du système [4].
  • Flow Rate (m3/h) : débit d’air frais à fournir à la machine, il est constant quelle que soit la charge du système.
  • Total Weight (kg) : poids de la machine avec les options matérielles.
  • Total Current (amps) : courant consommé, il augmente avec la charge du système.
  • Declared A-Weighted Sound Power Level (bels) : niveau de bruit de la machine.
  • C13 Power Cord Quantity (cords) : nombre de cordons d’alimentation, 2 pour des alimentations redondantes, 1 sinon.
  • Air température Rise (°C) : élévation de la température de l’air dans la machine, augmente avec la charge du système.

Deux remarques

  • Si on passe de l’unité btu/h à des W/h on retouve bien la puissance électrique consommée par la machine  !
  • On considèrera aussi la quantité (Flow Rate)*(Air temperature Rise) qui est proportionnelle à la puissance qu’il faut fournir pour refroidir l’air.

Pour les calculs on considèrera la consommation de la ressource de la machine à vide R(Idle), la consommation de la machine à pleine charge R(Maxi) et on calculera la consommation au pourcentage R(p) de charge à l’aide de la relation :

R(p)=R(Idle)+(R(Maxi)-R(Idle))*p

Les prévisions

On souhaite virtualiser un serveur Dell Power Edge 2970 avec un processeur bi-cœurs AMD à 2,4 GHz, 2 GB de ram, avec deux cartes fibre qui accèdent à des disques FC 36 Go en Raid 5 plus deux disques locaux en Raid 1 avec deux alimentations redondantes.
Faisons l’hypothèse que le serveur utilise en moyenne 10 % de sa puissance CPU. Sur la figure 2 nous voyons les simulations pour ce serveur avec un système pas utilisé (gauche) et à pleine puissance (droite).
En 2006 pour héberger les machines virtuelles nous avons choisi des serveurs Dell Power Edge 6950 avec quatre processeurs bi-cœurs AMD à 2,6 Ghz, 32 GB de ram, quatre cartes PCI, deux disques durs. Dans les conditions d’utilisation normale, le serveur ne doit pas dépasser 85% de charge CPU et doit héberger onze machines virtuelles. Sur la figure 3 nous voyons les simulations pour ce serveur avec un système non utilisé (gauche) et à pleine puissance (droite).
>Comparons maintenant la consommation de onze serveurs PE2970 ayant une charge moyenne de 10% à un serveur PE6950 ayant une charge moyenne de 85%. La consommation électrique diminue de 63 % et les besoins en climatisation baissent de 62%  ! (fig. 4).



Les gains réels

Comme pour une machine physique les responsables informatiques peuvent commander des machines virtuelles [5] avec un ou plusieurs processeurs, de la mémoire et des disques. Les caractéristiques de chaque machine sont enregistrées et une comptabilité fine permet de garantir à l’utilisateur que les ressources demandées sont toujours disponibles. En effet la surréservation de ressources pour les machines virtuelles ne fait pas bon ménage avec un niveau de performance satisfaisant. En utilisant la liste des ressources réservées et en mesurant les ressources réellement consommées, il est aisé de vérifier quel est le taux moyen d’utilisation des ressources.
Lors de la rédaction de l’article (mi-juin 2008) 130 machines virtuelles sont hébergées sur 13 serveurs. Le total des ressources CPU réservé est de 178 GHz, la puissance moyenne CPU utilisée sur un mois est de 16 GHz soit un taux moyen de 9,1%.
La principale hypothèse que nous avions faite, un taux moyen d’utilisation de 10% des ressources processeurs, est donc valide. Le faible taux d’utilisation des machines virtuelles engendre un taux moyen d’utilisation des serveurs de 5,9% ce qui est bien inférieur à la valeur de 85% prise pour la simulation a priori.
Reprenons la simulation avec cette valeur moyenne, on obtient les résultats de la figure 5. En pratique la consommation électrique diminue de 73 % et les besoins en climatisation baissent de 72%  ! Peut-on faire moins  ?
Il semblerait effectivement que l’on puisse encore économiser de l’énergie. Une nouvelle génération de serveurs spécialement dédiés à la virtualisation vient d’être mise sur le marché par le constructeur Dell : la série R805. Ces machines sont plus compactes, ont 2U [1] au lieu de 4U et sont équipées de la dernière génération des processeurs AMD à quatre cœurs.
Sur la figure 6, nous voyons les simulations pour ce serveur avec un système pas utilisé (gauche) et à pleine puissance (droite).
Le R805 consommant environ 10% de moins d’énergie que le PE6950, on pourra donc diminuer les besoins électriques de 83% et ceux en climatisation de 84%  ! (voir la figure 7).



Conclusion

En utilisant des machines virtuelles plutôt que des machines physiques, nous avons économisé plus de 70% des besoins en électricité et climatisation avec la première génération de serveur. La prochaine génération augmentera encore les économies d’énergie. La virtualisation offre une solution performante, fiable, hautement disponible, économique et respectueuse de l’environnement aux administrateurs systèmes qui ont besoin d’obtenir rapidement des machines virtuelles.

Références

  1. Présentation sur l’évolution climatique du Professeur Reto Knutti (ETH)
  2. Articles Flash Informatique sur la virtualisation :
  3. Calculateur de Dell
  4. BTU = British Thermal Unit, unité utilisée pour décrire la quantité de chaleur pouvant être dégagée par une installation chauffante ou réfrigérante.
  5. Site Web de gestion des machines virtuelles à l’EPFL
  6. Production d’électricité en Suisse.

[1] U est une unité de longueur utilisée pour indiquer la hauteur du matériel dans un rack informatique ; l’U mesure 1,75 pouces soit environ 4,445 cm



Cherchez ...

- dans tous les Flash informatique
(entre 1986 et 2001: seulement sur les titres et auteurs)
- par mot-clé

Avertissement

Cette page est un article d'une publication de l'EPFL.
Le contenu et certains liens ne sont peut-être plus d'actualité.

Responsabilité

Les articles n'engagent que leurs auteurs, sauf ceux qui concernent de façon évidente des prestations officielles (sous la responsabilité du DIT ou d'autres entités). Toute reproduction, même partielle, n'est autorisée qu'avec l'accord de la rédaction et des auteurs.


Archives sur clé USB

Le Flash informatique ne paraîtra plus. Le dernier numéro est daté de décembre 2013.

Taguage des articles

Depuis 2010, pour aider le lecteur, les articles sont taggués:
  •   tout public
    que vous soyiez utilisateur occasionnel du PC familial, ou bien simplement propriétaire d'un iPhone, lisez l'article marqué tout public, vous y apprendrez plein de choses qui vous permettront de mieux appréhender ces technologies qui envahissent votre quotidien
  •   public averti
    l'article parle de concepts techniques, mais à la portée de toute personne intéressée par les dessous des nouvelles technologies
  •   expert
    le sujet abordé n'intéresse que peu de lecteurs, mais ceux-là seront ravis d'approfondir un thème, d'en savoir plus sur un nouveau langage.