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1 - POURQUOI LA CONSOMMATION DES DATA CENTERS AUGMENTE-T-ELLE ?

2 - COMMENT RÉDUIRE LA CONSOMMATION DES DATA CENTERS ?

3 - EXEMPLES DE DATA CENTERS ÉCONOMES EN ÉNERGIE

4 - CONCLUSION

5 - GLOSSAIRE

Article de référence | Réf : BE6003 v1

Comment réduire la consommation des data centers ?
Vers des data centers zéro émission et autonomes en énergie

Auteur(s) : Luigi BROCHARD

Relu et validé le 13 avr. 2021

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RÉSUMÉ

Cet article traite de la consommation énergétique des data centers. Il en explique les causes et présente de nombreuses solutions techniques pour la réduire : contrôle de la consommation des serveurs, refroidissement gratuit, refroidissement à eau, réutilisation de la chaleur, etc. Différents exemples de data centers économes en énergie et écoresponsables, incluant ceux des GAFA, sont analysés. Il est nécessaire de recourir conjointement aux énergies renouvelables et aux économies d’énergie pour atteindre le niveau zéro émission. Mais, vu la variabilité des énergies renouvelables, une autonomie énergétique n’est envisageable qu’en mettant en œuvre un stockage d’énergie, en particulier par hydrogène en utilisant des piles à combustible.

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ABSTRACT

Toward zero emission and energy autonomous data centers

This paper studies the data center energy consumption. It explains its root causes and the different technical solutions to reduce it: server power consumption control, free cooling, water cooling, waste heat reuse, etc. Different examples of data centers (including GAFA’s) which became energy efficient and eco responsible are analyzed. Renewable energy jointly with energy efficiency are the only way to reach zero emission. But, given the variability of renewable energy, partial or total autonomy can only be reached by storing energy, in particular using hydrogen and fuel cells.

Auteur(s)

  • Luigi BROCHARD : Président et co-fondateur de Luigi Brochard Consulting et Energy Aware Solutions S.L. ex-Distinguished Engineer chez IBM puis Lenovo

INTRODUCTION

Les data centers représenteront vraisemblablement 8 % de la consommation électrique mondiale en 2030 et leur consommation va croître de façon exponentielle si rien n’est fait pour la réduire. En 2014, le Conseil européen a adopté un cadre d’action énergie-climat pour la période 2021-2030. Il s’agit de réduire les émissions de gaz à effet de serre d'au moins 40 % (par rapport aux niveaux de 1990), de porter la part des énergies renouvelables à au moins 32 %, et d’améliorer l'efficacité énergétique d'au moins 32,5 %. En septembre 2020, dans le cadre du Green Deal , la commission européenne a proposé de porter l’objectif de réduction des émissions de gaz à effet de serre en 2030 de 40 % à 55 %, pour atteindre la neutralité carbone en 2050 . D’autres pays dans le monde suivent la même démarche y compris la Chine qui a annoncé vouloir atteindre la neutralité carbone en 2060 .

On ne peut y arriver qu’en réduisant la consommation d’énergie ainsi que l’utilisation des énergies fossiles.

Dans ce cadre, la neutralité carbone en 2050 ou 2060 ne pourra être atteinte sans la prise en compte des data centers.

Pour rendre les data centers moins consommateurs d’électricité, la première étape consiste à réduire la consommation des serveurs et des systèmes de refroidissement. Cependant l’électricité consommée par les serveurs et les équipements informatiques du data center est entièrement transformée en chaleur. La deuxième étape pour rendre un data center moins énergivore sera donc de réutiliser la chaleur fatale de ces équipements. Si ces solutions sont mises en œuvre, la consommation d’un data center peut être réduite de presque 50 %, et ce quelle que soit sa situation géographique.

À ce stade, un data center, quoique plus économe en énergie, n’est pour autant ni à zéro émission ni autonome en énergie. La troisième étape consiste à remplacer les énergies fossiles utilisées pour son alimentation par des énergies renouvelables. Cette électricité peut être achetée à des fournisseurs (ce qui est déjà fait par certains GAFA) ou produite localement par des panneaux photovoltaïques ou des éoliennes. Cependant la production d’électricité utilisant des énergies renouvelables est variable et la consommation d’un data center varie également. Pour gérer cette situation, le data center peut vendre cette électricité verte en situation de surplus et en acheter en situation de déficit. Ce data center sera ainsi à zéro émission et partiellement autonome en énergie. Pour rendre ce data center totalement autonome, il conviendra de stocker l’énergie quand il y a surplus et d’utiliser cette énergie pour produire de l’électricité quand il y a déficit. C’est ce qu’apporteront les piles à combustible qui stockent l’électricité sous forme d’hydrogène et produisent de l’électricité en réutilisant l’hydrogène stocké.

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KEYWORDS

GAFA   |   energy efficiency   |   carbon neutrality   |   servers cooling   |   waste heat reuse

DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v1-be6003

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2. Comment réduire la consommation des data centers ?

La consommation des processeurs, utilisés dans les serveurs et le stockage, étant entièrement transformée en chaleur, les data centers ont besoin de refroidir leurs équipements informatiques pour les maintenir opérationnels.

La consommation d’un data center est donc égale au produit de la consommation des équipements informatiques par l’efficacité énergétique PUE (Power Usage Effectiveness) du data center. Ce PUE tient compte de la consommation additionnelle due au refroidissement et aux pertes liées aux conversions électriques. Pour réduire la consommation d’un data center il faut donc réduire à la fois la consommation des équipements informatiques et le PUE. Un moyen supplémentaire de réduire la consommation du data center est la réutilisation de la chaleur produite par les équipements informatiques (chaleur fatale).

2.1 Réduire la consommation des serveurs

Différentes solutions existent pour y arriver. Certaines relèvent du bon sens. Il faut éteindre les équipements lorsqu’ils ne sont pas utilisés, ou les mettre en veille. En effet il peut arriver qu’un serveur inactif consomme encore un tiers de sa consommation en fonctionnement s’il n’est pas mis en veille correctement. Dans le cas où le serveur est mis en veille, sa consommation reste de l’ordre du sixième de sa consommation en fonctionnement. Il faut également réduire la fréquence des processeurs lorsque certaines tâches qui s’y exécutent ne sont pas impactées par une baisse de fréquence. D’autres solutions découlent des lois de la physique. Par exemple, plus la température du processeur est basse, moins il consomme. L’utilisation d’un refroidissement à eau des processeurs, qui a pour effet de baisser la température du processeur, réduira donc la consommation du serveur.

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2.1.1 Garder les serveurs bien chargés

L’efficacité énergétique des alimentations électriques dépend non seulement de leur certification 80 Plus ...

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BIBLIOGRAPHIE

  • (1) - Commission Européenne -   A European Green Deal.  -  https://ec.europa.eu

  • (2) - Commission Européenne -   Cadre d’action en matière de climat et d’énergie d’ici à 2030.  -  (2014). https://ec.europa.eu

  • (3) -   La Chine surprend en s’engageant à atteindre la neutralité carbone d’ici à 2060.  -  (2020). https://www.lemonde.fr

  • (4) - ASHRAE Data Center Storage Equipment -   Thermal Guidelines, Issues, and Best Practices.  -  (2015). https://tc0909.ashraetcs.org

  • (5) - MOORE (G.E.) -   Cramming more components onto integrated circuits.  -  Electronics, Volume 38, Number 8 (1965).

  • (6) - DENNARD (R.H.), GAENSSLEN (F.), YU (H.), RIDEOUT (L.), BASSOUS (E.), LEBLANC (A.) -   Design of ion-implanted...

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