PUE (Power Usage Effectiveness): Optimizing Data Centers

El creciente consumo de energía de los centros de datos es un problema apremiante, con importantes implicaciones ambientales y de costos, lo que destaca la eficacia del uso de energía (PUE) como una métrica fundamental para medir la eficiencia. Este enfoque en PUE subraya el progreso que se está logrando en la reducción del desperdicio de energía y la mejora de la sostenibilidad de las operaciones del centro de datos a través de una mejor conciencia y prácticas.

La eficacia del uso de energía (PUE) es una medida de la eficiencia energética del centro de datos, que se calcula dividiendo la energía total de la instalación por la energía del equipo de TI. Un PUE cercano a 1 significa alta eficiencia, y la mayor parte de la energía se utiliza para computación, mientras que los PUE más altos indican un mayor uso de energía para refrigeración y pérdidas eléctricas.

Centro Infra explora la eficacia del uso de energía (PUE), ofreciendo una mirada en profundidad a la eficiencia del centro de datos. Proporcionamos un examen exhaustivo de cómo se calcula el PUE, incluidas comparaciones con la eficiencia de la infraestructura del centro de datos (DCiE), y profundizamos en los matices específicos de la medición del PUE en los centros de datos. Además, Centro Infra analiza varias estrategias para mejorar el PUE, destacando todo, desde el diseño del centro de datos hasta el impacto de la ubicación geográfica.

¿Qué es PUE (eficacia del uso de energía)?

La eficacia del uso de energía (PUE) es una métrica que mide la eficiencia energética de un centro de datos. Para calcular el PUE, divida la cantidad total de energía que ingresa al centro de datos por la energía utilizada específicamente por los equipos de TI, como servidores, sistemas de almacenamiento y equipos de red. Esta métrica ayuda a cuantificar la proporción de la energía de un centro de datos utilizada directamente para la informática frente a la cantidad consumida por los sistemas de refrigeración, las pérdidas eléctricas, la iluminación y otra infraestructura de soporte.

Por definición, los valores de PUE son iguales o superiores a 1. Un PUE cercano a 1 indica un alto nivel de eficiencia energética, lo que significa que la mayor parte de la energía se utiliza para informática. Por otro lado, un valor PUE de 2 sugiere que por cada vatio de energía utilizado por los equipos de TI, se necesita un vatio adicional para la refrigeración y distribución de energía al equipo de TI.

The Green Grid, un consorcio de empresas de TI, operadores de centros de datos y profesionales de diversas organizaciones, desempeña un papel crucial en la estandarización de la medición del PUE en los centros de datos. Además, estos protocolos de medición están incorporados en el estándar ISO/IEC 30134-2, que describe pautas y especificaciones para la eficiencia energética y las métricas de rendimiento del centro de datos.

Vale la pena señalar que “Efectividad del uso de energía” es el término ampliamente aceptado, aunque ocasionalmente se lo conoce como “Eficacia de Utilización de energía” dentro de la industria de los centros de datos.

Importancia del PUE en los centros de datos

La eficacia del uso de energía (PUE) es una métrica fundamental por varias razones:

1. Evaluación de la eficiencia energética: PUE proporciona una métrica sencilla para evaluar la eficiencia energética de un centro de datos. Destaca cuánta energía adicional se consume para refrigeración, pérdidas de suministro de energía, iluminación e infraestructura de soporte. Esta información ayuda a los operadores de centros de datos a comprender con qué eficacia se utiliza la energía.
2. Reducción de costos: Al mejorar el PUE, los centros de datos pueden reducir significativamente su consumo de energía, lo que genera facturas de electricidad más bajas. Dado que los costos de energía se encuentran entre los mayores gastos de los centros de datos, mejorar la eficiencia tiene un efecto positivo directo en la rentabilidad.
3. Impacto ambiental: Reducir el PUE de un centro de datos reduce sus emisiones de carbono, lo que contribuye a la sostenibilidad ambiental. Básicamente, un PUE más bajo indica que un mayor porcentaje del consumo de energía de un centro de datos se está utilizando de manera productiva, en lugar de gastarse en sistemas de refrigeración, ineficiencias en el suministro de energía y equipos de TI infrautilizados.
4. Evaluación comparativa y seguimiento del rendimiento: PUE permite a los centros de datos comparar su rendimiento con los estándares de la industria y la competencia. El seguimiento del PUE a lo largo del tiempo ayuda a identificar tendencias, tomar decisiones informadas sobre inversiones en eficiencia energética y monitorear el impacto de esas inversiones.
5. Planificación de capacidad: Comprender el PUE facilita una planificación de capacidad más informada. Al saber cuánta energía se gasta en actividades no informáticas, los centros de datos pueden planificar actualizaciones o ampliaciones de manera más sensata, evitando aumentos innecesarios en el consumo de energía.
6. Ventaja competitiva: Un PUE bajo puede mejorar la reputación de un centro de datos, al demostrar un compromiso con la eficiencia energética y la gestión ambiental. Esto puede atraer a clientes que prioricen la sostenibilidad y la rentabilidad en su selección de servicios de centro de datos.

PUE interesa a una amplia gama de partes interesadas, incluidos operadores de centros de datos, ingenieros de redes y TI, ingenieros de instalaciones, clientes que dependen de los servicios de centros de datos y agencias reguladoras.

¿Cómo se calcula el PUE?

La eficacia del uso de energía (PUE) se calcula dividiendo la cantidad total de energía consumida por el centro de datos (en kilovatios-hora, kWh) por la energía consumida únicamente por el equipo de TI, como servidores, sistemas de almacenamiento y equipos de red, también en kWh. Dado que PUE es una relación de dos cantidades medidas en las mismas unidades (kWh), no tiene unidades. Normalmente, el PUE se calcula anualmente para proporcionar una base coherente de comparación.

La fórmula matemática para calcular el PUE es la siguiente:

PUE = Energía total de las instalaciones ÷ Energía de los equipos de TI

Aquí hay una descripción general de los componentes involucrados en el cálculo:

Fuente: La Red Verde.

• Energía total de la instalación: Es la suma de toda la energía consumida por un centro de datos, incluyendo:
  • Equipos de TI: Energía utilizada por todo el hardware de TI, incluidos servidores, sistemas de almacenamiento, conmutadores y enrutadores, que intervienen directamente en las tareas informáticas y de almacenamiento de datos.
  • Sistemas de refrigeración: Energía consumida por los sistemas de refrigeración para mantener niveles óptimos de temperatura y humedad de los equipos de TI. Los componentes incluyen enfriadores, bombas de agua helada, ventiladores, bombas de agua de condensador, unidades de aire acondicionado para salas de computadoras (CRAC), unidades de tratamiento de aire para salas de computadoras (CRAH) y humidificadores.
  • Sistemas de Entrega de Energía: Pérdidas eléctricas que ocurren en los sistemas de distribución de energía. Esto cubre transformadores, aparamenta, sistemas de suministro de energía ininterrumpida (UPS), baterías, unidades de distribución de energía (PDU), generadores de respaldo y cableado eléctrico.
  • Iluminación: Energía utilizada para iluminar la instalación.
  • Infraestructura de soporte: Energía consumida por sistemas auxiliares como seguridad, herramientas de monitoreo de administración de infraestructura del centro de datos (DCIM), sistemas de administración de red y cualquier espacio de oficina asociado con el centro de datos.
• Energía del equipo de TI: Esta es la energía consumida únicamente por el equipo de TI, excluida la energía utilizada para refrigeración, pérdidas eléctricas del sistema de suministro de energía, iluminación e infraestructura de soporte.

Interpretación de PUE

• PUE ideal: El valor de PUE óptimo es 1,0, lo que indica que toda la energía consumida por una instalación se dedica únicamente a las operaciones de TI, sin ningún desperdicio en la infraestructura de soporte. Sin embargo, lograr un PUE de 1,0 es prácticamente imposible debido a las inevitables pérdidas de energía derivadas de la conversión de energía y las ineficiencias en la distribución. En consecuencia, los centros de datos operativos informan un PUE superior a 1,0.
• Centros de datos de hiperescala: Estas instalaciones de gran escala generalmente informan un PUE que oscila entre 1,05 y 1,2. Su eficiencia energética se debe a su inmensa escala, su ubicación geográfica en climas más fríos y a que operan a tasas de utilización más altas.
• Centros de datos modernos: Apunte a un PUE entre 1,2 y 1,5, lo que refleja mejoras en la eficiencia en comparación con el promedio de la industria, que históricamente ha superado 1,5. Estos datos de la industria están respaldados por encuestas anuales realizadas por el Uptime Institute
• Centros de datos de transición: Estas instalaciones suelen exhibir un PUE que oscila entre 1,5 y 2,0. Esta categoría incluye instalaciones que no han actualizado su infraestructura recientemente o solo han implementado parcialmente medidas de eficiencia energética y, por lo tanto, no han alcanzado los niveles avanzados de eficiencia característicos de los centros de datos modernos.
• Centros de datos ineficientes: Estos sitios más antiguos exhiben valores de PUE de hasta 2,0 o 2,5, lo que indica una ineficiencia sustancial. Valores tan elevados requieren una auditoría para identificar las causas subyacentes del uso excesivo de energía

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En general, un PUE más bajo significa una mayor eficiencia energética, lo que demuestra que una mayor parte de la energía consumida se utiliza directamente para tareas informáticas, en lugar de destinarse a sistemas de refrigeración, pérdidas eléctricas, iluminación y otras infraestructuras de apoyo. Por el contrario, un PUE más alto indica una eficiencia energética más baja, con más energía gastada en funciones no informáticas.

PUE frente a DCiE

PUE (Efectividad del uso de energía) y DCiE (Eficiencia de la infraestructura del centro de datos) son métricas que se utilizan para evaluar la eficiencia energética de los centros de datos. DCiE es el inverso del PUE y se expresa como un porcentaje. Cuantifica la proporción de energía que utilizan directamente los equipos de TI sobre la energía total consumida por un centro de datos. La fórmula para calcular DCiE es la siguiente:

DCiE = (Potencia del equipo de TI ÷ Potencia total de la instalación) x 100%

Alternativamente, DCiE se puede determinar como el recíproco de PUE:

DCiE = 1 ÷ PUE

Un porcentaje de DCiE más alto refleja una mayor eficiencia, lo que indica que una mayor parte de la energía del centro de datos se utiliza para operaciones de TI en lugar de destinarse a sistemas de refrigeración, pérdidas eléctricas, iluminación y otra infraestructura de soporte. Idealmente, DCiE debería estar lo más cerca posible del 100%. Por el contrario, PUE es una relación en la que valores más bajos (cercanos a 1) significan una mayor eficiencia.

Si bien las organizaciones generalmente prefieren usar PUE por su descripción sencilla de posibles ineficiencias, DCiE es valorado por su presentación intuitiva de la eficiencia en formato porcentual, lo que facilita que algunos comprendan la efectividad del uso de energía en los centros de datos.

Ejemplo de cálculo de PUE y DCiE

Considere un centro de datos que consume un total de 100 000 kilovatios-hora (kWh) de electricidad para todas sus operaciones. Este consumo total incluye todo, desde sistemas de refrigeración e iluminación hasta el funcionamiento de los equipos de TI reales, como servidores, sistemas de almacenamiento y dispositivos de red. De este consumo total de energía, 80.000 kWh se utilizan específicamente para alimentar los equipos de TI, que es la función principal del centro de datos.

Utilizando este ejemplo, la fórmula para calcular el PUE es la siguiente:

PUE = 100.000 kWh ÷ 80.000 kWh = 1,25

Un PUE de 1,25 significa que por cada kWh de electricidad utilizada por los equipos de TI, se utilizan 0,25 kWh adicionales para otras necesidades de las instalaciones (como refrigeración e iluminación). Esto indica que el centro de datos está utilizando un 25% más de energía de la estrictamente necesaria para hacer funcionar el equipo de TI.

Aplicando los mismos números del ejemplo, la fórmula para calcular DCiE es la siguiente:

DCiE = (80.000 kWh ÷ 100.000 kWh) x 100% = 80%

Esto significa que el 80% de la energía total consumida por el centro de datos se utiliza para alimentar los equipos de TI, mientras que el 20% restante se utiliza para otras necesidades de infraestructura.

Medición del PUE en un centro de datos

Para medir con precisión la eficacia del uso de energía (PUE) en un centro de datos, es esencial realizar mediciones exhaustivas que capturen el consumo de energía total de los equipos de TI, así como la infraestructura de soporte, incluidos los sistemas de refrigeración y la iluminación.

Para lograr esto, es necesario instalar una cantidad significativa de medidores de energía (que van desde decenas a cientos) en toda la instalación. Estos medidores se utilizan para monitorear el uso de energía de los equipos de TI y la infraestructura de soporte por separado.

El seguimiento detallado del consumo de energía suele estar respaldado por sensores que recopilan datos, junto con el software Data Center Infrastructure Management (DCIM). Esta configuración permite cálculos PUE precisos, ofreciendo una descripción detallada e informes automatizados sobre la eficiencia energética del centro de datos.

Componentes clave para una medición PUE precisa

Para medir con precisión el PUE en los centros de datos, es esencial considerar los siguientes componentes clave:

1. Energía total de la instalación: El paso inicial implica medir el consumo total de energía del centro de datos. Esto cubre la energía utilizada por los equipos de TI, los sistemas de refrigeración, las pérdidas eléctricas, la iluminación y otra infraestructura de soporte. Básicamente, esto mide todas las entradas de energía en las instalaciones del centro de datos, que pueden incluir electricidad, así como diésel o gas natural si se utilizan para generadores o calefacción. La medición generalmente se toma en el medidor de servicios públicos o mediante un medidor dedicado específicamente para el centro de datos.
2. Energía de equipos de TI: Posteriormente, el enfoque cambia a medir exclusivamente el consumo de energía de los equipos de TI, abarcando servidores, sistemas de almacenamiento y equipos de red. El uso de energía de estos componentes generalmente se evalúa a través de medidores en las unidades de distribución de energía (PDU) que abastecen directamente al equipo de TI, pero también se puede medir en el sistema de suministro de energía ininterrumpida (UPS) o directamente en la entrada del equipo de TI.

Consideraciones para una medición eficaz del PUE

Para medir con precisión el PUE en los centros de datos, se deben considerar los siguientes parámetros específicos:

• Unidades de medida: Es esencial medir consistentemente el uso de energía tanto de la instalación como del equipo de TI en términos de energía consumida para garantizar que ambos valores sean directamente comparables. Normalmente, esto se expresa en kilovatios-hora (kWh), en lugar de kilovatios (kW).
• Período de medición: El estándar de la industria para calcular el PUE es anual. Este enfoque proporciona una visión holística que tiene en cuenta los cambios estacionales en las necesidades de refrigeración y las diferentes condiciones de carga de TI a lo largo del año. Si bien los intervalos de medición más cortos, como diarios o mensuales, pueden ofrecer información sobre las tendencias, deben interpretarse con cautela. Esto se debe a que pueden introducir sesgos estacionales, haciendo que el PUE parezca más favorable o desfavorable de lo que realmente es. Por ejemplo, el PUE de un centro de datos es generalmente mayor en verano debido a la mayor demanda de refrigeración.
• PUE de diseño: El estándar también abarca una metodología para estimar el PUE de una instalación que aún no se ha construido. Este PUE estimado o de “diseño” se calcula en función del consumo de energía previsto del equipo de TI y la eficiencia de la infraestructura del centro de datos planificada.

Niveles de medición de PUE

The Green Grid ha introducido un marco estandarizado para categorizar las mediciones de PUE, conocido como “niveles”. Estos niveles están diseñados para clasificar las mediciones de PUE en función de su ubicación, precisión, frecuencia y la metodología aplicada para recopilar datos sobre TI y el consumo de energía de las instalaciones.

La categorización se basa en el alcance de la medición involucrada y se define de la siguiente manera:

• PUE Nivel 1 (Básico): Ofrece un enfoque de medición simplificado, adecuado para evaluaciones rápidas o iniciales pero con la precisión más baja. La energía del equipo de TI se mide en la salida del sistema de alimentación ininterrumpida (UPS) y la energía total de la instalación se mide en el punto de transferencia de la utilidad al centro de datos.
• PUE Nivel 2 (Intermedio): Proporciona un equilibrio entre la precisión de la medición y la complejidad de la implementación, utilizando métodos de recopilación de datos más precisos que el Nivel 1. La energía de los equipos de TI se mide en las salidas de la Unidad de distribución de energía (PDU), lo que reduce el impacto de las pérdidas del UPS en la medición. De manera similar al Nivel 1, la energía total de la instalación se mide en el punto de transferencia de servicios públicos al centro de datos.
• PUE Nivel 3 (Avanzado): Garantiza la mayor precisión en la medición de PUE, empleando una recopilación de datos continua y en tiempo real con equipos de medición de alta calidad. La energía de los equipos de TI se mide en el punto de conexión al propio equipo de TI, lo que proporciona la medición más precisa del consumo real de energía de TI. La energía total de las instalaciones se mide igual que en los Niveles 1 y 2

Como se muestra en la tabla anterior, la energía del equipo de TI se mide en varios puntos desde la salida del UPS hasta la conexión directa del equipo de TI, mientras se mide consistentemente la energía total de la instalación en el momento de la transferencia de servicios públicos.

El siguiente diagrama también identifica visualmente las ubicaciones específicas dentro de un sistema de distribución eléctrica donde se toman medidas para los cálculos de PUE. Estas ubicaciones indican dónde se evalúa el consumo de energía de los equipos de TI y el uso total de energía de la instalación.

Fuente: La Red Verde.

Para una configuración de Nivel 1 (Básico), la energía del equipo de TI se mide en las salidas del UPS, que se encuentran más arriba en el sistema de distribución eléctrica en comparación con las PDU o el propio equipo de TI. Esta medición básica proporciona una visión general del consumo de energía mensual o semanal.

Por el contrario, el Nivel 3 (Avanzado) mide directamente en la entrada del equipo de TI, ofreciendo una cuenta detallada de la energía consumida por el hardware de TI. Este enfoque implica registrar datos a intervalos continuos o muy frecuentes (cada 15 minutos o incluso segundos), lo que garantiza una medición completa y precisa del uso de energía.

Debido a esta mayor precisión, la medición de PUE de nivel 3 (avanzado) implica costos más altos y está diseñada para organizaciones que desean realizar un seguimiento meticuloso de cada kilovatio-hora (kWh) de energía desde su fuente hasta su uso.

Sin embargo, al optar por mediciones de Nivel 1 (Básico) en lugar de Nivel 3 (Avanzado), las organizaciones podrían pasar por alto importantes ineficiencias de refrigeración y pérdidas de distribución eléctrica. Esto podría llevar a la percepción engañosa de que una instalación es más eficiente energéticamente según una evaluación de Nivel 1 (Básico) de lo que realmente es cuando se evalúa con datos de Nivel 3 (Avanzado).

Estrategias para mejorar el PUE

Se puede mejorar la eficacia del uso de energía (PUE) de los centros de datos a través de varias estrategias: optimizar el diseño del centro de datos, seleccionar equipos de TI que sean altamente eficientes energéticamente, adoptar tecnologías de refrigeración avanzadas, adherirse a prácticas operativas rigurosas y seleccionar una ubicación geográfica que sea favorable.

1. Diseño del centro de datos

• Contención de pasillo caliente/pasillo frío: Esta estrategia implica separar las corrientes de aire frío y caliente para evitar la mezcla del aire caliente expulsado por los servidores con el aire frío utilizado para enfriar. Esta separación reduce significativamente la energía necesaria para la refrigeración, mejorando así el PUE.
• Paneles ciegos: La instalación de paneles ciegos en espacios de rack minimiza las fugas de aire y dirige el flujo de aire de manera efectiva hacia los equipos de TI activos. Este método mejora la eficiencia del sistema de refrigeración, contribuyendo a un mejor PUE.

2. Selección de equipos de TI

• Hardware energéticamente eficiente: La elección de servidores, sistemas de almacenamiento y equipos de red con altas clasificaciones de eficiencia energética, como productos con certificación ENERGY STAR, reduce el consumo de energía para las cargas de TI, mejorando el PUE.
• Virtualización y consolidación: Consolidar cargas de trabajo en menos máquinas virtuales (VM) y más eficientes aumenta la utilización del servidor y disminuye la necesidad de servidores físicos y equipos de TI. Este enfoque de infraestructura física reducida reduce el consumo general de energía para computación y refrigeración, mejorando así el PUE.

3. Tecnologías de refrigeración

• Unidades de velocidad variable (VSD): Los VSD ajustan la velocidad de los ventiladores y las bombas en función de la demanda de refrigeración real en lugar de hacerlos funcionar a plena capacidad constantemente. Este ajuste conduce a un menor consumo de electricidad para refrigeración y un PUE más favorable.
• Sistemas Free Cooling: Aprovechar el aire exterior para enfriar, cuando las condiciones de temperatura y humedad son adecuadas, reduce el consumo de energía. Los economizadores del lado del aire, por ejemplo, utilizan aire exterior más frío para proporcionar “enfriamiento gratuito”, eliminando la necesidad de refrigeración mecánica y mejorando así el PUE. El siguiente cuadro ilustra que, con una carga de TI constante, el uso de refrigeración gratuita puede dar como resultado una mayor eficiencia y, en consecuencia, un mejor PUE a temperaturas más bajas.

Fuente: La Red Verde.

4. Prácticas operativas

• Equilibrio de carga: La optimización de la distribución de la carga de trabajo entre los recursos informáticos garantiza que ningún servidor se sobrecargue mientras otros estén infrautilizados. Esta utilización equilibrada reduce el consumo de energía, mejorando así el PUE.
• Aumento de la configuración de temperatura: Los operadores de centros de datos pueden aumentar ligeramente la configuración de temperatura de los sistemas de refrigeración, como CRAC o unidades de aire acondicionado de precisión. Operar a temperaturas más altas reduce la energía utilizada directamente para la refrigeración, lo que reduce el consumo general de energía en relación con el uso de equipos de TI y mejora el PUE.

5. Ubicación geográfica

• Clima: La selección de ubicaciones con climas más fríos minimiza los requisitos de refrigeración y el consumo de energía al aprovechar el aire ambiental para el enfriamiento gratuito. Por ejemplo, el noroeste del Pacífico, incluidas áreas de Oregón y Washington, así como países nórdicos como Suecia, Finlandia, Noruega y Dinamarca, son mercados clave de centros de datos que ofrecen un clima fresco, lo que los hace ideales para sistemas de enfriamiento natural.
• Centros de datos submarinos: Estas instalaciones utilizan las propiedades de enfriamiento natural del agua del océano, lo que reduce drásticamente la dependencia de los sistemas de aire acondicionado tradicionales que consumen mucha energía. La refrigeración eficiente que ofrecen los entornos submarinos conduce a un PUE mejorado, en comparación con los centros de datos tradicionales en tierra.

Comparación de PUE de operadores de centros de datos

La siguiente tabla proporciona una instantánea de las métricas de eficacia del uso de energía (PUE) de varios operadores de centros de datos que divulgan esta información. Es importante tener en cuenta que estos datos son autoinformados y no se someten a un proceso de auditoría de terceros. Además, las cifras no están estandarizadas para tener en cuenta las diferencias de definición entre empresas. Por ejemplo, algunos operadores solo consideran sus centros de datos “estabilizados” al calcular sus métricas de PUE informadas.

Como se indica en la tabla, los operadores de centros de datos minoristas y mayoristas suelen reportar valores de PUE más altos en comparación con los hyperscalers, como los proveedores de servicios en la nube (CSP) y las grandes empresas de Internet.

A pesar de estas diferencias, todas las empresas de centros de datos comparten un objetivo común: mejorar su eficiencia energética. Muchos han establecido objetivos específicos para reducir su PUE, con metas tanto para la construcción de nuevos centros de datos como para mejorar las instalaciones existentes.