Une décennie d’informatique plus verte s’épanouit dans le centre de données de NREL

Les chercheurs repoussent les limites pour mener l’industrie dans des directions durables

Certaines choses sont dangereuses lorsqu’elles sont mélangées, comme l’eau et l’électricité. Ainsi, lorsque des experts en informatique avancée du National Renewable Energy Laboratory (NREL) ont décidé il y a plus de dix ans d’utiliser de l’eau pour refroidir les unités centrales de traitement de son centre de données, on comprend pourquoi certaines personnes ont instinctivement pensé que c’était une mauvaise idée.

« La plupart des gens rechignaient à l’idée d’avoir de l’eau n’importe où près d’un ordinateur », a déclaré Aaron Andersen, responsable du groupe NREL pour les opérations informatiques avancées. Il a compris pourquoi l’industrie informatique avait des doutes. Mais parce que NREL est le laboratoire du département américain de l’énergie (DOE) dédié à la recherche sur l’efficacité énergétique, NREL était particulièrement bien placé pour défier les mécanismes conventionnels à forte intensité énergétique pour le refroidissement, comme la climatisation.

C’était un risque calculé d’installer le premier système de refroidissement à base d’eau de NREL dans son centre de données ESIF (Energy Systems Integration Facility) en 2012. La collaboration de NREL avec Hewlett-Packard (HP) sur le supercalcul innovant refroidi par liquide a été récompensée par un R&D 100 2014 et un R&D 100 Editor’s Choice Award for Sustainability 2014, récompensant le meilleur des 100 lauréats. « L’eau est bien meilleure que l’air pour conduire la chaleur, et rapprocher le refroidissement liquide des puces informatiques chaudes était essentiel à la haute efficacité de l’approche de refroidissement », a déclaré Steve Hammond, directeur du centre de sciences informatiques du NREL de 2002 à 2019.

Ce risque s’est avéré payant, et pas seulement grâce aux 4,05 millions de dollars d’économies réalisées à ce jour sur les coûts d’exploitation.

En ne s’appuyant pas sur la climatisation, le centre de données a évité d’expulser 22 829 tonnes métriques de dioxyde de carbone au cours des 10 dernières années. Cela équivaut à la séquestration des émissions de dioxyde de carbone de plus de 25,2 millions de livres de charbon.

Mais les chercheurs du NREL savent que l’eau est aussi une ressource précieuse. Depuis l’introduction du système de refroidissement par thermosiphon innovant et économe en énergie dans le centre de données ESIF en 2018, NREL a économisé plus de 6,5 millions de gallons d’eau.

Ces réalisations massives en matière d’efficacité sont ce qui a permis de maintenir l’efficacité de l’utilisation de l’énergie (PUE) du centre de données NREL à un niveau aussi bas que 1,028. Le PUE mesure l’efficacité énergétique en divisant la quantité totale d’énergie entrant dans un centre de données par la puissance nécessaire pour faire fonctionner l’équipement informatique qu’il contient. Le PUE moyen de l’industrie informatique varie de 1,57 à 1,67 depuis 2013.

Grâce à ces efforts et à d’autres, le centre de données ESIF a été récompensé par de nombreux prix, dont les « Oscars » de l’industrie des centres de données, le Data Center Dynamics Data Center Eco-Sustainability Award, qui récompense les approches innovantes et pionnières de la conception de centres de données durables. Le prix a établi la place de NREL en tant que leader reconnu dans le domaine, et l’ESIF accueille régulièrement de nombreuses personnes de l’industrie informatique pour partager les connaissances du laboratoire.

« Nous avons bénéficié d’une équipe de chercheurs talentueux de classe mondiale jumelés à de solides partenaires industriels », a déclaré Ray Grout, directeur du centre de NREL pour la science informatique. « Nous sommes toujours à la recherche d’opportunités pour partager ce que nous avons appris avec les autres. La collaboration est un moyen de trouver les prochaines grandes questions de l’informatique et les réponses. »

Comment relever la barre du supercalcul

Une mentalité de changement de paradigme a poussé les chercheurs du NREL à repousser les limites de l’informatique. Lorsque l’Office de l’efficacité énergétique et des énergies renouvelables du DOE a installé le supercalculateur Eagle au NREL en 2012, l’équipe informatique avancée avait quatre objectifs majeurs impliquant la gestion responsable de l’énergie, de l’eau et des déchets. Ils savaient également qu’ils devaient rester agiles alors qu’ils avançaient. « L’équipe a laissé de la place pour ajuster sa trajectoire en fonction des découvertes faites en cours de route », a déclaré Andersen.

Cette mentalité a laissé la porte ouverte à des réalisations telles que le refroidissement par thermosiphon. « L’utilisation efficace de l’eau a toujours fait partie du plan », a expliqué Andersen, « mais l’approche du thermosiphon est venue après quatre ans d’exploitation. »

Le refroidissement par thermosiphon est une forme de refroidissement par évaporation, qui est une technique efficace pour gérer les quantités massives de chaleur produites par les superordinateurs. Il utilise un refroidissement sensible à sec en faisant circuler l’eau de retour (chaude) du centre de données à travers un évaporateur à coque et à tube noyé qui est rempli d’un réfrigérant. Les commandes automatiques font varier la vitesse du ventilateur pour contrôler le cycle d’évaporation et rejettent une grande partie de la chaleur sensible dans l’atmosphère, refroidissant davantage l’eau de retour et réduisant ou éliminant l’évaporation de l’eau en fonction des conditions atmosphériques extérieures.

NREL, avec ses partenaires Johnson Controls et Sandia National Laboratories, a initialement déployé ce refroidisseur à thermosiphon innovant comme banc d’essai sur le toit de l’ESIF de NREL. Un ingrédient clé de son succès a été l’ajout du système de refroidissement hybride BlueStream de Johnson Controls, un refroidisseur à sec avancé qui utilise le réfrigérant dans un cycle passif pour dissiper la chaleur.

Au cours de ses deux premières années de fonctionnement, le thermosiphon a permis d’économiser l’équivalent de plus de trois bassins d’eau de taille olympique. Cette réalisation a valu à NREL et à ses partenaires un prix fédéral de la gestion de l’énergie et de l’eau 2018 et le prix de l’éco-durabilité 2018 de Data Center Dynamics.

L’utilisation efficace de l’énergie et de l’eau ont été les deux premiers objectifs auxquels les chercheurs du NREL se sont attaqués simultanément. Un centre de données typique doit consacrer 70 % de sa consommation d’énergie à la tâche de refroidissement de son équipement. En 10 ans, NREL a réussi à réduire ce pourcentage à seulement 3% non seulement pour son centre de données, mais également pour l’ensemble de son installation certifiée ESIFa Leadership in Energy and Environmental Design (LEED) Platinum où 14 laboratoires, un centre de visualisation de données, un contrôle salle et un superordinateur occupent 182 500 pieds carrés.

« Le troisième objectif était axé sur le recyclage ou la réutilisation des déchets », a déclaré Andersen, « et la capacité de l’ESIF à chauffer le campus du NREL avec sa chaleur résiduelle en est une illustration. »

NREL a collaboré avec HP pour le système HP Apollo 8000. Ce système innovant utilise un refroidissement par eau chaude au niveau des composants pour dissiper la chaleur générée par le supercalculateur, éliminant ainsi le besoin de refroidisseurs coûteux et inefficaces dans le centre de données. L’eau circule à travers des échangeurs de chaleur dans les systèmes de calcul haute performance (HPC) pour capturer efficacement la chaleur perdue. L’eau est chauffée à environ 100F par les systèmes HPC et est utilisée comme source de chauffage pour les laboratoires et les bureaux.

Revue R&D a reconnu les réalisations de NREL et HP avec le prix du Laboratoire de l’année 2014.

Mais les chercheurs ne se reposeront pas sur les réalisations informatiques avancées d’hier ; ils les utilisent comme tremplins sur la voie de leur prochaine grande percée.

Préparé pour de futurs partenariats

Andersen attribue le succès de NREL au dévouement inébranlable des membres de son équipe, qui sont « motivés par la mission de NREL, qui nous permet de faire des pas en avant audacieux que de nombreuses organisations dotées de grands centres de données ne peuvent pas prendre en raison du risque ». Des experts de toutes les disciplines sont attirés par l’écosystème de laboratoire vivant du NREL, où la prise de risques est une partie importante de la découverte scientifique.

La poursuite par NREL d’une informatique plus économe en énergie n’est pas terminée. En mars 2022, NREL s’est associé au Joint Institute for Strategic Energy Analysis pour lancer son Green Computing Catalyzer afin d’explorer les améliorations et les mesures algorithmiques de la consommation d’énergie, l’efficacité du centre de données et le cycle de déchets des ordinateurs et des matériaux.

L’avancement de la science de l’informatique est complété par l’engagement de NREL à fournir des capacités HPC de classe mondiale à ses chercheurs et organisations partenaires. Les chercheurs en informatique avancée cherchent des moyens de réduire la consommation d’énergie d’applications de recherche puissantes, comme le code ExaWind du DOE utilisé pour créer des modèles et des simulations d’éoliennes, ou le code Vienna Ab Initio Simulation Package (VASP) utilisé pour la modélisation des matériaux à l’échelle atomique. . Alors que NREL continue de dominer les frontières de l’intelligence artificielle et de l’apprentissage automatique, des algorithmes plus efficaces sont nécessaires pour optimiser l’utilisation du GPU et, en fin de compte, accélérer le temps de résolution.

À mesure que la capacité de jumeau numérique de NREL se développe, elle offre aux partenaires la possibilité de simuler et d’évaluer les modifications apportées à la configuration d’un centre de données avant d’investir des millions de dollars dans des mises à niveau. (Un investissement typique de mise à niveau d’un centre de données peut coûter de 70 à 80 millions de dollars.) À l’appui du programme COOLERCHIPS de l’Advanced Research Projects Agency-Energy, NREL crée un jumeau numérique pour développer des protocoles de test qui évaluent les technologies de refroidissement écoénergétiques pour les opérations du centre de données.

Le potentiel d’énergie thermique du centre de données NREL est actuellement exploré pour fournir un chauffage résidentiel à l’eau chaude à des températures thermiques plus élevées. Le supercalculateur Kestrelconstruit par HPE est maintenant installé dans le centre de données ESIF. Il amplifiera les avancées du centre de données de NREL et soutiendra le parcours de NREL vers le statut de laboratoire net zéro.

NREL est l’endroit où des idées audacieuses et des partenariats collaboratifs apportent les changements de paradigme que nos exigences futures exigent. Pour savoir comment les capacités informatiques avancées de NREL peuvent soutenir votre mission, contactez Steve Gorin.