Ottimizzare gli investimenti per la realizzazione di infrastrutture per sale CED e apparati di rete

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1 Ottimizzare gli investimenti per la realizzazione di infrastrutture per sale CED e apparati di rete White Paper # 37 Rev. 4

2 Sintesi L'infrastruttura fisica e di alimentazione dei data center e delle sale per apparati di rete è generalmente sovradimensionata di oltre il 100%. Nel presente documento vengono riportate le statistiche relative al sovradimensionamento con quantificazione dei costi che ne derivano e vengono descritte un'architettura e una metodologia che consentono di evitare questa inefficienza. 2

3 Introduzione Nel presente documento verrà dimostrato che il sovradimensionamento rappresenta il singolo costo più rilevante legato alla classica infrastruttura di un data center o sala per apparati di rete, un costo assolutamente evitabile. Il tasso di utilizzo dell'infrastruttura fisica e di alimentazione di un data center o sala per apparati di rete è solitamente di gran lunga inferiore al 50%. La capacità inutilizzata di un data center e sala per apparati di rete costituisce un costo di capitale che è possibile evitare, senza contare che genera costi di gestione e di manutenzione anch'essi evitabili. Il presente documento è costituito da tre parti. Nella prima sono riportati i dati e le statistiche relativi al sovradimensionamento. Nella seconda sono esposti i motivi all'origine di questo fenomeno mentre nella terza vengono descritte un'architettura e una metodologia che consentono di non incorrere nei suddetti costi. Dati e statistiche relativi al sovradimensionamento Chiunque lavori nella Divisione informatica o nella Gestione strutture di un'azienda ha avuto modo di notare lo spazio inutilizzato all'interno di un data center e di osservare la potenza erogata inutilizzata o l'utilizzo solo parziale di altri elementi infrastrutturali del data center. Per poter quantificare la portata di questo fenomeno, è importante dare una definizione dei termini utilizzati nel corso della presentazione. Definizione dei termini relativi al sovradimensionamento Nel presente documento si definiscono come segue i termini riportati nella tabella: Termine Vita utile di progetto Potenza erogabile a livello di sala Potenza erogabile installata Carico stimato Carico effettivo Definizione Vita utile complessiva pianificata del data center che generalmente è compresa tra 6 e 15 anni. Il valore medio ipotizzato è pari a 10 anni. Carico massimo applicabile a livello di sala. Tutti o parte degli apparati di alimentazione e di raffreddamento necessari per supportare il carico in questione possono essere installati al momento dell'avvio Potenza di carico degli apparati di alimentazione e raffreddamento installati, uguale o inferiore alla potenza erogabile a livello di sala. Potenza stimata richiesta al momento dell'entrata in funzione del sistema e nel corso della sua vita utile. Generalmente varia nel tempo ed aumenta a partire dal momento dell'entrata in funzione. Potenza effettiva richiesta al momento dell'entrata in funzione del sistema e nel corso della sua vita utile. Generalmente varia nel tempo ed aumenta a partire dal momento dell'entrata in funzione 3

4 Ipotesi di modellazione Al fine di acquisire e analizzare dati relativi al sovradimensionamento, APC ha condotto dei sondaggi presso gli utenti e ha sviluppato un modello semplificato per descrivere la pianificazione della capacità di un'infrastruttura di data center. Il modello si basa sulle seguenti ipotesi: La vita utile di progetto è pari a 10 anni; La progettazione di un data center comprende una potenza erogabile massima di progetto e una potenza richiesta stimata all'avvio; Nel ciclo di vita convenzionale di un data center si ipotizza un aumento lineare del carico stimato a partire dal carico stimato all'avvio fino al raggiungimento di un valore massimo finale intorno alla metà della vita utile prevista. Il modello di cui sopra genera il modello di pianificazione riportato nella Figura 1, che viene considerato rappresentativo della modalità di pianificazione dei sistemi. Figura 1 Potenza erogabile di progetto e potenza richiesta durante la vita utile di un data center 120% % POTENZA 100% 80% 60% 40% 20% MASSIMA POTENZA INSTALLABILE POTENZA INSTALLATA CARICO PREVISTO Spreco Per sovradimensionamento CARICO REALE 0% ANNI La figura illustra un ciclo di pianificazione standard. La potenza erogabile installata degli apparati di alimentazione e di raffreddamento è pari alla potenza erogabile a livello di sala: in altri termini, l'intero sistema viene realizzato fin dall'inizio. Secondo il progetto, il carico stimato, pari inizialmente al 30% del 4

5 carico del data center o della sala per apparati di rete, si avvicina gradualmente a un valore massimo di carico stimato. Generalmente, però, il carico effettivo all'avvio è inferiore al carico stimato all'avvio e si avvicina gradualmente a un carico effettivo massimo, di gran lunga inferiore alla capacità erogabile installata (non bisogna poi dimenticare che la potenza erogabile di targa degli apparati effettivamente installati può essere superiore alla capacità erogabile installata per motivi di ridondanza o per via di una riduzione del carico pianificata dall'utente). Dati provenienti da installazioni reali Per avere un'idea precisa del grado di sovradimensionamento delle installazioni reali, APC ha raccolto dati presso numerosi clienti attraverso sondaggi e censimenti delle installazioni effettive. Da questa indagine è emerso che il carico stimato all'avvio è pari generalmente al 30% del carico stimato massimo, che il carico effettivo all'avvio è pari generalmente al 30% del carico stimato all'avvio e che il carico effettivo massimo è solitamente pari al 30% della potenza erogabile installata. Una sintesi di questi dati è riportata nella Figura 1. Il data center medio è di fatto sovradimensionato di 3 volte nel valore di progetto. Al momento dell'entrata in funzione, il sovradimensionamento è ancora più considerevole, essendo generalmente dell'ordine di dieci volte. Costi eccedenti derivanti dal sovradimensionamento I costi legati al ciclo di vita derivanti dal sovradimensionamento sono di due tipi: costi di capitale e costi di gestione. I costi di capitale eccedenti sono indicati nell'area ombreggiata all'interno della Figura 1, area che rappresenta la percentuale di potenza erogabile che resta inutilizzata in un'installazione media. L'eccesso di capacità si trasforma automaticamente in costi di capitale eccedenti che, oltre ai costi legati direttamente agli apparati di alimentazione e di raffreddamento, comprendono anche costi di progetto e di installazione, cablaggio e canalizzazioni inclusi. I sistemi di alimentazione e di raffreddamento di una data center standard da 100 kw costano dollari, ovvero 5 dollari a watt. Da questa analisi emerge che il 70% dell'investimento, paria dollari, va perduto e, nei primi anni, la perdita è ancora più consistente. Se viene inserita la componente temporale del costo del denaro, la perdita standard derivante dal sovradimensionamento sfiora il 100% dell'intero costo di capitale del data center. In altri termini, gli interessi applicati al capitale originario ripagano quasi per intero l'investimento effettuato. I costi eccedenti legati al ciclo di vita derivanti dal sovradimensionamento comprendono anche i costi di gestione dell'impianto, che comprendono contratti di manutenzione, materiale di consumo ed energia elettrica. Se la manutenzione degli apparati viene effettuata sulla base delle istruzioni del costruttore, generalmente i costi di manutenzione sono leggermente inferiori ai costi di capitale durante la vita utile del data center o sala per apparati di rete. Poiché alcuni apparati sottoutilizzati a causa del sovradimensionamento sono comunque oggetto di manutenzione, va perduta anche una buona 5

6 percentuale dei costi di manutenzione. Nell'esempio del data center da 100 kw, la perdita ammonta a dollari durante la vita utile del sistema. I costi elettrici eccedenti sono ingenti quando un data center o sala per apparati di rete sono sovradimensionati. La perdita per il mancato utilizzo del sistema di alimentazione di un data center o di una sala per apparati di rete è pari al 5% della potenza di targa, una percentuale che sale al 10% quando si tiene conto dei costi di raffreddamento. In un data center da 100 kw dove il sovradimensionamento raggiunge valori standard, l'energia elettrica che viene sprecata nei 10 anni di vita utile media del sistema è pari a kw/h, equivalenti a dollari. Durante la vita utile del data center o sala per apparati di rete, i costi eccedenti totali saranno pari in media al 70% del costo dell'infrastruttura di alimentazione e di raffreddamento, una somma che in teoria potrebbe essere recuperata se l'infrastruttura fosse in grado di adattarsi e di evolvere in linea con le esigenze reali. Per molte aziende la perdita in termini di costi di capitale e di gestione si trasforma in una perdita di opportunità il cui costo può essere notevolmente superiore rispetto all'esborso effettivo. Per esempio, le aziende attive nell'internet hosting falliscono quando il capitale immobilizzato e inutilizzato in una determinata installazione non può essere impiegato per cogliere un'altra opportunità. Perché si verifica il sovradimensionamento? I dati raccolti nelle installazioni reali indicano un grado di sovradimensionamento delle infrastrutture di data center e sale per apparati di rete molto elevato ed estremamente variabile. A questo punto nasce spontanea la domanda se si tratta di un sovradimensionamento voluto e previsto, se è invece provocato da errori di pianificazione o se esistono dei motivi ben precisi alla base di questo fenomeno. Sovradimensionamento pianificato Dalle interviste ai responsabili di installazioni standard emerge che i data center vengono pianificati in modo da soddisfare la massima potenza di carico prevista per il futuro. La potenza erogabile a livello di sala e la potenza erogabile installata sono leggermente superiori al carico stimato massimo. Molti clienti riducono automaticamente il valore di targa del sistema di alimentazione utilizzando solo una percentuale, es.: l'80%, della potenza erogabile di targa nella convinzione che, facendo funzionare il sistema a un valore inferiore al massimo previsto, ne risulti massimizzata l'affidabilità complessiva. L'abitudine di pianificare una potenza erogabile installata più elevata del carico stimato massimo in un data center si riflette nella Figura 1. Si tratta di un tipo di sovradimensionamento pianificato e intenzionale che rappresenta una forma di sottoutilizzo anche se non è il contributo più significativo ai costi eccedenti complessivi. Eventuali difetti del processo di pianificazione 6

7 Il processo standard di pianificazione di un data center e di una sala per apparati di rete comprende un certo numero di ipotesi circa la potenza richiesta futura, tra le quali figurano: Il costo che presuppone un'insufficienza di capacità nel data center o sala per apparati di rete è molto elevato e deve essere eliminato. E' molto costoso aumentare la potenza erogabile durante la vita utile del data center o della sala per apparati di rete. L'aumento della potenza erogabile durante la vita utile del data center o della sala per apparati di rete è all'origine di un rischio notevole e inaccettabile di fermo macchina. La potenza erogabile massima del data center o sala per apparati di rete deve essere pianificata e predisposta tecnicamente fin dall'inizio. La potenza di carico richiesta nel data center o sala per apparati di rete aumenterà sicuramente ma è difficile prevedere in modo affidabile l'entità dell'incremento. Sulla base di queste ipotesi i data center o sale per apparati di rete sono pianificati, tecnicamente progettati e costruiti fin dall'inizio per soddisfare esigenze non quantificate e la potenza erogabile del data center o sala per apparati di rete è pianificata sulla base di un calcolo conservativo che tiene conto della percentuale più elevata di uno scenario di crescita ragionevole. Motivi principali alla base del sovradimensionamento Il processo di pianificazione dà origine a progetti che, in media, generano un tasso di utilizzo piuttosto scarso, come dimostrato dalla realtà e che possono essere definiti un fallimento dal punto di vista economico. L'analisi effettuata del processo di pianificazione non ha però evidenziato alcun difetto di base ma è possibile risolvere questa apparente contraddizione tramite uno studio più approfondito dei dati e dei vincoli del processo. Nella Figura 2 viene riportata la distribuzione della percentuale di utilizzo massimo nelle installazioni reali, ovvero il carico effettivo massimo diviso per la potenza erogabile massima installata. Dallo studio dei dati emerge quanto segue: La percentuale prevista di utilizzo effettivo è di circa il 30% Il valore previsto di potenza erogabile non necessaria o eccedente è pari al 70% La percentuale di utilizzo effettiva varia considerevolmente, evidenziando in media una scarsa capacità predittiva in corso di progettazione Se la potenza erogabile installata fosse fissata di routine al valore previsto del 30% invece che ai valori generalmente selezionati, il 50% dei sistemi non sarebbero in grado di soddisfare la potenza di carico richiesta durante la loro vita utile. L'attuale tecnica di dimensionamento rappresenta il miglior compromesso perché un sistema sovradimensionato è una garanzia contro il grado elevato di variabilità del carico effettivo massimo in quanto riduce la probabilità che il sistema non sia in grado di soddisfare la potenza di carico richiesta durante la sua vita utile. 7

8 Figura 2 Percentuale massima di utilizzo di data center standard % DISTI 18% 16% 14% 12% 10% 8% 6% 4% 2% 0% Percentuale di potenza erogabile effettivamente utilizzata Si giunge così alla sorprendente conclusione che, alla luce dei vincoli della progettazione e della imprevedibilità della potenza richiesta futura, il metodo attuale di pianificazione di data center e sale per apparati di rete ha una sua base logica. Se per un'azienda il costo di un data center o sala per apparati di rete che non riescono a soddisfare la potenza richiesta è elevato, in base alla metodologia convenzionale di progettazione di data center e sale per apparati di rete il modo migliore di ridurre al minimo il costo complessivo previsto del sistema consiste nel procedere a un ampio sovradimensionamento. Architettura e metodologia che consentono di evitare il sovradimensionamento L'impossibilità di prevedere con certezza la potenza richiesta futura nel corso del processo di pianificazione delle infrastrutture di data center e sale per apparati di rete rappresenta un ostacolo insormontabile che non può essere eliminato senza lanciarsi in previsioni del futuro. In una situazione del genere, la soluzione migliore consiste nel realizzare un'infrastruttura di data center e sale per apparati di rete in grado di soddisfare una domanda imprevedibile. Barriere all'adattabilità La domanda che sorge spontaneamente dopo aver analizzato l'entità del problema del sovradimensionamento è la seguente: perché l'infrastruttura di data center e sale per apparati di rete deve essere realizzata per intero fin dall'inizio invece di crescere gradualmente in linea con il carico effettivo richiesto? 8

9 Di fatto, nel progetto di molti data center è insita una certa percentuale di crescita graduale. Per esempio, spesso la collocazione dei rack avviene per fasi, così come la realizzazione del segmento finale della distribuzione di alimentazione nello spazio del data center. In alcuni casi può essere graduale anche la realizzazione di un modulo UPS ridondante. Se, da un lato, questi approcci danno origine ad alcuni risparmi nei costi complessivi legati alla vita utile del data center, dall'altro in molti casi i costi eccedenti derivanti da un'installazione successiva sono di gran lunga superiori a quelli sostenuti installando fin dall'inizio tutti gli apparati, per cui molti pianificatori optano per questa seconda alternativa. Il risparmio sui costi così ottenuto è quindi di piccola entità. Metodologia di creazione di infrastrutture adattabili L' ideale sarebbe poter disporre di una metodologia e di un'architettura che consentono una continua adattabilità a esigenze in evoluzione. Le suddette metodologia e architettura dovrebbero presentare le seguenti caratteristiche: la componente di ingegnerizzazione insita nella progettazione del data center e sala per apparati di rete dovrebbe risultare notevolmente ridotta, se non eliminata; l'infrastruttura di alimentazione del data center o sala per apparati di rete sarà fornita sotto forma di unità base modulari pre-ingegnerizzate; i vari componenti potranno essere trasportati sul luogo dell'installazione passando attraverso ingressi di dimensioni standard e con l'uso di normali ascensori e collegati direttamente senza necessità di effettuare prove di cablaggio su circuiti alimentati; eliminazione di elementi particolari come pavimenti flottanti il sistema deve essere in grado di funzionare in configurazioni N, N+1 o 2N senza dover apportare alcuna modifica; eliminazione di interventi di installazione quali collegamenti di cavi, perforazioni e tagli non sono necessarie autorizzazioni particolari da parte delle autorità competenti per l'aumento della potenza erogabile; il costo degli apparati di un sistema di alimentazione modulare deve essere uguale o inferiore al costo del sistema centralizzato tradizionale; il costo di manutenzione di un sistema di alimentazione modulare deve essere uguale o inferiore a quello di un sistema centralizzato tradizionale. Livelli di adattabilità concreti e realizzabili Quando viene realizzato un sistema adattabile per l'infrastruttura fisica, è possibile ridurre in larga misura la perdita dovuta al sovradimensionamento indicata nell'area ombreggiata della precedente Figura 1 mentre il risparmio ottenibile è riportato nella Figura 3 di seguito. Vale la pena di sottolineare che la potenza erogabile installata non equivale fin dall'inizio alla potenza erogabile a livello di sala al momento dell'avvio e che la potenza erogabile installata varia in linea con l'andamento del carico effettivo. Figura 3 Potenza erogabile di progetto e potenza richiesta durante la vita utile di un data center 9

10 120% 100% MASSIMA POTENZA INSTALLABILE % POTENZA 80% 60% 40% 20% CARICO PREVISTO POTENZA INSTALLATA Spreco Per Sovradimensionamento CARICO REALE 0% ANNI Un esempio di sistema adattabile in grado di soddisfare i suddetti requisiti è l'architettura InfraStruXure di APC. In questa sede non viene fornita una descrizione completa del sistema. Nell'architettura InfraStruXure è possibile realizzare oltre il 70% del sistema di alimentazione in modo tale che cresca in linea con l'incremento della potenza richiesta nel data center o sala per apparati di rete. In pratica, l'unica parte del sistema di alimentazione che viene realizzata per intero fin dall'inizio è composta dall'interruttore principale di ingresso e dai quadri principali di distribuzione dell'alimentazione che vengono dimensionati in modo tale da soddisfare le esigenze in termini di potenza erogabile massima a livello di sala. Il gruppo di continuità, i moduli batterie, le unità di distribuzione dell'alimentazione, l'interruttore di bypass e il cablaggio di alimentazione dei rack sono tutti installati in modo modulare in linea con l'evoluzione del carico. Non va dimenticato che questa presentazione ha riguardato soprattutto le caratteristiche dei sistemi di alimentazione e di raffreddamento che sono all'origine di gran parte dei costi totali dell'infrastruttura del data center e della sala per apparati di rete. Per essere completa, la stessa analisi può e deve essere estesa allo spazio fisico necessario, agli impianti antincendio e ai requisiti di sicurezza. Conclusioni In linea generale, i data center e le sale per apparati di rete sono sovradimensionati di tre volte rispetto alla potenza richiesta. Il sovradimensionamento provoca costi di capitale e di manutenzione eccedenti che rappresentano una percentuale considerevole del costo complessivo della vita utile del data center. E' possibile recuperare la maggior parte dei costi in eccesso tramite l'adozione di una metodologia e di 10

11 un'architettura in grado di adattarsi in modo economico all'incremento della potenza richiesta pur garantendo un'elevata affidabilità. Bibliografia Mitchell-Jackson, J.D., Koomey, J.G., Nordman, B., Blazek, M., Data Center Power Requirements: Measurements From Silcon Valley, May 16, Master s Thesis, Energy and Resources Group, University of California. Berkeley, California. Disponibile all'indirizzo: 11