La convergence du calcul haute performance et de la durabilité

mars 8, 2022

Par Munther Salim

Des solutions de calcul haute performance (HPC) et d'intelligence artificielle (IA) sont déployées sur site, dans le cloud et à la périphérie dans un large éventail de secteurs. Selon une étude de Grand View Research, le marché mondial du HPC devrait atteindre 60 milliards de dollars d'ici 2025.¹

Dans la fabrication, le HPC et l'IA sont utilisés pour la maintenance prédictive et prescriptive, l'automatisation de la gestion du cycle de vie des produits et les cycles de conception courts.
Dans les soins de santé et les sciences de la vie, ils sont utilisés pour accélérer la découverte de médicaments et développer des soins de santé plus personnalisés.
L'industrie de la recherche météorologique et climatique utilise ces solutions pour des prévisions météorologiques opportunes et plus précises et une meilleure compréhension du changement climatique.
Le secteur de l'énergie, du pétrole et du gaz utilise ces solutions pour développer des cartes éoliennes et solaires en temps réel pour l'optimisation énergétique et l'amélioration de l'efficacité photovoltaïque.
Le HPC et l'IA ont transformé le secteur des services financiers via des applications dans de nombreux domaines, notamment la modélisation des actions et des titres, la détection des fraudes, l'évaluation du risque de crédit, l'engagement client, la cybersécurité et la conformité réglementaire.

Mais les demandes de puissance du HPC sont-elles en conflit avec les objectifs de durabilité de l'organisation ?

Dans le même temps, les parties prenantes externes (groupes d'actionnaires, consommateurs, groupes électoraux) sont de plus en plus surveillées et pressées d'améliorer la durabilité et de réduire l'empreinte carbone. De nombreuses entreprises doivent démontrer des améliorations en matière de durabilité environnementale, mais elles doivent atteindre cet objectif d'une manière qui maximise les avantages commerciaux.

Récemment, les opérateurs de centres de données ont reconnu les défis associés à la densité de puissance des racks sans cesse croissante et que la demande de HPC et de stockage ne peut pas être sous-estimée. Les questions qui viennent à l'esprit sont : existe-t-il un conflit entre le besoin de HPC et la responsabilité sociale des entreprises ? Quel est l'impact du HPC sur les émissions de carbone d'une organisation ?

Perspective sur la consommation d'énergie et d'eau du centre de données

Au pied carré, un centre de données d'entreprise moderne à haute disponibilité consommera 30 à 100 fois plus d'électricité qu'un immeuble de bureaux commercial typique. L'intensité d'un centre de données HPC est encore plus élevée. Les centres de données sont considérés comme l'un des grands consommateurs d'électricité, diverses sources estimant que les centres de données consomment jusqu'à 3 % de l'électricité mondiale².

La consommation d'eau entre également dans l'équation (selon le type de système de refroidissement) et est utilisée à des taux beaucoup plus élevés qu'un immeuble de bureaux commercial typique. Généralement, les centres de données consomment relativement peu d'eau directement par rapport à l'eau qu'il faut pour produire de l'électricité pour les alimenter, un fait qui doit également être pris en considération. Si les installations HPC refroidies par air et par liquide utilisent une installation de refroidissement similaire refroidie par eau, la consommation d'eau du site (par exemple, les tours de refroidissement) devrait être similaire entre l'informatique refroidie par air et par liquide. Il convient de mentionner, en raison de points de consigne de température plus élevés, que les centres de données refroidis par liquide peuvent utiliser d'autres types de systèmes de refroidissement et de rejet de chaleur (par exemple, des refroidisseurs à sec) qui peuvent éliminer complètement la consommation d'eau. La figure 1 présente une répartition typique de la consommation d'eau sur site d'un centre de données.

Figure 1 : Consommation d'eau annuelle typique sur site pour un centre de données

Beaucoup plus d'eau est utilisée pour générer l'énergie (source) qui alimente les centres de données que pour les refroidir (site). En prenant les États-Unis comme référence, il faut environ 7,6 litres d'eau en moyenne pour générer 1 kWh d'énergie, tandis qu'un centre de données moyen utilise 1,8 litre d'eau pour chaque kWh qu'il consomme. Cela signifie qu'un centre de données de 3 MW avec un petit composant de bureau pourrait consommer plus de 11 millions de gallons d'eau potable par an.

En raison d'initiatives réglementaires et de conformité contraignantes en matière de durabilité qui doivent être prises en compte, les opérateurs de centres de données travaillent dur pour réduire la consommation d'énergie afin de faire progresser la durabilité dans leurs installations. Une façon d'y parvenir est d'adopter des solutions HPC.

Le HPC peut-il réduire le carbone opérationnel ?

Le carbone opérationnel est généralement considéré comme le plus grand contributeur aux émissions mondiales totales. Il est depuis longtemps réglementé dans de nombreux pays tandis que d'autres prennent des mesures par le biais d'initiatives de développement durable pour résoudre le problème. Le HPC peut être plus économe en énergie et en ressources qu'une approche traditionnelle. Comment? Les solutions de refroidissement HPC incluent une gestion précise des flux d'air ou utilisent l'eau comme moyen de refroidissement et peuvent également être en contact direct avec la source de chaleur (CPU, GPU, mémoire, etc.), appelée Direct Liquid Cooling (DLC).

Un avantage apparent du refroidissement liquide est l'augmentation des performances des processeurs/GPU et du système global en raison de la latence plus faible des systèmes à haute densité. Le refroidissement liquide peut facilement refroidir jusqu'à 200 kW par rack. Le DLC permet de réaliser des économies d'énergie informatiques totales d'environ 10 % en éliminant simplement les ventilateurs des serveurs utilisés dans le refroidissement par air traditionnel. De plus, la plupart, sinon la totalité, des unités de refroidissement traditionnelles de la salle de données et de l'alimentation des ventilateurs associés sont également éliminées. Cela réduit considérablement la consommation d'énergie et les coûts ainsi que les investissements en biens d'équipement.

L'une des principales raisons est la possibilité d'utiliser des températures d'air ou d'eau plus élevées pour refroidir l'équipement ; dans la plupart des climats, cela peut éliminer le refroidissement mécanique au moins pendant la majeure partie de l'année. Plus l'air ou l'eau requis est froid, plus l'énergie est élevée. L'augmentation de la température d'alimentation du refroidisseur d'une température traditionnelle de 55⁰F (13⁰C) à 65⁰F (18⁰C) peut réduire l'énergie requise pour le refroidissement de 20 à 40 %. Sachant que l'énergie nécessaire au refroidissement d'un datacenter peut représenter plus de 25 % du total, cela équivaut à une économie d'énergie potentielle pouvant aller jusqu'à 30 % de l'énergie totale requise pour les équipements non informatiques.

Comme indiqué précédemment, étant donné que l'infrastructure HPC accepte des températures d'eau plus élevées, l'utilisation d'un refroidissement liquide en boucle fermée, associé à des refroidisseurs à sec, peut également réduire considérablement la consommation d'eau.

Lorsque l'on considère le refroidissement liquide HPC, la récupération de la chaleur résiduelle de l'eau de refroidissement de retour offre une opportunité d'économiser de l'énergie, de réduire la demande de chauffage et les coûts de l'installation, et d'avoir un impact sur l'empreinte carbone totale. Dans de nombreux cas, les températures de l'eau de retour des racks refroidis par liquide peuvent dépasser 40⁰C ; cette eau peut être utilisée pour compléter les systèmes de chauffage des bâtiments et compenser une partie de l'énergie que les chaudières des bâtiments peuvent produire pour répondre à la demande de chauffage des bureaux, des cuisines et d'autres usages domestiques. Selon le type de système et l'application de réutilisation de la chaleur, il est possible de récupérer 50 à 100 % de la chaleur. Ceci est particulièrement rentable dans les climats plus froids, où la récupération de chaleur peut considérablement compenser le coût d'achat et l'impact environnemental de la combustion de combustibles fossiles pour le chauffage et l'eau chaude dans les bâtiments adjacents.

Qu'en est-il du carbone incorporé ?

De nombreuses initiatives écologiques mondiales à ce jour ont abordé les aspects opérationnels de la durabilité des centres de données. Cependant, a-t-on suffisamment réfléchi à l'énergie intrinsèque de l'installation et à la construction de l'espace elle-même ? Le carbone incorporé est le total des émissions de gaz à effet de serre (GES) résultant de la chaîne d'approvisionnement avant la construction du bâtiment, de l'exploitation minière à la fabrication, au transport et à l'installation des matériaux de construction. C'est une source majeure de carbone dans le monde. Contrairement au carbone opérationnel, les émissions de carbone intrinsèque ne peuvent pas être réduites plus tard puisqu'elles ont déjà été émises. Les centres de données utilisent d'énormes quantités de béton et d'acier, qui sont des sources majeures de CO₂et à mesure que les gains de durabilité des efficacités opérationnelles se tarissent, l'exploitation du carbone incorporé dans la phase de construction aidera à atteindre la neutralité carbone.

Par conséquent, un autre avantage du HPC est sa capacité à réduire les émissions intrinsèques en raison de la réduction de l'espace et de la moindre infrastructure de refroidissement nécessaire, en particulier lors de la construction d'un nouveau centre de données, ce qui réduit également les coûts d'investissement des installations. Les économies proviennent principalement de l'enveloppe du bâtiment et de l'aménagement intérieur du centre de données. Toutes choses étant égales par ailleurs, passer de 200 watts par pied carré à 1 000 watts par pied carré ou plus et réduire la surface de plancher surélevé de 10 000 pieds carrés à 2 000 pieds carrés réduira le coût initial de l'installation d'environ 10 à 20 %. Le coût typique d'une installation de cette taille avec des systèmes d'alimentation et de refroidissement maintenables simultanément serait d'au moins 20 millions de dollars. Une réduction de 10 à 20 % équivaut à 2 à 4 millions de dollars.

En conclusion, il est facile de supposer que le HPC entre en conflit avec les objectifs de durabilité, mais c'est plutôt l'inverse qui se produit. Le HPC améliore l'efficacité énergétique des supercalculateurs modernes grâce à de nouvelles approches pour générer des performances optimales par watt. HPC peut résoudre et fournir de véritables solutions durables à certains des problèmes de société les plus urgents.

L'approche CHP combine l'efficacité énergétique qui offre des niveaux optimaux de puissance, de stockage, de connectivité et d'efficacité des ressources. La conception holistique et durable du centre de données HPC devrait se traduire par le moins d'infrastructures pour la conversion de puissance, le refroidissement, l'espace et la résilience, réduisant à la fois le carbone opérationnel et incorporé.

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¹https://www.grandviewresearch.com/industry-analysis/high-performance-computing-market

²https://datacenternews.asia/story/data-center-facility-managers-plagued-with-downtime-concerns-honeywell-report

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