El incremento en la densidad de los Data Centers

Uno de los mayores desafíos que enfrentan los responsables de los Data Centers es el aumento de la densidad de consumo kW por rack, ya que por un lado requieren se mayor suministro eléctrico y al mismo tiempo se genera más calor en la misma superficie, debido a las tendencias de optimización que evolucionan permanentemente.
El motor impulsor principal de esos cambios es el avance tecnológico de los componentes de los servidores (en especial procesadores y memorias). Hoy en día existen dispositivos con mayores prestaciones, que funcionan en espacio mas reducido, pero que generan más calor en comparación con el espacio que ocupaban los mismos equipos un tiempo atrás.
Otro actor importante que tomó un rol protagónico hace ya unos años es la virtualización, que permite aprovechar los recursos ociosos.

Para poner un ejemplo, para realizar tareas de procesamiento centralizado 2005 un Data Center tradicional con 315 servidores de 2U cada uno requería unos 15 racks en promedio y podría tener un consumo promedio total de 4 kW por rack. Actualmente esa misma capacidad de cálculo puede ser reemplaza por 21 servidores que ocupan un solo rack, pero que tiene un consumo de 11 kW por rack

A medida que pasan los años, se produce una reducción de la superficie ocupada dentro del Data Center, eso hace que también aumente la densidad de cables por cada rack, y la capacidad de enfriamiento debe ser superior, ya que la densidad del calor generado tiene más concentración.
Si bien el costo de la inversión inicial del nuevo equipamiento puede ser elevado, se deben evaluar cuáles son los costos totales asociados al su funcionamiento a lo largo de la vida útil, ya que las capacidades de los procesadores aumentan permanentemente. La clave es encontrar el punto de equilibrio entre la inversión, la vida útil proyecta, el TCO y la disponibilidad deseada, para renovar los equipos periódicamente, y así producir ahorros a mediano o largo plazo

Uno de los primeros pasos que se debe seguir cuando se releva información sobre el Data Center ya existente o próximo a construir, es la definición del consumo de kW/rack actual, y el estimado para los próximos años. De esa forma, se determinará la densidad de calor generado por rack medido en kW, lo cual no es una tarea sencilla ya que no todos los rack tiene el mismo consumo, por ejemplo los equipos te comunicaciones, red, telefonía generan muy poco calor. Por el contrario, los servidores, que tienen muchos procesadores en un espacio reducido generarán más calor. Por eso, hay que identificar los distintos consumos por rack.

Luego de tener una clara definición de cuánto calor genera cada rack, hay que establecer la estrategia de refrigeración. En particular, al momento de la ubicación, conviene definir diferentes tipos de zonas o identificar posibles riesgos. Una vez efectuado esto, también es necesario saber la densidad de calor generado kW/m² y la densidad promedio kW sobre la superficie total del Data Center. Esa información nos ayudará a definir la estrategia de refrigeración que elegiremos.

En los Data Centers actuales es común encontrar racks que tiene un consumo de 20 kW o más. Esta es una tendencia en aumento a partir del año 2004 con la aparición de servidores de 1U y los servidores Blade

Clasificación según el consumo promedio por Rack:

• Densidad baja (tradicional): 1 a 3 kW
• Densidad moderada (promedio actual):  3 a 8 kW (hasta 2 servidores Blade)
• Densidad media (tendencia): 9 a 14 kW (hasta 3 servidores Blade)
• Densidad alta: 15 a 20 kW (hasta 4 servidores Blade)
• Densidad extrema: más de 20 kW

Si bien la virtualización simplifica la tarea de los administradores de los servidores, y permite agilizar el área de IT con menores costos, para los responsables de la infraestructura de los Data Centers es un arma de doble filo, ya que para aprovechar la solución mencionada de forma ideal, se deberá reemplazar el hardware existente, comprando equipos más potentes y pequeños, que también generan más calor en una superficie menor. Además, éstos pueden requerir actualización en la infraestructura de red ya que en estas soluciones requieren redes de alta velocidad y grandes capacidades de almacenamiento para aprovechar todas las ventajas que ofrecen los productos.

Con el aumento de la concentración de la cantidad de cables que entran y salen a cada rack, es fundamental tenerlos prolijamente ordenados para que el flujo de aire no se vea obstruido y se dificulte el correcto flujo de circulación de aire frío y aire caliente.

Cúal es la Humedad Correcta de un Data Center?

La humedad es la amenaza menos visible a los equipos dentro de un Data Center. Incluso hasta algunas personas llegan a omitirla dentro de sus consideraciones al momento de monitorear.

La humedad ambiental es la cantidad de vapor de agua presente en el aire. Se puede expresar de dos formas: mediante la humedad absoluta, y de forma relativa o grado de humedad (también conocido por las siglas HR). La humedad relativa es la relación porcentual entre la cantidad de vapor de agua real que contiene el aire y la que necesitaría contener para saturarse a la misma temperatura. Por ejemplo, una humedad relativa del 60% quiere decir que de la totalidad de vapor de agua (el 100%) que podría contener el aire a esta temperatura, solo tiene el 60% de vapor.

Otro término importante es el punto de condensación o punto de rocío, representado por la temperatura a la cual el agua que está en el aire cambia de estado de gaseoso a líquido, es decir, cuando la HR = 100%. Entonces, el aire se considera saturado.

A medida que aumenta la temperatura del aire, aumenta la capacidad para retener agua, lo cual es otro buen motivo para mantener la temperatura controlada. Esto es un efecto secundario del consumo de aire frío por parte de los equipos informáticos.  Cuando el aire frío pasa desde el frente de los servidores, sale con mayor temperatura y con mayor capacidad de retener agua.

¿Como cambia el aire cuando circula por dentro del servidor para mantener los componentes a una temperatura regulada?

El aire que ingresa por el frente del servidor para refrigerarlo tiene propiedades distintas cuando sale por la parte trasera. A mayor temperatura, menor HR e igual punto de condensación.Supongamos que por el frente del servidor ingresa el aire a 22°C, probablemente a la salida del equipo la temperatura sea aproximadamente 37°C. Así mismo la humedad relativa disminuye de 50% a 22% y el punto de condensación se mantiene igual a 12°C

Existen dos posibles amenazas relacionadas con la humedad relativa dentro del Data Center:

• Descargas electroestáticas: las posibilidades de descargas electroestáticas, también conocidas como ESD (electrostatic discharge) se producen cuando la humedad baja. Asimismo, esas posibilidades aumentan aún más si la temperatura es baja. Las descargas electroestáticas pueden ser apenas perceptibles para las personas, pero no causan ningún tipo de daño. En cambio, una descarga de 10 Volts, ya es capaz de dañar un equipo.
• Corrosión: ocurre cuando un elemento metálico es expuesto al agua, ya sea porque se moja o se generan pequeñas gotas causadas por la condensación de agua en el aire. Por ejemplo; en un ambiente con una humedad alta. Los elementos dentro de los servidores se pueden dañar y sufrir una pérdida de datos.

La clave es encontrar un equilibrio justo para tener lograr tener la humedad en un rango óptimo donde se eviten las descargas estéticas y de condensación. Por ello, el rango más adecuado de humedad es entre el 40% y el 55% (también es el rango recomendado por la norma TIA/EIA 942)

Por arriba del 55% podría haber síntomas de corrosión, y por debajo del 40% comenzarían a aumentar los riesgos de descargas estáticas.

En el mercado existen distintos tipos de soluciones para controlar la humedad del ambiente dentro del Data Center, como por ejemplo instalar humificadores: que son dispositivos que tiene sensores, los cuales envían señales para comenzar a funcionar cuando el umbral para el cual están configurados es alcanzado.

Como medida adicional de protección se pueden instalar supresores de sobretensiones transitorias o TVSS (Transient Voltage Surge Supressors) definidos por las normas eléctricas internacionales con el fin de proteger las instalaciones eléctricas de incrementos o picos de voltaje generados por fenómenos de carácter transitorios (lapso muy reducido de tiempo). Estos fenómenos inesperados pueden causar serios problemas en las instalaciones y en los equipos sensibles.  Por esta razón, su importancia clave dentro del sistema de protecciones.

La sobrecarga puede tener dos fuentes de origen:

• Interno: asociados con las sobretensiones relacionadas con maniobra y conmutación entre circuitos dentro de la propia instalación.
• Externo: causado principalmente por descargas eléctricas provenientes de la atmósfera como pueden ser los rayos.

En 2011 el primer Data Center de Facebook ubicado en Prineville, Oregon (EEUU) sufrió un incidente a causa de sus sistemas de refrigeración donde la humedad relativa superó el 95%, generando condensación de agua sobre los equipos que generaron reinicios no programados a los servidores por problemas eléctricos. Artículo completo original aquí.

UPS Giratoria (Flywheel UPS): un Nuevo Paradigma

La UPS giratoria es un sistema que asegura la continuidad del suministro eléctrico basado en un concepto antiguo, que consiste en transformar la energía cinética en energía eléctrica. Este dispositivo conlleva a un cambio paradigma para la mayoría de los Data Centers para los cuales una UPS tiene que tener baterías sí o sí.

Si a usted le preguntaran en qué país se inventó el reloj digital de cuarzo, probablemente dirá que fue en Japón, pero la respuesta es incorrecta.
En el año 1968 Suiza controlaba el 90% del mercado mundial de relojes. Un día un técnico de una de las mayores empresas de relojería mostró a sus jefes un nuevo modelo que acababa de inventar. Se trataba de un reloj electrónico de cuarzo. Su superior observó el prototipo y le dijo: “Esto no es un reloj”, y no dio ninguna importancia al descubrimiento, ya que no poseía cuerda, mecanismos ni engranajes. Le permitieron quedarse con la patente e incluso ir con el invento a una feria de relojería. Pasaron los japoneses y compraron. Poco tiempo después pusieron a la venta el reloj de cuarzo. Para el año 1982, el 90% del mercado que controlaban los suizos, se redujo al 15%. Perdieron el liderazgo y cincuenta mil puestos de trabajo por culpa de la nueva tecnología, ¡inventada por un suizo!

La UPS giratoria (también llamada o UPS rotativa o Flywheel UPS) funciona haciendo mover una rueda metálica muy pesada (de 300 kg o más) por medio de la energía eléctrica provista por la red, haciéndola girar a gran rapidez (entre 33000 y 77000 RPM según el fabricante), y por medio de la levitación electromagnética al vacío no entra en contacto con otros elementos, evitando así el rozamiento que frenaría la rueda. La inercia generada le permite rotar a gran velocidad durante un tiempo prolongado ya que no hay fricción. Así ese movimiento de energía cinética acumulada, entregará corriente eléctrica cuando se interrumpa el suministro de red. Si el suministro eléctrico se detiene, la rueda de gran masa que está  girando a muchas revoluciones es capaz de proporcionar suficiente energía al Data Center durante unos segundos (entre 15 y 60 según la configuración).
La mayoría de la gente tiende a apegarse a la antigua tendencia de que una UPS debe tener la capacidad suministrar energía por al menos 15 minutos en caso de interrupción. Lo cierto es que este es un pre concepto heredado de los servidores Mainframe, cuyos procesos de apagado controlado demoraba ese tiempo, pero hoy en día apagar cualquier equipo actual demora mucho menos tiempo, y más aún si la instalación cuenta con generador.
Actualmente los generadores modernos son capaces de proveer energía estabilizada entre 2 a 10 segundos desde que se detecta la interrupción. ¿Qué sentido tiene tener una UPS con baterías que permite operar por 15 minutos cuando el generador entrega energía estabilizada solo en 5 segundos?

A continuación se detallan las principales ventajas y desventajas de las UPS giratorias en comparación las UPS tradicionales de batería.
Ventajas

• Vida útil mayor a 20 años
• Es más económica, teniendo en cuenta el costo a lo largo de la vida útil si se la compara con la UPS tradicional. Se estima un retorno de la inversión en aproximadamente tres años.
• No utiliza baterías, produciendo grandes ahorros de energía, contaminación, enfriamiento, reemplazo y mantenimiento (sólo utiliza una pequeña batería para el arranque).
• Ocupa menor superficie (por ejemplo, una UPS de 300 kVA ocupa solo 25% del espacio de una UPS de Conversión Doble, aunque puede llegar a pesar 2500 kg)
• Su eficiencia oscila entre el 95% y el 98% (las UPS de batería tiene en promedio una eficiencia del 92%)
• Su tiempo de carga es bajo: entre tres y ocho minutos, comparado con la UPS tradicional que puede llegar a tardar entre ocho y diez horas para completar la carga.
• La operatoria es silenciosa (entre 45 y 70 decibeles a un metro de distancia).
• Tiene una mayor amplitud térmica operacional (comparada con la UPS de batería)
• Genera poca temperatura. Por ejemplo: una UPS de 300 kVA de 1.5 x 0.8 m y una altura menor a 2 m genera entre 5 kW/h y 7 kW/h de calor.
• Las mediciones de la capacidad de la carga brindan datos más certeros comparados con la UPS de baterías.
• MTBF: >50000 horas (las baterías de las UPS tiene un MTBF: <2200 horas)

Desventajas

• Su inversión inicial es elevada.
• Tiene poco tiempo de energía de resguardo, lo que genera una mayor dependencia del generador

Link recomendado: Comparación UPS giratoria vs. UPS batería

"Si hoy fuese el último día de mi vida, ¿querría hacer lo que voy a hacer hoy? Y si la respuesta era No durante demasiados días seguidos, sabía que necesitaba cambiar algo."

Steve Jobs