Data Centers de 4ª Geração: Data Centers em contêineres
Tendências da indústria, 2020.4.26
Preparado por: Mark Rauchwarter
A quarta geração de data centers está surgindo, trazendo consigo uma reformulação radical em relação aos seus antecessores. Contêineres autônomos agora permitem modularidade e contêm os componentes essenciais necessários para o funcionamento desse novo design. Este artigo discute os avanços na gestão de data centers e as mudanças na tecnologia e nos objetivos de negócios que impulsionaram a evolução do data center para sua quarta geração.
Também analisará mais detalhadamente as soluções de data center em contêineres e como sua integração ao ambiente de data center proporciona maior valor às empresas.
1ª Geração
A primeira geração de projetos de data center perdurou por muitos anos e permaneceu relativamente semelhante à sala de computadores original, construída em meados do século XX. Segundo Manos, "essas instalações focavam mais em tempo de atividade, confiabilidade e redundância.
A grande infraestrutura era responsável por solucionar todas as potenciais deficiências ambientais" (Manos, 2008). Para muitos data centers, esses ainda são seu principal projeto operacional e continuam a funcionar como data centers de primeira geração atualmente.
2ª Geração
Os data centers de segunda geração começaram a surgir quando se percebeu que os data centers de primeira geração estavam rapidamente se tornando obsoletos e incapazes de acompanhar as demandas tecnológicas, ambientais e do mercado.
Essas instalações analisaram mais detalhadamente e incorporaram opções para melhorar a eficiência energética, a sustentabilidade e o custo total das operações. No momento da criação, essas instalações consideraram mais seus custos totais do que apenas os custos iniciais.
3ª Geração
Os data centers de terceira geração entraram em operação recentemente e, para alguns, continuam sendo projetados e construídos, em vez de optar pelo projeto de quarta geração. Esta terceira geração se concentra na redução dos custos operacionais, com foco ainda mais intenso na eficiência energética e no início da incorporação da modularidade nos projetos.
A modularidade permite que os data centers sejam escalonados com mais facilidade para atender ao mercado e às necessidades do negócio, por meio de pequenos aumentos ou reduções na infraestrutura do data center.
4ª Geração
Projeto de Data Center À medida que os data centers continuam seu caminho evolutivo, a indústria está começando a adotar o que está sendo chamado de quarta geração de projeto de data center. Esse avanço geracional se baseia ainda mais em seus predecessores ao continuar a se concentrar nos aspectos principais que, em última análise, levam à redução das despesas gerais de capital e à melhoria da eficiência de custos.
Isso inclui expandir ainda mais os limites da modularidade, permitindo maior escalabilidade, eficiência energética e redução dos requisitos operacionais e de manutenção. Manos resume a promessa do projeto de quarta geração como "um programa de capacidade de data center altamente modular, escalável, eficiente e just-in-time que pode ser entregue em qualquer lugar do mundo de forma muito rápida e barata, ao mesmo tempo que permite crescimento contínuo conforme necessário". (Manos, 2008) Modularidade A modularidade é um dos temas principais em que a quarta geração de data center se concentra.
A modularidade permite que os data centers sejam dimensionados mais facilmente para atender às necessidades do negócio. Ao ter um data center modular, os custos podem ser gerenciados mais facilmente ao longo da vida útil do data center e podem responder às flutuações do mercado e aos requisitos de computação, já que unidades modulares podem ser adicionadas ou removidas com mais facilidade e economia do que a construção de estruturas tradicionais de data center. Os data centers modulares alcançaram destaque em 2007, [e] agora são oferecidos por muitos fornecedores e estão sendo implantados por operadores de data center em escala de utilidade pública, como Microsoft e Google, e em instalações menores em todo o setor. (Coles, 2011) Os fabricantes de infraestrutura de Tecnologia da Informação (TI) responderam a isso fornecendo uma variedade de unidades modulares autônomas, às vezes alojadas em contêineres de transporte. Essas unidades autônomas podem melhorar ainda mais os custos ao incorporar sistemas de resfriamento e energia de reserva adequadamente dimensionados para a unidade, não exigindo mais uma infraestrutura central significativa localizada fora da conectividade de rede com as unidades modulares e conexões de energia primárias. Alguns data centers atualmente em desenvolvimento compreenderam totalmente o conceito de modularidade ao desenvolver seu projeto de quarta geração, como a Microsoft.
No design da Microsoft, eles aproveitarão a flexibilidade que os servidores em contêineres oferecem e a aplicarão em toda a instalação, construindo-a inteiramente 'de unidades modulares de componentes mecânicos, elétricos, de segurança pré-fabricados, etc., além de servidores em contêineres.' (Manos, 2008) Isso significa que nenhum edifício precisa ser construído para abrigar essas unidades modulares; em vez disso, elas ficarão do lado de fora e se conectarão diretamente à infraestrutura central que ainda não está contida nas unidades modulares.
Eficiência Energética Outro componente essencial para o design de data centers de quarta geração é o foco contínuo na melhoria da eficiência energética dentro do data center. À medida que os custos de energia continuam a aumentar em todo o mundo, mais empresas e indústrias estão buscando maneiras de reduzi-los. Além disso, com um foco maior em iniciativas verdes, como a redução das emissões de carbono, o data center se tornou um ponto focal crítico porque é uma das principais áreas onde uma quantidade significativa de energia é usada.
De acordo com a IBM, "com o aumento do custo da energia, estimamos que os data centers usem de 30 a 80 vezes a energia de um prédio de escritórios por pé quadrado (ou metro quadrado). Isso significa que a energia pode representar 70% do custo operacional de um data center." (IBM, 2011) Sistemas de Resfriamento Os requisitos do sistema de resfriamento andam de mãos dadas com a melhoria da eficiência energética dentro do data center. Técnicas e metodologias de resfriamento aprimoradas ajudam a reduzir ainda mais os custos de energia.
Várias instalações de data center adotaram esse conceito, permitindo que o equipamento de TI funcione em uma temperatura mais alta do que os data centers de gerações anteriores. A tecnologia mais recente foi construída de forma a permitir que o equipamento funcione em uma temperatura mais alta sem causar danos significativos aos componentes ou produzir problemas de desempenho. Isso se traduz em custos operacionais reduzidos dos sistemas de resfriamento, permitindo que a área permaneça em uma temperatura mais quente, portanto, não exigindo que as unidades de resfriamento funcionem por tanto tempo.
Em alguns casos, se o data center estiver localizado em uma zona de clima temperado ou mais frio, o ar externo pode ser usado sozinho, sem qualquer sistema de resfriamento suplementar. Isso permite a maior eficiência energética medida pela PUE (Eficácia da Utilização de Energia - definida como Energia Total da Instalação / Energia de TI). (Coles, 2011) Soluções de Infraestrutura em Contêineres Unidades de data center modulares autônomas chegaram ao mercado nos últimos 5 a 10 anos. Essas unidades variam significativamente de acordo com os componentes e opções contidos, dependendo das necessidades do cliente.
Essas unidades modulares podem ser tão simples quanto abrigar apenas racks de servidores, exigindo conexões externas para energia, energia de reserva, resfriamento/ventilação e conectividade de rede, até tão complexas quanto conter todos os componentes necessários, incluindo energia de reserva e resfriamento, e exigindo apenas conexões com energia primária e conectividade WAN (Wide Area Network). Modularidade Figura [ 1 ] - Um data center na área de Chicago com unidades de contêiner empilhadas (Coles, 2011) Figura [ 1 ] - Um data center na área de Chicago com unidades de contêiner empilhadas (Coles, 2011) As soluções em contêineres vêm em uma variedade de tamanhos.
Algumas são alojadas em contêineres de 10, 20 ou 40 pés, enquanto outras são construídas para esse fim, mas ainda permitem a modularidade na escala de um contêiner. Essas estruturas pré-fabricadas ajudam data centers e empresas a gerenciar custos com mais facilidade, pois têm um custo definitivo associado à compra inicial e custos operacionais contínuos calculáveis. Muitas dessas unidades são projetadas para serem instaladas diretamente do lado de fora e, portanto, exigem apenas as conexões externas necessárias para energia, conectividade de rede e possivelmente resfriamento, se não forem independentes.
Dessa forma, nenhuma construção ou piso elevado é necessário com essa configuração. As unidades pré-fabricadas independentes também permitem um tempo menor de implementação, desde a compra até o estado operacional. Embora uma instalação física padrão possa levar meses, senão anos, para se tornar operacional, essas unidades podem ser enviadas e estar operacionais em questão de semanas a meses. Isso reduz, drasticamente em alguns casos, os custos gerais iniciais de implementação e construção. De acordo com um estudo conduzido pela Hewlett-Packard (HP), um data center físico típico foi construído por um custo total de US$ 58.000.000.
O data center modular equivalente por meio do programa HP Flexible DC custou apenas US$ 28.000.000, resultando em uma redução de 55% nos custos iniciais de desenvolvimento de capital. (HP, 2010) Configuração do servidor Dentro dessas soluções em contêineres, uma variedade de configurações de servidor está disponível. Essas configurações variam de várias centenas de servidores a vários milhares de servidores, dependendo das necessidades do cliente ou do cenário de implantação. Os tipos de servidor também variam em tamanho, de opções de rack completo a opções de meio rack e designs de servidor blade. Figura [ 2 ] - Unidade POD da HP apresentando uma única fileira de espaço em rack de TI.
O projeto de resfriamento usa serpentinas resfriadas a água no alto (Coles, 2011) Figura [ 2 ] - Unidade POD da HP apresentando uma única fileira de espaço em rack de TI. O projeto de resfriamento usa serpentinas resfriadas a água no alto (Coles, 2011) Um problema inerente a essas soluções em contêineres, no entanto, é a falta de espaço. Isso pode dificultar a manutenção e qualquer tipo de alteração na configuração física para os técnicos. Algumas abordagens para combater esse problema são, em vez disso, utilizar apenas os sistemas que continuam funcionando corretamente e colocar todos os sistemas com defeito offline até que o contêiner seja substituído.
A decisão de prosseguir com essa abordagem precisa ser totalmente discutida e calculada sobre qual opção pode gerar o maior risco de custos adicionais. Rede Figura [ 3 ] - Oracle Sun Modular Data Center, com um layout de rack de TI exclusivo (Coles, 2011) Figura [ 3 ] - Oracle Sun Modular Data Center, com um layout de rack de TI exclusivo (Coles, 2011) Em quase todas as soluções em contêineres, a rede é incluída como parte da unidade pré-fabricada. Um dos principais motivos para isso é que o gerenciamento de cabos pode se tornar um problema em um espaço tão confinado.
Cabos e fiação precisam ser gerenciados adequadamente para tornar os contêineres um espaço eficiente. Equipamentos de rede padrão podem ser usados, mas frequentemente opta-se pelo mais rápido disponível, utilizando fibra óptica ou opções de conexão de 10 Gigabit para desempenho ideal do data center. Energia: Existem várias opções de energia quando se trata de soluções em contêineres. Dependendo do tamanho da unidade, isso pode determinar o tamanho e os requisitos de conexão para o contêiner. As unidades podem ser configuradas para uma instalação estacionária com fiação fixa ou para uma instalação de desconexão rápida, dependendo do que for mais apropriado ou suportado pelo fornecedor.
Além disso, algumas unidades incluem soluções de energia de backup incorporadas. Fontes de Alimentação Ininterruptas (UPS) podem ser incluídas no nível do rack "que podem fornecer tempo de espera suficiente para uma comutação automática da fonte de alimentação primária para a secundária." (SGI, 2011) A UPS também pode ser integrada a todo o contêiner. Os sistemas de distribuição de energia usados quando uma UPS é incorporada ao contêiner podem ajudar a melhorar ainda mais a eficiência energética, reduzindo a quantidade de transformação de energia CA para CC e removendo componentes entre a concessionária e o servidor. HP, 2010) Isso pode ser feito removendo as fontes de alimentação dos servidores individuais e conectando a corrente CC diretamente do UPS aos servidores e equipamentos de rede. Refrigeração: Unidades de data center em contêineres têm opções para incluir ou excluir o resfriamento do contêiner. Ao optar por não incluir o resfriamento na unidade independente, uma fonte externa é necessária. Normalmente, isso é feito por meio de uma conexão externa ou de um sistema de resfriamento modular acoplável, às vezes fornecido pelo mesmo fornecedor.
O que parece ser mais proeminente no mercado, no entanto, são as unidades que incluem os sistemas de resfriamento necessários. Esses sistemas vêm em uma variedade de opções de resfriamento padrão, incluindo a utilização de uma configuração típica de corredor quente e frio, ou podem utilizar resfriamento por água e/ou refrigerante conectado diretamente ao rack dentro do gabinete. Cada opção representa um nível diferente de eficiência energética. Uma análise foi realizada pela M. Bramfitt & H. Coles, que se uniram a diferentes fornecedores que forneceram opções de sistema de resfriamento para suas unidades em contêineres. A Figura 4 mostra uma análise dos resultados.
A partir dos resultados, observe que a utilização de um sistema de Ar Livre, que utiliza apenas o ar externo para ajudar a resfriar o contêiner, sem quaisquer outras opções de resfriamento suplementar, proporcionou o melhor PUE. (Coles, 2011) Figura [4] No exemplo do data center de quarta geração da Microsoft mencionado anteriormente, suas instalações utilizarão um economizador do lado do ar ou um economizador do lado da água. Isso permite que a Microsoft seja flexível com o uso de suas instalações e determine se certos contêineres são mais críticos do que outros e se uma versão de resfriamento é mais adequada para a situação do que outra.
Essas opções também fornecem os menores valores de PUE, resultando nas maiores eficiências. Considerações de aquisição A compra de uma unidade modular de data center requer um entendimento completo do ambiente e dos objetivos futuros pretendidos para o data center. Para muitos, uma unidade em contêiner é um gasto de capital significativo e a grande variedade de opções no mercado pode dificultar a decisão sobre qual unidade comprar. A Bramfitt & Coles fornece uma lista abrangente de itens que devem ser documentados e considerados antes e durante o processo de seleção do fornecedor: * Antes de se envolver com um fornecedor, documente o seguinte: Espaço de rack inicial e futuro necessário * Potência de TI inicial, média e máxima futura necessária por rack em cada módulo, se vários módulos forem necessários. Lista detalhada de equipamentos de TI para cada rack desejado. * Temperatura máxima permitida do ar de entrada do equipamento de TI * Temperatura mínima e máxima de saída do ar de resfriamento do equipamento de TI * Tipo de fluxo de ar do equipamento de TI (por exemplo, entrada lateral ou de frente para trás) * Conexões de energia necessárias por rack - ou seja, entrada de energia única ou redundante * Selecione a tecnologia de resfriamento * Água gelada da torre Chiller resfriado a água combinado com água gelada da torre * Chiller resfriado a ar * Resfriamento por compressor DX * Revise os seguintes tópicos com potenciais fornecedores de equipamentos modulares e de TI * Para resfriamento que requer água gelada: a temperatura mais alta possível da água gelada que atenderá aos requisitos de temperatura de entrada do ar de TI * Controles e requisitos de umidade * Energia para circulação de ar de resfriamento do equipamento de TI fornecida pelo sistema modular. Isso deve estar na faixa de 2 a 4 por cento da energia de TI. * Energia de bombeamento do fluido de resfriamento * Especificações de isolamento térmico do gabinete modular Remoção de ventiladores de resfriamento dentro do equipamento de TI * Energia CC do equipamento de TI * Eficiência energética e controles de carga parcial * Requisitos adicionais * Disponibilidade de serviço (alguns projetos de resfriamento podem conter materiais difíceis de obter necessários para reparos, por exemplo, ventiladores ou refrigerantes especializados, ou exigir ferramentas especializadas ou treinamento específico para fazer reparos). Por exemplo, pode ser mais conveniente realizar reparos provisórios em sistemas de refrigeração utilizando apenas água, por pessoal no local, em comparação com sistemas que utilizam refrigerante e que exigem especialistas treinados no uso de refrigerantes. Acesso de serviço à unidade (espaços livres para acomodar conexões, aberturas de portas, proteção contra intempéries, instalação de equipamentos de TI, etc.) * Segurança do local, incluindo iluminação, cercas e controle de acesso * Proximidade com os sistemas existentes de distribuição de energia e água gelada (se utilizados) * Equipamentos de energia de reserva, se desejado (incluindo geradores, aparelhagem de manobra e fornecimento de combustível) * Os sistemas de controle e relatórios para as unidades modulares devem ser compatíveis com os sistemas de gerenciamento predial existentes.
Verifique se há software disponível para monitorar o uso de energia ou calcular métricas de eficiência energética. * Sistemas de detecção de fumaça e supressão de incêndio e interconexão com sistemas existentes, se presentes * Acesso ao local para entrega e localização, peso máximo permitido, espaço para operar o guindaste para descarga * A orientação do módulo em relação à direção predominante do vento pode ser uma consideração para unidades equipadas com economizadores do lado do ar (resfriamento de ar externo) para obter o desempenho máximo de eficiência energética. Requisitos de plataforma (unidades modulares/contêineres geralmente exigem atualizações significativas de fundação/plataforma) * Gerenciamento de condensação (autoridades locais podem não permitir a conexão de drenos de condensado diretamente aos sistemas de esgoto sanitário sem uma licença) * A funcionalidade de desligamento de emergência pode ser exigida pelos serviços de proteção contra incêndio * Autoridades com jurisdição local devem ser consultadas para determinar os requisitos da agência, códigos de construção e segurança aplicáveis e tratamento tributário, se aplicável. (Coles, 2011) Considerações adicionais
Embora os data centers em contêineres estejam se configurando para ser o futuro do data center, há algumas preocupações significativas que devem ser consideradas antes de decidir se um data center em contêiner é a solução adequada para a situação. John Edwards afirma o que ele acredita serem as principais desvantagens de um data center modular: * Durabilidade - Ainda não se sabe o quão bem os data centers modulares pré-fabricados e em pods resistirão aos efeitos do tempo e do clima. * Disponibilidade do serviço - O provisionamento de recursos de rede e serviços públicos para pods e pré-fabricados localizados em locais remotos pode ser difícil e caro. Falta de espaço para trabalhar - A maioria das instalações modulares, especialmente pods, são projetadas para acomodar equipamentos, não pessoas. * Dependência de fornecedor - Muitas ofertas de data center modular exigem que os adotantes se comprometam com as ofertas de hardware e/ou suporte de um fornecedor. * Segurança - Um pod isolado ou pré-fabricado pode ser mais fácil de invadir ou vandalizar do que um prédio comum. (Edwards, 2011) Um design modular pode nem sempre ser a melhor opção. Embora os benefícios sejam bastante claros ao construir um novo e grande data center, algumas organizações podem se adaptar melhor a um data center mais tradicional.
Da mesma forma, Edwards escreve: "uma instalação existente — já comprada e paga — pode ser capaz de ser mais densamente povoada, tornando-se uma aposta financeira melhor do que adicionar uma unidade modular." (Edwards, 2011) O Futuro dos Data Centers Os conceitos de data center de quarta geração têm a oportunidade de revolucionar a maneira como as pessoas pensam sobre o que é um data center. A ideia de uma sala grande e fria com racks de servidores, instalada em um piso elevado, pode em breve ser coisa do passado. A ideia de modularidade, que permite maior escalabilidade, despertou o interesse do setor.
Com as melhorias nas tecnologias de banda larga e o crescimento dos backbones de Internet, as portas foram abertas para onde os data centers podem ser colocados e como eles podem ser utilizados. A virtualização de servidores foi apenas o primeiro passo na virtualização de data centers. À medida que as tecnologias de virtualização continuam a avançar e se desenvolver, analistas do setor preveem que todo o data center pode se tornar virtualizado. "Em um ambiente virtual, técnicas consagradas como sistemas de espera passiva são coisa do passado, porque os administradores terão o poder de provisionamento quase instantâneo de máquinas virtuais caso um sistema físico caia.
Portanto, mesmo que duas máquinas estejam em modo totalmente ativo, uma sempre pode lidar com a carga de trabalho da outra em caso de failover, para que a empresa ganhe um uso mais eficiente de sua infraestrutura." (Cole, 2009) A nuvem também está desempenhando um papel importante no futuro dos data centers. Os sistemas em nuvem combinarão bem com soluções modulares e em contêineres, permitindo que os provedores de serviços em nuvem aumentem ou diminuam facilmente conforme a demanda aumenta ou diminui.
As tecnologias de nuvem avançarão, permitindo que sistemas em contêineres se comuniquem automaticamente entre si, provisionem, desprovisionem e movam dados e recursos ao redor do mundo para serem posicionados de forma mais apropriada, dependendo da demanda. Há a oportunidade de que o uso de recursos do data center atinja um verdadeiro nível de funcionalidade, e as empresas poderão acessar esses recursos conforme necessário. O software de orquestração está a caminho de desempenhar um papel muito maior no data center, cuidando de todos os processos documentáveis e repetíveis que, de outra forma, seriam realizados por humanos, resultando em mais economia de custos e redução do tempo de resolução.
O potencial advento de programas que podem aprender processos e desenvolver novos processos (inteligência artificial - IA) está sendo pesquisado e desenvolvido, abrindo caminho para mais automação. (CloudBzz, 2011) Conclusão Data centers modulares e em contêineres são fundamentais nos principais aspectos de design do data center de quarta geração. Com um foco maior na facilidade de escalabilidade, na redução das despesas gerais de capital, bem como dos custos operacionais, na melhoria adicional da eficiência energética e no suporte a iniciativas verdes, o data center de quarta geração está bem alinhado para atingir esses objetivos.
À medida que a tecnologia avança nas últimas décadas, a demanda por tecnologia por parte das empresas tem aumentado constantemente. Embora nunca se possa ter certeza do que acontecerá no futuro, pode-se presumir que o futuro data center continuará seu processo de evolução, tornando-se cada vez mais econômico, automatizado e rico em recursos. Bibliografia: O Novo Futuro dos Data Centers. (2010, abril/maio). Focus DatacenterDynamics, pp. 19-20. Como será um Data Center de Próxima Geração? (2010, 2 de junho). Recuperado em 19 de outubro de 2011, de IO Data Centers: http://www.odatacenters/com/blog/tag/nxt-generation-data-center/ CloudBzz. (2011, 3 de janeiro). Uma Visão do Futuro Data Center em Nuvem. Recuperado em 19 de outubro de 2011, de CloudBzz: http://www.cloudbzz. com/a-vision-of-the-future-cloud-data-cente/ Cole, A. (2009, 4 de maio). Os Três Fatores que Moldam o Futuro do Data Center. Recuperado em 19 de outubro de 2011, do IT Business Edge: http://www.itbusinessedge.com/cm/community/features/articles/blog/the-three-factors-shaping-the-future-of-the-data-center/? cs=32327 Coles, MB (2011).
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