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Contents 1 La consommation d'énergie des data-centres en France 2 Le périmètre de la fiche 2.1 Définition d'un data-centre 2.2 Portée 2.2.1 Services de technologie de l'information et de la communication (STIC) 2.2.2 Équipements de technologie de l'information et de la communication (ETIC) 2.2.2.1 Les serveurs 2.2.2.2 Les systèmes de stockage des données 2.2.2.3 Les équipements de réseau 2.2.3 Équipements d'infrastructure et de suivi 2.2.3.1 Les systèmes de refroidissement, ventilation et conditionnement d'air 2.2.3.2 Les alimentations sans interruption (ASI ou UPS) 2.2.3.3 L'éclairage 2.2.3.4 La gestion technique et environnementale (GTE) 3 Les postes de consommation 4 Les indicateurs d'efficacité énergétique 4.1 PUE 4.1.1 Niveau 4.1.2 Définition 4.1.3 Mise en œuvre 4.2 SPEC SERT 4.2.1 Niveau 4.2.2 Définition 4.2.3 Mise en œuvre 4.3 Rendement des alimentations électriques 4.3.1 Niveau 4.3.2 Définitions 4.3.3 Mise en œuvre 4.4 Efficacité énergétique des systèmes de ventilation et de conditionnement d'air 4.4.1 Niveau 4.4.2 Définitions 4.4.3 Mise en œuvre 4.4.3.1 Petits systèmes de moins de 12 kW air-air 4.4.3.2 Systèmes moyens et grands de plus de 12 kW

La consommation d'énergie des data-centres en France

Il n'existe pas à ce jour d'observatoire des consommations d'énergie de ces installations en France (ni dans d'autres pays d'ailleurs) du fait du développement récent de ce concept (autour des années 2000) et du fait également du caractère souvent stratégique ou confidentiel des informations traitées dans ces installations rendant leur recensement "volontaire" difficile.

On estime toutefois une consommation au niveau national de ces installations entre 5 et 25 TWh/an (soit de 1 à 5% de la consommation d'électricité totale en France) pour 2012, avec une tendance lourde à l'augmentation, si aucune mesure n'est prise (doublement des consommations prévu au niveau européen d'ici 2020).

Malgré cette tendance et malgré la relative nouveauté des quelques labels disponibles pour les équipements mis en œuvre dans ces installations, les gisements d'économie d'énergie sont conséquents du fait de nombreuses pratiques actuelles visant plus à la sécurité de service qu'à l'optimisation environnementale et entraînant des sur-dimensionnements des installations. Suivant les installations il est très courant de réduire de 30 à 45% les consommations d'énergie des data-centres, notamment par la sélection d'équipements ou le changement de concepts au niveau des installations d'infrastructure (refroidissement-climatisation, alimentation électrique).

Le périmètre de la fiche

Définition d'un data-centre

(reprise d'une norme ISO-CEI en cours de préparation) :
Un data-centre est une structure, ou un groupe de structures, dédié de manière centralisée à la mise en œuvre, l'interconnexion et l'exploitation d'équipements de technologies de l'information et de réseaux de télécommunication, fournissant des services de stockage, traitement et transport de données, avec toutes les commodités et infrastructures nécessaires de distribution d'énergie et de contrôle environnemental, tout en assurant les niveaux de résilience et de sécurité requis pour assurer la disponibilité du service souhaité.
La structure peut être constituée de multiples bâtiments et/ou espaces avec les fonctions spécifiques permettant d'assurer la fonction primaire. Les frontières de la structure ou de l'espace considéré du data-centre qui comprennent nécessairement des équipements de technologies de l'information et de la communication (ETIC) et optionnellement des équipements d'infrastructure peuvent être inclus ou pas dans une structure ou un bâtiment plus grand.

Portée

Services de technologie de l'information et de la communication (STIC)

Ce sont les services offerts en tout ou partie par le data-centre. Ces services mettent en œuvre des plates-formes matérielles et des logiciels s'exécutant sur des systèmes d'exploitation (voir ETIC à la suite). Les services peuvent être de l'hébergement de données ou d'applications, du traitement de bases de données en mode client-serveur, du calcul statistique ou scientifique, des applications métiers nécessaires aux autres services concernés de l'administration.

Parmi les STIC mais de manière non exclusive on peut retrouver les services d'informatique en nuage (cloud computing) avec ces différents modèles :

• IaaS (Infrastructure as a Service, infrastructure en tant que service), le service de plus bas niveau (c'est-à-dire le plus proche du matériel) consistant à proposer l'accès à des machines virtuelles sans système d'exploitation ni outil de gestion pré-installés;
• PaaS (Platform as a Service, plate-forme en tant que service), service situé juste au dessus du précédent consistant à proposer un service de machines virtuelles équipées de systèmes d'exploitation et d'outils de gestion, sous forme mutualisée et dynamique (pouvant s'adapter à la charge informatique à traiter);
• SaaS (Software as a Service, logiciel en tant que service), service de plus haut niveau consistant à proposer des applications accessibles par des clients le plus souvent via un navigateur web.

Ces 3 niveaux font l'objet d'une norme américaine du National Institute of Standards and Technology (NIST), mais il existe également d'autres modèles parmi lesquels on peut également citer le DaaS (Data as a Service, service de mutualisation de données destinées à être recombinées par des applications composites), le STaaS (Storage as a Service, service d'externalisation de données), ou le NaaS (Network as a Service, service de virtualisation de réseau).

On voit donc que ces services de cloud computing mettent en œuvre des techniques de virtualisation et de consolidation qui, du point de vue des équipements nécessaires à ces services, entraînent des regroupements et des optimisations par rapport à un schéma traditionnel ("un serveur = une machine physique", voire "une application = une machine physique") ayant des conséquences bénéfiques sur la consommation d'énergie résultante tant des ETIC que des équipements d'infrastructure.

À noter que la virtualisation de serveurs n'est pas un gage d'économie d'énergie assuré car, du fait de la facilité de mise en œuvre des machines virtuelles, on assiste parfois à des déploiements de serveurs virtualisés aboutissant à :

• des serveurs "fantômes" (déployés à un moment donné pour des tests ou ne servant que très rarement dans l'année et dont les gestionnaires ont parfois oublié l'existence),
• des machines virtuelles mal dimensionnées (le plus souvent surdimensionnées mais parfois sous-dimensionnées),
• des machines virtuelles installés sur des serveurs physiques peu performants,
• des machines virtuelles dispersées sur des serveurs physiques nombreux et qui pourraient être consolidées sur moins de serveurs,
• une gestion "statique" et constante de la charge, alors qu'elle pourrait être gérée en fonction de la demande (notamment jour/nuit, week-ends, vacances) et permettre l'extinction de serveurs physiques.

Il existe des outils de gestion de la virtualisation proposés soit par les éditeurs de solutions de virtualisation soit par des éditeurs indépendants, et il est également possible de procéder à un diagnostic spécialisé, afin d'optimiser la virtualisation.

Équipements de technologie de l'information et de la communication (ETIC)

Ce sont les équipements électroniques qui assurent la mise en œuvre des STIC décrits précédemment, la particularité des ETIC des data-centres étant qu'ils fournissent ces services à distance, les utilisateurs accédant à ces services via des terminaux (ordinateurs de bureau ou portables, clients légers, terminaux sans fil comme des téléphones portables ou des tablettes, téléphones sur IP).

Les serveurs

Ce sont les équipements qui exécutent les instructions nécessaires aux STIC. Par définition un serveur doit répondre à tous les critères suivants :

• il doit être présenté et vendu comme un serveur,
• il est conçu pour faire fonctionner un ou plusieurs systèmes d'exploitation ou hyperviseurs (cas de la virtualisation),
• il est prévu pour faire fonctionner des applications de nature professionnelle, sans que cela soit nécessairement le fonctionnement exclusif,
• il fonctionne avec des modules de mémoire vive à correction d'erreur (ECC) et/ou à mémoire tampon (y compris les modules tampons à base de DIMM (dual in-line memory module) et les configurations BOB (buffered on board)),
• il est livré pour fonctionner avec une ou plusieurs alimentations CA-CC ou CC-CC, et
• il est conçu de manière à ce que tous ses processeurs aient accès à un système de mémoire partagée et soient visibles par un système d'exploitation ou un hyperviseur. Un serveur peut être pilotable (managed server) s'il dispose de, et fonctionne avec, une alimentation redondante et un contrôleur de gestion dédié (service processor).

Les systèmes à lames (blades) sont des châssis qui accueillent des cartes électroniques pouvant être des serveurs ou des éléments de stockage de données. Les lames permettent dans un espace restreint de mutualiser l'alimentation de plusieurs serveurs avec du stockage de données tout en proposant une alimentation électrique de qualité et une connectivité réseau au niveau du châssis.

En fonction des applications on peut distinguer différents types de serveurs comme les serveurs d'applications (serveurs pré-configurés et n'exécutant que les services prévus par leurs concepteurs comme par exemple les serveurs de nom de domaine, les pare-feux, les serveurs d'authentification, les serveurs de cryptage, les serveurs de voix sur IP), les systèmes de calcul à haute performance (HPC, pour exécuter des applications à haut parallélisme; les systèmes HPC sont des grappes de nœuds de calcul partageant des mémoires importantes et à grande bande passante).

Les serveurs se présentent physiquement sous 3 formes :

• les serveurs encastrables en armoires (racks) de largeur standard de 19 pouces et d'espacement en hauteur standard multiple de 1,75 pouces (ou U, 1U=1,75", 2U=3,5", etc.),
• les serveurs tours, à châssis vertical et prévus pour être posés au sol,
• les lames dans des châssis qui peuvent eux-mêmes être encastrables dans les armoires standardisées précédemment mentionnées.

Les systèmes de stockage des données

Ce sont des équipements électroniques qui fournissent un service de stockage des données distinct des systèmes de mémoire de masse éventuellement présents dans les serveurs ou directement connectés à un serveur (systèmes de stockage externes DAS, direct-attached storage) ou dans un châssis lame (blade storage).

Ces systèmes sont constitués

• de dispositifs de stockage, comme des disques durs (HDD), des disques à état solide (SSD), des cartouches à bande et tout dispositif fournissant un stockage de données non volatil,
• d'un contrôleur de stockage, dispositif mettant en œuvre un processeur ou un séquenceur programmé pour traiter de manière autonome une grande part des entrées/sorties des dispositifs de stockage,
• d'une alimentation électrique,
• d'un dispositif de connexion au réseau.

Il existe de nombreuses autres caractéristiques pouvant différencier un système de stockage de données d'un autre, et correspondant à des fonctionnalités qui peuvent être exigées dans le cahier des charges pour les fonctions de stockage du data-centre concerné.

Les équipements de réseau

Ce sont tous les équipements assurant l'interconnexion des équipements précédemment mentionnés via leurs interfaces réseau, ainsi qu'avec d'autres équipements de réseau. Outre l'interconnexion, ces équipements assurent le transfert et/ou l'aiguillage des données (ou routage) vers les équipements ad-hoc, tout en assurant un certain niveau de contrôle de la qualité de ces transferts et/ou routages.

L'interconnexion est assurée physiquement avec des câbles comportant plusieurs paires de conducteurs électriques par câble, ou avec des fibres optiques. Ces câbles ou fibres sont branchés sur des ports de communication des équipements de réseau et des autres ETIC. Dans le cas des câbles ils peuvent assurer, en plus de la fonction de transmission des données, le transport d'énergie pour l'alimentation électrique entre l'équipement de réseau et un équipement de communication terminal (Power over Ethernet ou PoE par exemple).

Les principaux équipements de réseau qui sont mis en œuvre dans un data-centre sont :

• les routeurs, qui assurent l'aiguillage des données en fonction des émetteurs et des destinataires tout au long du transfert de données (y compris éventuellement à l'extérieur du data-centre),
• les switches, qui filtrent, transfèrent et distribuent les données (ils assurent une grande part de l'architecture du réseau dans le data-centre),
• les équipements de sécurité, dont la fonction principale est de bloquer toute partie du trafic qui ne serait pas souhaitée (sur la base de règles),
• et éventuellement les bornes d'accès sans fil, dont la fonction est d'assurer la connexion d'équipements sans fil au réseau (ces équipements se trouvent plutôt en dehors du data-centre dans des espaces de bureau ou des espaces ouverts).

Dans les data-centres, les routeurs, les switches et les équipements de sécurité sont installés le plus souvent dans des armoires standardisées et disposent d'alimentations électriques internes. Les petits équipements de réseau dont l'installation n'est pas prévue dans des racks disposent le plus souvent d'alimentations externes.

Les data-centres des opérateurs de télécommunication disposent d'autres équipements de réseau qui ne seront pas détaillés ici.

Équipements d'infrastructure et de suivi

On entend par équipements d'infrastructure, tous les équipements nécessaires au fonctionnement dans de bonnes conditions (température, humidité, qualité de courant, voire éclairage) des tous les ETIC du data-centre; les équipements d'infrastructure ne constituent pas des ETIC même s'ils peuvent pour certains disposer de circuits électroniques dans la plupart des cas utilisés pour leur pilotage propre et en lien éventuellement avec des équipements de suivi. Les équipements de suivi sont également mentionnés ici car ils contribuent également au bon fonctionnement des ETIC, mais peuvent être considérés comme des ETIC, bien que leur usage principal n'ait pas de lien direct avec les STIC fournis par le data-centre.

Les systèmes de refroidissement, ventilation et conditionnement d'air

Ce sont tous les systèmes climatiques qui permettent de maintenir les ETIC dans des conditions de fonctionnement optimums quelles que soient les variations physiques de température et d'humidité principalement induites soit par le régime de fonctionnement des ETIC dans l'enceinte du data-centre, soit par les conditions climatiques externes.

Les alimentations sans interruption (ASI ou UPS)

Bien que les réseaux de production et de distribution d'électricité en France soient relativement fiables, les fournisseurs d'énergie ne peuvent garantir un fourniture continue 24 heures sur 24, 7 jours sur 7, ni la stabilité en fréquence et tension de cette fourniture. C'est pourquoi de nombreux acteurs dans différents secteurs économiques ont recours à des équipements qui permettent de palier aux interruptions accidentelles de fourniture d'énergie électrique et de maintenir la qualité du courant nécessaires aux équipements électriques qu'ils exploitent.

Dans le cas des data-centres les alimentations sans interruption doivent assurer ces fonctions avec un niveau d'exigence élevé pour les ETIC, mais également pour les équipements climatiques avec dans ce cas un niveau d'exigence qui peut être moins élevé que pour les ETIC.

Pour les ETIC, les ASI doivent permettre le fonctionnement continu des équipements en cas de coupure du réseau du fournisseur d'énergie, que la coupure soit très courte (micro-coupure) ou plus longue. Si le problème de fourniture du réseau électrique persiste au delà d'un délai donné (par exemple 10 minutes), des procédures d'extinction sans perte de données des ETIC sont également mises en œuvre. Ce délai permet de dimensionner la capacité de stockage d'énergie nécessaire à l'ASI.

Pour les équipements climatiques, une coupure réseau, outre des problèmes qu'elle peut générer en termes de fiabilité des équipements, n'est pas aussi impactante que pour les ETIC, pour peu que l'ASI pour les alimenter prenne le relais dans un délai ne permettant pas une excursion thermique des ETIC. Ces ASI pour équipements climatiques sont souvent des groupes électrogènes avec moteurs thermiques dont le démarrage peut être très rapide en cas de détection de la coupure "franche" du réseau, mais ne permettant pas de passer des micro-coupures comme dans le cas des ASI pour ETIC.

L'éclairage

Même si les data-centres ne sont pas prévus pour la présence permanente de personnel, des êtres humains doivent pouvoir y intervenir. Il n'est pas toujours possible ou il n'est pas forcément souhaitable que le data-centre dispose de fenêtres donnant vers l'extérieur pour profiter de la lumière naturelle de jour. De plus les allées d'armoires d'équipements occultent très rapidement l'éclairage naturel si les salles disposent de nombreuses allées. C'est pourquoi il est nécessaire de prévoir un éclairage des locaux même de jour.

La gestion technique et environnementale (GTE)

On regroupe dans cette catégorie tous les équipements mis en œuvre dans le data-centre pour assurer son pilotage sur les critères environnementaux et de sécurité (sécurité en termes d'accès, sécurité des personnels et des biens). On s'intéressera principalement ici au pilotage environnemental et moins aux aspects de sécurité.

Les postes de consommation

Les principaux postes de consommation énergétique (ceux qui seront pris en compte) d'un data centre sont les consommations des ETIC, les consommations des équipements de refroidissement et les pertes des alimentations secourues (ASI).

En l'état des connaissances techniques, il n'est pas encore possible d'attribuer des consommations d'énergie précises aux STIC, ces consommations se retrouvant induites dans celles des ETIC. Toutefois il existe déjà des solutions d'optimisation énergétique des STIC, par la virtualisation des serveurs et la consolidation des données, induisant des économies d'énergie au niveau des ETIC.

Les consommations des systèmes d'éclairage sont d'autant plus négligeables que le data-centre est de taille importante. On les négligera en première approche, mais l'éclairage étant traité dans d'autres fiches, on pourra appliquer les recommandations sur l'éclairage une fois les recommandations principales pour les data-centres mises en œuvre.

De même on négligera en première approche les consommations d'énergie de la GTE en tant que telle car, constituée d'ETIC elle sera sans doute prise en compte au niveau des ETIC, et son but est entre autres de mesurer, vérifier et piloter l'ensemble des équipements climatiques et de sécurité notamment, dans le cas des équipements climatiques, afin de gérer l'énergie de manière optimum. Pour ces équipements de GTE, seuls des recommandations sur les équipements de mesure et de vérification seront abordées dans cette fiche, et on pourra suivre les recommandations pour les équipements de GTB ou de GPE traités par ailleurs.

Enfin, et bien que ces consommations d'énergie ne sont pas traitées explicitement dans cette fiche, il faudra tenir compte des bureaux, ateliers et autres locaux, nécessaires à l'exploitation du data-centre notamment dans le cas de bâtiments dont le data-centre est la principale activité. Dans le cas de bâtiments à usage mixte où le data-centre (ou la salle de serveurs) ne représente qu'une partie des activités, on pourra opter pour attribuer les consommations de ces locaux dans un ensemble plus représentatif des activités principales du bâtiment. On se réferrera aux fiches ad-hoc  pour les achats correspondant aux équipements de ces locaux.

Les indicateurs d'efficacité énergétique

Bien que les questions d'impact énergétique et environnemental des data-centre soient récentes, il existe déjà de nombreux indicateurs afin de quantifier ces impacts. La plupart sont proposés, définis et discutés au sein du consortium international The Green Grid (TGG), et certains de ces indicateurs sont en voie de normalisation au niveau international dans des efforts de collaboration entre l'OSI (ou ISO) et la CEI (ou IEC) d'une part et l'UIT-T (ou ITU-T) d'autre part.

Le plus connu de ces indicateurs porté initialement par TGG et en cours d'adoption comme norme internationale ISO-IEC (30134-2) est la Performance d'Usage de l'Énergie (PUE). D'autres indicateurs doivent être également être normalisés dans le cadre de la série 30134-X en cours de préparation.

Le PUE est un indicateur global au niveau du data-centre dans son entier. On mentionnera également ici d'autres indicateurs de performance énergétique au niveau des équipements concernés.

PUE

Niveau

Global (data-centre)

Définition

Le Power Usage Effectiveness ou PUE (que l'on traduit en français par Performance d'Usage de l'Énergie), est le ratio entre la consommation d'énergie totale livrée au data-centre et la consommation d'énergie des ETIC seuls.

Les énergies éventuellement produites sur le site par des sources d'énergie renouvelable, ou récupérées d'un process sur le site, ne sont pas prises en compte pour le calcul du PUE. Le PUE est donc par définition toujours supérieur à 1 (c'est l'inverse d'un rendement, le DCiE ou Data Centre infrastructure Efficiency, Efficacité d'infrastructure du Data Centre).

Le PUE peut être établi suivant différentes échelles de temps ou périodes (annuel, mensuel, hebdomadaire, etc.), mais dans tous les cas c'est sur la même période que sont mesurées les 2 consommations d'énergie du numérateur et du dénominateur du ratio (même durée de période, même début de période, même fin de période).

Un PUE classique pour une installation existante non optimisée sur une période annuelle se situe entre 2 et 3,5, ce qui signifie que l'énergie utilisée dans les équipements d'infrastructure est comprise entre 1 et 2,5 fois celle utilisée pour le fonctionnement des ETIC.

Avec un dimensionnement optimisé de la charge du système d'information (optimisation du STIC), un choix judicieux d'équipements et un pilotage adapté du data-centre, il est possible d'atteindre un PUE entre 1,3 et 1,6. Les meilleures installations connues à ce jour revendiquent un PUE entre 1,1 et 1,2.

Mise en œuvre

La mesure du PUE peut se révéler complexe, tant il existe de possibilités techniques pour la faire notamment avec des moyens propres soit de la DSI soit d'une autre direction ou d'un autre service interne. Des prestataires peuvent également réaliser cette évaluation en tout ou partie. La présence d'une GTE ou d'une GTB peut s'avérer fort utile voire indispensable dans le cas d'une évaluation du PUE de manière continue.
Les principaux guides de mesure du PUE sont les suivants :

• Recommendations for Measuring and Reporting Overall Data Center Efficiency, Version 2 - Measuring PUE for Data Centers (7x24 Exchange, ASHRAE, The Green Grid, Silicon Valley Leadership Group, U.S. Department of Energy Save Energy Now Program, U.S. Environmental Protection Agency's Energy Star Program, United States Green Building Council, Uptime Institute, 17 May 2011, en anglais),
• PUE : A Comprehensive Examination of the Metric, White Paper #49 (The Green Grid, 2012, en anglais),
• Évaluer l'efficience énergétique d'un centre de données : PUE et DCiE (site web EcoInfo-CNRS, en français),
• la future norme ISO-IEC 30134-2 dans ses annexes informatives qui devrait reprendre tout ou partie des éléments présentés dans les deux premiers guides (une version française de la norme devrait être publiée en même temps que la version anglaise).

Dans le mesure où le PUE indique la performance consolidée d'un ensemble d'optimisations au niveau de services et d'équipements, c'est le seul des indicateurs mentionnés ici qui ne peut faire l'objet d'un critère dans le choix des offres, même d'une prestation globale ou d'AMO. Seul un PUE mesuré peut faire foi, un PUE estimé avant une réalisation ou une prestation de travaux ne pouvant pas traduire des éventuels dysfonctionnements ou incompatibilités lors de la mise en œuvre. Toutefois, dans le cas d'une prestation externalisée, un PUE objectif pourra être mentionné dans le cahier des charges sous réserve de bien documenter les hypothèses et méthodes utilisées pour le déterminer, ce PUE objectif pouvant ensuite servir de référence à laquelle comparer le PUE réel en fonctionnement.

SPEC SERT

Niveau

ETIC (serveurs)

Définition

La Standard Performance Evaluation Corporation (SPEC) est un organisme sans but lucratif regroupant des fabricants d'équipements et des utilisateurs, créé en 1988 afin de mettre au point, maintenir et promouvoir des méthodes standardisées d'évaluation et de comparaison (benchmark) de la performance de calcul des ordinateurs et de composants d'ordinateurs. Les résultats de ces benchmarks peuvent faire l'objet de publications auprès des membres de SPEC, des utilisateurs des outils SPEC ou le grand public.

Une première méthode d'évaluation de la performance énergétique des serveurs, en lien bien entendu avec les performances de calcul de ces équipements, le SPECpower, a été mise au point fin 2007 avec l'outil SPECpower_ssj2008. Il caractérisait bien la situation de serveurs dont les processeurs étaient soumis à des charges de calcul importantes.

À la demande de l'Agence de Protection de l'Environnement des États-Unis (US-EPA) afin de disposer d'une méthode de caractérisation du mode actif des serveurs dans la nouvelle spécification (version 2.0) Energy Star pour les serveurs, SPEC a développé le Server Efficiency Rating Tool (SERT), outil de classement de l'efficacité (sous-entendue énergétique) des serveurs, reprenant les travaux et l'architecture du SPECpower_ssj2008.

Le SERT permet de caractériser les serveurs disposant de 1 à 4 supports de processeur y compris les serveurs à lames. Le cahier des charges prévoyait de pouvoir caractériser depuis les serveurs d'entrée de gamme jusqu'aux grands systèmes, avec la possibilité de caractériser des charges informatiques pouvant évoluer par l'ajout de processeurs, de mémoire, d'interfaces réseau, de disques, etc. L'outil doit permettre de caractériser sans distorsion tant les systèmes modestes que les grands systèmes.

Le SERT permet de classer les serveurs suivant leur efficacité énergétique globale, de mesurer la puissance, la performance et la température interne du serveur, dans un environnement de calcul standard. Il ne concerne à ce stade que les serveurs avec des alimentations en courant alternatif (pas adapté aux nouveaux serveurs avec alimentation en courant continu) pour caractériser des serveurs physiques (un système d'exploitation par serveur physique, pas adapté à la caractérisation des serveurs virtuels), et il est en principe indépendant de l'architecture matérielle et du système d'exploitation.

Mise en œuvre

La mise en œuvre du SERT est de la responsabilité des fournisseurs d'équipements et/ou des laboratoires de certification, notamment afin de qualifier les équipements au titre des spécifications Energy Star à partir de la version 2. Les résultats doivent être publiés conformément aux recommandations SPEC et aux spécifications Energy Star. Ces résultats doivent être communiqués dans le cadre de réponses à des appels d'offre.

À titre purement informatif ici, les essais mettent en œuvre l'équipement (serveur) à caractériser, une machine contrôleur exécutant les programmes de mesure et d'acquisition de la puissance et de la température, une sonde de température placée dans le serveur et reliée au contrôleur, un analyseur de puissance mesurant les caractéristiques des alimentations du serveur et relié au contrôleur également. Sur le serveur une suite de programmes est installée (programmes en Java), simulant des actions d'utilisateur, des transactions, des modules de charges informatiques (tri, compression, cryptage, attente, etc.), suivant des scénarios, des intervalles et des séquences (enchaînements d'intervalles), respectant des phases (mise en route, calibration, mesure), chaque phase se déroulant suivant des séquences et mettant en œuvre une charge informatique (sollicitant de manière principale ou composée les processeurs, la mémoire, le stockage, ou en attente) composée par des modules de charge précédemment mentionnés.

Les rapports SERT donnent à la fois des fourchettes de puissances mesurées, des fourchettes de performances normées (par comparaison avec serveurs de référence) et des fourchettes de scores (ou points) d'efficacité (rapport entre la performance normée et la puissance moyenne durant le module de test), et ce pour différents modules de fonctionnement mis en œuvre durant les essais.

Rendement des alimentations électriques

Niveau

ETIC (serveurs, systèmes de stockage, équipements de réseau) et ASI

Définitions

De nombreux équipements ou composants d'équipements qui sont mis en œuvre dans un data-centre convertissent l'énergie (fossile, mécanique, électrique) en énergie électrique, d'une forme à une autre. On peut mentionner de manière non exhaustive :

• les alimentations internes (IPS pour Internal Power Supply) des équipements électroniques qui convertissent le courant alternatif monophasé 230V, ou tri-phasé 410V, en courant continu de différentes tensions,
• les alimentations externes (EPS pour External Power Supply) des équipements électroniques (non pourvus d'alimentations internes) qui convertissent le courant alternatif monophasé 230V en courant continu de tensions diverses (valeurs entre 1,5 et 48V),
• les alimentations sans interruption (ASI, ou alimentations secourues ou encore UPS pour Uninterruptible Power Supply) qui fournissent l'énergie électrique en cas de défaillance du réseau du fournisseur d'électricité, avec des systèmes de stockage d'énergie électrique (batteries d'accumulateur), chimique (piles à combustible), mécanique (volant d'inertie), fossile (groupe électrogène), ou des combinaisons de ces systèmes.

La conversion d'énergie d'une forme à une autre même si l'énergie est la même ne se fait pas sans perte et la mesure de cette performance est le rendement, ratio de l'énergie finale ou utilisée en sortie du convertisseur par l'énergie initiale ou fournie en entrée du convertisseur. Par définition ce ratio est nécessairement inférieur ou égal à 1. Le rendement étant adimensionnel s'exprime en %. Les équipements à alimenter fonctionnent rarement à la puissance maximum prévue pour leur dimensionnement. Si l'on peut prévoir l'occurrence de fonctionnement à puissance partielle, on peut essayer de choisir le convertisseur ayant le meilleur rendement à cette charge, quitte à ce que le rendement à puissance maximum soit éventuellement moins bon. Dans la pratique, on utilisera plusieurs niveaux de puissance intermédiaires ainsi que la puissance maximum pour caractériser le rendement à tous ces niveaux.

Les convertisseurs pouvant dans certains cas assurer une fonction de stockage d'énergie pour certains, et pour d'autres être déconnectés de l'équipement qu'ils alimentent, on définit parfois également des indicateurs de performance à pleine charge et à charge nulle.

D'autres indicateurs sur la qualité de courant, comme un seuil minimum pour le facteur de puissance (PF pour Power Factor) ou la présence d'un dispositif correcteur de facteur de puissance (PFC pour Power Factor Corrector) peuvent également être demandés.

Mise en œuvre

À noter que tous les équipements électriques alimentés par un boîtier externe (EPS pour External Power Supply) mis sur le marché européen sont en principe conforme au règlement européen 278/2009 dans le cadre de la directive éco-conception des produits relatifs à l'énergie. Ce règlement impose des seuils maximums de consommation à vide et des rendements minimums de conversion.

Pour les ETIC à alimentation interne, les spécifications Energy Star prévoient des seuils de rendement minimum à respecter pour :

• les serveurs (Energy Star v 2.0)

Type d'alimentation	10% de charge	20% de charge	50% de charge	100% de charge
Multi sortie (CC)	non applicable	85%	88%	85%
Mono sortie (CC)	80%	88%	92%	88%

• les systèmes de stockage de données pour data-centres (v 1.0 final draft)

Type d'alimentation	20% de charge	50% de charge	100% de charge
Redondante et non redondante	85%	89%	85%

Le consortium Ecos Plug Load d'Ecova (anciennement 80 PLUS, programme à l'initiative des fournisseurs d'électricité aux États-Unis) définit différents niveaux de performance pour le rendement des alimentations internes d'équipements électroniques, dont certains vont au-delà des spécifications Energy Star.

• Alimentations non redondantes

Niveau 80+	20% de charge	50% de charge	100% de charge
80+	80%	80%	80%
80+ Bronze	82%	85%	82%
80+ Silver	85%	88%	85%
80+ Gold	87%	90%	87%
80+ Platinium	90%	92%	89 %

• Alimentations redondantes (pas de niveau 80+ de base)

Niveau 80+	10% charge	20% charge	50% charge	100% charge
80+ Bronze	non applicable	81%	85%	81%
80+ Silver	non applicable	85%	89%	85%
80+ Gold	non applicable	88%	92%	88%
80+ Platinium	non applicable	90%	94%	91%
80+ Titanium	90%	94%	96%	91%

Pour les ASI, la spécification Energy Star 1.0 prévoit la caractérisation (formules de calcul du seuil minimum de rendement) pour les convertisseurs CA vers CA suivant des critères croisés :

• la gamme de puissance nominale en sortie (moins de 1500 W, entre 1500W et 10 kW, plus de 10 kW),
• la dépendance aux caractéristiques d'entrée (VFD : dépendant de la tension et de la fréquence, VI : indépendant de la tension, VFI : indépendant de la tension et de la fréquence),
• le profil d'utilisation à charges partielles (25%, 50%, 75%) et totale en fonction des 2 critères précédents,
• la disponibilité éventuelle de système de mesure et de communication dans l'ASI.

Cette même spécification prévoit de manière plus simple pour les convertisseurs CA vers CC ou redresseurs un seuil de rendement minimum de 95,5% et pour les équipements de plus de 10 kW en sortie et avec fonctionnalités de mesure et de communication 94,5%.

À noter qu'il existe un code de conduite européen pour les ASI, ne traitant que les convertisseurs CA-CA, qui propose une déclinaison de gammes de puissance plus fine que celle d'Energy Star, la même typologie en termes de dépendance aux caractéristiques d'entrée, mais pas de profil d'utilisation suivant les différents niveaux de charge, les seuils de rendement étant définis pour les 4 niveaux, 25%, 50%, 75% et 100% de charge. Il est donc difficile de comparer les deux spécifications. Mais pour certaines gammes de produits, les seuils du Code de conduite européen sont plus exigeants que ceux d'Energy Star.

Efficacité énergétique des systèmes de ventilation et de conditionnement d'air

Niveau

Systèmes de refroidissement

Définitions

Le maintien à température optimum de fonctionnement des serveurs et systèmes de stockage nécessite souvent la mise en place d'un système de refroidissement. L'objet de cette fiche portant sur les critères de choix pour les achats, il ne faudra pas négliger l'étude de dimensionnement de ces installations, car le refroidissement peut représenter entre 5% et 75% des consommations d'énergie du data-centre et le plus souvent au moins 50%.

Tous les équipements du data-centre ne nécessitent pas forcément d'être maintenus à la même température. Par exemple les équipements de réseau et les alimentations secourues peuvent fonctionner à des températures plus élevées que les serveurs. Les fabricants de processeurs ayant annoncé il y a quelques années que certains de leur modèles pouvaient fonctionner sur des gammes de températures plus larges qu'auparavant, on trouve des modèles de serveurs plus tolérants sur le critère température de fonctionnement (demander au fournisseur les températures de fonctionnement garanties). Une première règle consistera donc à ne pas mélanger des équipements pouvant fonctionner à des températures maximums trop différentes et à regrouper les équipements pouvant fonctionner à des températures similaires en les regroupant dans des espaces voire des salles séparés. On appliquera également les règles d'alterner les allées froides (entrée d'air des équipements) et les allées chaudes (sorties d'air chaud). De même on essaiera de ne pas remplir de manière excessive une armoire d'équipements dégageant beaucoup de chaleur.

Il existe actuellement deux grandes classes de systèmes de refroidissement pour data-centres : les systèmes fonctionnant principalement avec un conditionnement d'air (ou CRAC pour Computer Room Air Conditionning, qui sont des systèmes de climatisation dédiés aux salles informatiques) et les systèmes fonctionnant principalement par ventilation de grands débits d'air pris à l'extérieur du data-centre (ou Free cooling, appelé parfois CRAH pour Computer Room Air Handling). Dans de nombreux cas, le free cooling seul ne peut assurer toute l'année un bon refroidissement et on peut utiliser un CRAC pour les périodes chaudes, voire concevoir une installation mixte. Mentionnons également les systèmes utilisant un autre fluide caloporteur que l'air pour refroidir les composants (water-cooling, systèmes fonctionnant par immersion directe des composants dans un fluide permettant de les refroidir mais non conducteur de l'électricité, etc.), mais ces systèmes sont soit délicats à mettre en œuvre (water-cooling), soit leur coût est encore élevé. Le vecteur eau est toutefois souvent utilisé dans des installations de refroidissement à air dans des batteries d'échangeurs afin de refroidir l'air qui lui-même va refroidir les équipements des salles. Ces batteries peuvent, si la configuration de la salle le permet se trouver au plus près des armoires où se trouvent les ETIC (racks). Dans le même ordre d'idée de confiner la chaleur au plus près de la source d'émission, il existe aussi des solutions de rack à air conditionné, dont le principe de fonctionnement s'apparente à celui d'un réfrigérateur pour aliments.

La température est souvent mentionnée comme paramètre important pour le refroidissement, mais l'humidité de l'air, liée d'un point de vue physique à sa température, est un paramètre tout aussi important et le système mis en œuvre devra respecter des conditions de température et d'humidité compatibles avec le bon fonctionnement des équipements. Par exemple un système d'air conditionné, afin de refroidir l'air de la salle informatique, peut assécher l'air au point que des phénomènes d'arc électriques se produisent entre équipements électriques et électroniques; afin d'éviter ce phénomène l'air refroidi doit être humidifié. Mais ces phénomènes sont bien connus d'un point de vue physique et les conditions optimums au bon fonctionnement des équipements peuvent être décrites par des règles, qui elles-mêmes peuvent être utilisées pour le pilotage automatique des conditions d'ambiance via une GTB ou une GTE. Des règles sont notamment proposées par l'American Society of Heating, Refrigerating and Air-conditioning Engineers (ASHRAE) pour les data-centres et les salles informatiques, règles qui, en l'absence de normes ou de règlements, font actuellement référence au niveau mondial.

Mise en œuvre

Bien qu'il existe des systèmes dits réversibles pouvant produire du froid et du chaud, on ne s'intéressera dans le cas des data-centres qu'aux systèmes produisant du froid.
Par simplification et compte tenu des dispositifs réglementaires existants en matière d'efficacité énergétique, on distinguera deux familles de systèmes de refroidissement ; les petits systèmes (puissance frigorifique inférieure à 12 kW) avec évaporateur à air, et les systèmes moyens à grands (puissance frigorifique supérieure à 12 kW) avec des composants dédiés, pouvant inclure les systèmes de free-cooling.

Petits systèmes de moins de 12 kW air-air

Ces systèmes ne pourront être mis en oeuvre que pour des petites salles de serveurs avec ou sans système de ventilation (free-cooling) pour les périodes où les climatiseurs ne sont pas nécessaires.

Les systèmes en question sont principalement mis en œuvre dans le secteur résidentiel et disposent à la fois d'un règlement au titre de la directive écoconception des produits relatifs à l'énergie et d'une étiquette énergie.

On ne s'intéressera ici qu'aux systèmes split (les appareils à simple et à double conduit n'étant pas adaptés à un usage professionnel comme le refroidissement de salle de serveurs). Même si beaucoup de ces équipements sont maintenant capables de produire de la chaleur (systèmes réversibles) on ne s'intéressera qu'à la production de froid. Elle est caractérisée par le coefficient d'efficacité énergétique saisonnier ou SEER, coefficient d'efficacité énergétique global de l'unité, représentatif de l'ensemble de la saison de refroidissement, calculé en divisant la demande annuelle de refroidissement de référence par la consommation d'électricité annuelle pour la fonction de refroidissement (cf. définition des règlements européens). Le SEER est nécessairement indiqué par le fabricant dans les caractéristiques de l'équipement.

Le règlement "écoconception" impose, pour les équipements sur le marché depuis le 1er janvier 2013 un SEER minimum de 3,60 pour les équipements avec un réfrigérant à PRP (potentiel de réchauffement planétaire) supérieur à 150, et de 3,24 pour ceux avec un réfrigérant à PRP inférieur ou égal à 150. Au 1er janvier 2014 ces seuils passeront pour les équipements de puissance nominale inférieure à 6 kW respectivement à 4,60 et 4,14, et pour les équipements de puissance nominale supérieure ou égale à 6 kW respectivement à 4,30 et 3,87.

Le règlement de mise en œuvre de l'étiquette énergie pour ces mêmes équipements définit des classes énergétiques de la plus performante (SEER supérieur à 8,50) en A+++ à la moins performante (SEER inférieur à 2,6) en G. De facto on ne devrait plus trouver sur le marché depuis janvier 2013 d'équipement à la vente qui ne dispose au moins de la classe E et en janvier 2014 d'équipements au moins de classe D (plus de 6 kW) ou de classe C (moins de 6 kW). À mi 2013 il n'existe pas encore de modèle commercialisé en classe A+++, mais on trouve des équipements en classe A+ (SEER entre 5,6 et 6,1) ou A (SEER entre 5,1 et 5,6).

En ce qui concerne les armoires climatisées déjà présentées, il en existe chez différents fournisseurs dans des gammes de puissance frigorifique entre 2 et 20 kW (rack "haute densité" pour ces dernières). Il n'existe malheureusement pas à ce jour de certification ni par un organisme indépendant ou par voie officielle de règlement.

Systèmes moyens et grands de plus de 12 kW

Dès que la taille des salles de serveurs à refroidir est importante une installation de traitement et de refroidissement d'air est nécessaire, dont l'installation doit faire l'objet d'une étude technique préalable détaillée. Cette installation pourra mettre à profit, le plus possible sur la durée de fonctionnement d'une année type, le refroidissement par air extérieur ou free-cooling. Le système de free-cooling, sauf cas particuliers, ne sera pas conçu comme une installation indépendante du système refroidissement par conditionnement d'air, mais les deux systèmes exploiteront des unités et des circuits communs autant que possible.

L'ensemble des composants entrant dans le système de refroidissement, tels que

• centrales de traitement d'air (CTA),
• climatiseurs,
• climatiseurs pour salles informatiques,
• échangeurs air-air,
• ventilo-convecteurs,
• évaporateurs,
• condenseurs,
• tours de refroidissement,
• groupes de production d'eau glacée,
• unités de toiture,
• filtres à air,

font l'objet de certifications par l'organisme européen indépendant Eurovent. Ces certifications permettent de comparer des équipements différents, notamment de différents fabricants, entre eux. Pour certaines familles de composants, Eurovent propose une classification énergétique de type A, B, C...G. C'est le cas des climatiseurs, des CTA, des ventilo-convecteurs, des groupes de production d'eau glacée. Il est bien entendu recommandé, si un composant dispose d'une certification Eurovent avec classe énergétique, de rechercher les équipements en classe A. Pour les autres, rechercher les équipements disposant de la meilleure efficacité énergétique notamment sur le fonctionnement en mode refroidissement.