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BRASSAGE DYNAMIQUE DE L'ALIMENTATION ELECTRIQUE
Domaine technique et art antérieur
La présente invention concerne le domaine de la gestion de l'alimentation
électrique
des équipements consommateurs d'énergie électrique.
Un des objectifs de la présente invention est d'améliorer les conditions de
fonctionnement des équipements, consommateurs d'énergie électrique, dans une
installation
en optimisant la gestion de la distribution de l'alimentation électrique pour
chacun de ces
équipements.
La présente invention trouve une application particulièrement avantageuse dans
le
domaine des centres de traitement de données (ou datacenter) pour améliorer
l'efficacité
énergétique de ces centres.
On comprendra que la présente invention trouve d'autres applications
avantageuses
dans d'autres domaines tels que par exemple la gestion de l'alimentation des
équipements
informatiques, des Smart Cities par exemple pour gérer efficacement la
distribution de
l'énergie dans les bâtiments de bureau (optimisation de charge entre
différentes sources) ou
encore dans les centres de télécommunications.
Par centre de traitement de données ou datacenter, on comprend dans toute la
description qui suit une installation dans laquelle se trouvent regroupés des
équipements
informatiques (ordinateurs centraux, serveurs, baies de serveurs de stockage,
équipements
réseaux et de télécommunications, etc.) dont l'objet est de stocker des
données (plus ou
moins sensibles) appartenant à des tiers, abonnés aux services dudit
datacenter, en vue
d'assurer notamment la sécurité et l'intégrité de ces données ou de
supporter/héberger des
traitements ou des calculs applicatifs de données.
Généralement, les centres de traitement de données comprennent également pour
des
raisons de sécurité informatique un système d'alimentation électrique
d'urgence et de
redondance pour éviter la perte des données (stockées ou traitées) et offrir
ainsi aux abonnés
qui ont recours à de tels centres un niveau de qualité de service élevé, ainsi
qu'un haut niveau
de disponibilité.
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Les centres de traitement de données sont de gros consommateurs d'énergie
électrique.
On notera que l'activité associée aux centres de traitement de données est
devenue en
quelques années la Sème industrie la plus consommatrice d'énergie
électrique, avec plus de
2% de la consommation mondiale en énergie électrique.
Par ailleurs, compte tenu du nombre croissants de données à stocker, notamment
avec
l'arrivée des services de Cloud Computing et la multiplication des données
à stocker
(notamment avec l'essor des réseaux sociaux et professionnels, etc.), les
besoins en électricité
des centres de traitement de données devraient encore croître de façon
significative dans les
prochaines années.
A l'échelle européenne, on a estimé en 2008 que les centres de données ont
consommé
plus de 56 TWatts. Pour 2020, cette consommation est estimée à plus de 100
TWatts.
On sait déjà que plus de la moitié de cette énergie électrique est consommée
pour le
refroidissement et la climatisation des serveurs.
Outre ces problématiques liées à la température, les problématiques liées à
l'efficacité
énergétique et à la gestion de l'alimentation électrique présentent un enjeu
grandissant pour
les acteurs de ce domaine d'activité.
Un centre de traitement de données, que nous appellerons dans la suite de la
description datacenter pour plus de concision, doit être en mesure d'alimenter
en énergie
électrique les différents équipements informatiques (et notamment les baies de
serveurs) qui
le composent), et ce quelles que soient les circonstances (même en cas de
défaillance des
sources d'alimentation ou de panne électrique).
Ceci est très important pour assurer la sécurité et l'intégrité des données
stockées,
ainsi que leur disponibilité.
Garantir en continu l'alimentation en énergie électrique des équipements
informatiques, et notamment les baies de serveurs et des serveurs, est donc
primordial.
Il existe à ce jour plusieurs approches pour alimenter en énergie électrique
les
équipements informatiques de ces datacenters.
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Une première approche pour assurer la qualité de la distribution de l'énergie
électrique est d'imposer un câblage électrique spécifique des baies
informatiques sur les
différentes sources d'alimentation électrique.
Ceci permet de garantir la redondance de ces sources pour chaque baie.
Un tel câblage est toutefois statique.
Celui-ci est en effet déterminé à partir d'un tableau de répartition, encore
appelé
capacity planning , qui est basé principalement sur les puissances
initialement souscrites
par l'abonné aux services.
Le Demandeur soumet ici qu'un tel tableau est généralement réalisé à la main,
ce qui
est fastidieux et induit bien souvent une source d'erreurs potentielles.
Ce tableau peut éventuellement être actualisé dans le temps en fonction des
puissances
réellement constatées et consommées. Dans ce cas, il faut recalculer ce
tableau et recabler en
conséquence.
Cette première approche est donc très contraignante pour l'exploitant du
datacenter.
Il faut de plus veiller à ce que, lors du câblage, chaque source
d'alimentation soit
correctement équilibrée en phase les unes par rapport aux autres. Il peut donc
s'avérer
nécessaire de recabler en cours d'exploitation pour équilibrer correctement
les phases en
fonction des puissances réellement consommées.
Il faut également veiller à ce que les sources d'alimentation ne soient pas
surchargées
en cas de défaillance de l'une d'entre elle.
Le câblage étant par nature statique, il est donc difficile de le maintenir
adapté dans le
temps aux besoins en énergie des baies de serveurs.
Ceci est d'autant plus vrai qu'il faut en théorie refaire ce câblage lors de
l'arrivée d'un
nouvel abonné qui adhère aux services du datacenter, ou lors de la mise en
service de
nouvelles baies de serveurs.
On notera par ailleurs qu'une erreur dans le calcul du tableau de répartition
ou une
erreur dans le câblage peut entraîner l'arrêt complet de l'exploitation.
Cette approche ne semble donc plus adaptée dans la mesure où le câblage, qui
est
statique et se fait par des opérationnels à la main, requiert une maintenance
régulière,
contraignante et source d'erreur (et donc d'insécurité).
On notera, de surcroît, que cette approche n'est pas efficace sur le plan
énergétique :
elle ne peut pas garantir une alimentation électrique optimale dans le temps.
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En effet, si après un câblage on peut considérer que l'équilibrage de
l'alimentation est
optimal, on constate très vite un déséquilibrage lorsque les besoins
énergétiques varient dans
le temps en fonction de l'activité et des ressources informatiques
sollicitées.
Or, la consommation électrique dans les datacenters est par définition sujette
à dérive
au cours de l'exploitation (déséquilibrage), ce qui nécessite inévitablement
des interventions
de recablage régulières.
Outre ce problème d'équilibrage, le Demandeur soumet également que le besoin
de
redondance impose à l'installation plus de sources d'alimentation électrique
que nécessaire.
A titre d'exemple, il faut pour desservir une salle informatique d'l MWatts au
moins
deux sources d'alimentation capable de desservir chacune à elle seule
l'ensemble de la salle
en cas de défaillance de l'autre source. Il est donc requis dans ce cas deux
sources
d'alimentation capables de desservir chacune 1 MWatts.
On comprend ici que 50% des capacités de production de l'installation est
inexploité,
ce qui peut paraître aberrant d'un point de vue économique et financier.
On notera également que la redondance électrique avec deux sources
d'alimentation
n'est pas pleinement satisfaisante ; certes, elle assure que la défaillance
d'une source soit sans
conséquence sur l'exploitation du site. Cependant, la défaillance de la
seconde source causera
inévitablement l'arrêt complet de l'exploitation des serveurs. La sécurité des
données n'est
donc pas complétement assurée.
Avec un câblage statique, on peut difficilement améliorer cette situation,
même en
passant par trois ou quatre sources d'alimentation. En effet, les serveurs
n'ont généralement
que deux entrées et on ne sait pas prévoir sur quelle source il faut les
connecter pour garantir
qu'elles soient toujours desservies après les défaillances de deux sources.
Pour garantir l'équilibrage de l'alimentation électrique, une deuxième
approche
consiste à générer des lignes monophasées en utilisant des convertisseurs
triphasé/monophasé.
Une telle solution permet d'avoir des dispositifs qui ne sont pas des
dispositifs
d'affectation de ligne mais de véritables onduleurs monophasés qui prennent
l'énergie de
façon équilibrée sur les trois phases d'un triphasé.
Ceci n'est toutefois pas adapté pour un datacenter, car l'utilisation de tels
convertisseurs ne permet pas d'avoir de bonnes performances énergétiques.
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Le Demandeur observe ici que les pertes énergétiques associées à ces
composants
entraînent un vrai problème de dissipation thermique, ce qui n'est pas
acceptable pour une
application dans le domaine des datacenters.
Le Demandeur observe en outre qu'une telle solution ne permet pas de moduler
la
charge entre les sources.
Enfin, une autre approche consiste à alimenter chacun des serveurs du
datacenter par
une tension continue de type basse tension (par exemple 48 Volts).
Techniquement, ceci présente l'avantage de diminuer le nombre d'étages de
transformation électrique ; on interface uniquement de la tension continue
dans des ordres de
grandeur similaires.
Selon cette approche, il n'est plus nécessaire d'équilibrer les consommations
de
chacun des serveurs sur des sources d'alimentation haute tension alternatives.
De plus, il n'est plus nécessaire d'avoir des transformateurs haute tension et
basse
fréquence pour garantir les redondances des sources d'alimentation, ce qui
simplifie les
infrastructures.
Le Demandeur observe néanmoins qu'avec une telle approche, à puissance
consommée identique, les courants sont beaucoup plus forts, et qu'il faut donc
des sections de
conducteurs plus élevées.
Cette approche impose donc aux clients des datacenters de s'équiper de
serveurs basse
tension, ce qui n'est pas envisageable sur le plan pratique.
Le Demandeur observe également que le comptage de la consommation électrique
réellement consommée est réalisé dans les solutions existantes par la présence
de compteur
sur chaque baie de serveur. Ceci représente un investissement matériel
important, qui requiert
également une main d'oeuvre qualifiée.
Il faut en outre pour installer ces compteurs prévoir des équipements
permettant la
remontée centralisée des données.
En tout état de cause, le Demandeur soumet qu'à ce jour il n'existe pas dans
l'état de
la technique de solutions techniques simples et efficaces permettant
d'optimiser la
distribution de l'alimentation électrique des baies de serveurs dans un
datacenter tout en
garantissant l'équilibrage de charges des phases au sein de chaque source
d'alimentation
électrique.
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Objet et résumé de la présente invention
L'objet de la présente invention vise à améliorer la situation actuelle.
Un des objectifs de la présente invention est de remédier aux différents
inconvénients
de l'état de la technique mentionnés ci-dessus en proposant un brassage
dynamique des
équipements (tels que par exemple les serveurs ou les baies de serveurs dans
un datacenter)
sur les sources d'alimentation électrique.
Par équipement, on entend ici un équipement qui requiert une alimentation en
énergie
électrique pour fonctionner.
Le bon fonctionnement d'un tel équipement est donc directement lié à la
qualité de
l'alimentation en énergie électrique.
Plus particulièrement, la présente invention concerne selon un premier aspect
un
procédé de gestion de l'alimentation électrique d'une pluralité d'équipements
dans une
installation (par exemple les serveurs ou les baies de serveurs dans un centre
de traitement de
données ou datacenter).
Selon l'invention, chacun des équipements (par exemple les serveurs ou les
baies
serveurs dans un datacenter), consommateurs d'énergie électrique, est
électriquement reliée à
une pluralité de sources d'alimentation électrique par le biais d'au moins un
dispositif de
distribution comprenant chacun des éléments de commutation faisant l'interface
entre les
équipements et les sources d'alimentation.
Selon l'invention, chacune des sources d'alimentation présente une courbe de
rendement qui lui est propre.
Selon l'invention, les éléments de commutation sont pilotés en temps réel par
des
circuits de commande, tels que par exemple des circuits logiques
programmables, et sont
configurés pour distribuer l'énergie électrique nécessaire au fonctionnement
des équipements
(par exemple les serveurs ou les baies de serveurs).
En début d'exploitation, cette distribution de l'énergie se fait selon une
attribution
nominale. Cette attribution nominale est déterminée par plan de charge dit
nominal.
Avantageusement, le procédé selon l'invention est mis en oeuvre par des moyens
informatiques et comporte lors d'une phase d'exploitation les étapes suivantes
:
une détermination d'un plan de charge par l'unité centrale en fonction d'au
moins une puissance souscrite pour un équipement et d'un algorithme de
répartition prenant en considération les courbes de rendement de chacune des
sources de manière à réajuster l'attribution nominale des sources
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d'alimentation à chacun des équipements (par exemple les serveurs ou les
baies de serveurs) en maximisant le rendement desdites sources, ou plus
précisément en maximisant l'efficacité ;
un brassage dynamique des équipements (par exemple les serveurs ou les baies
de serveurs) sur les sources d'alimentation réalisé par les éléments de
commutation en fonction dudit plan de charge transmis par l'unité centrale à
chacun des circuits de commande.
Ainsi, la présente invention, grâce à la combinaison de ces différentes étapes
techniques, caractéristique de la présente invention, permet d'avoir un
câblage dynamique
prenant en considération les différentes puissances souscrites pour chaque
équipement.
Il est donc possible par exemple pour un abonné à un service de modifier en
cours
d'exploitation la puissance souscrite pour une baie.
Dans ce cas, le plan de charge sera alors modifié automatiquement en prenant
en
considération cette nouvelle puissance souscrite.
Un tel câblage dynamique permet de supprimer le câblage statique utilisé
jusqu'à
présent. Il n'est donc plus nécessaire de prévoir l'établissement manuel d'un
nouveau plan de
charge (ou capacity planning ) à chaque mise en service de nouveaux
équipements ou lors
de l'arrivée d'un nouvel abonné aux services.
Selon des caractéristiques optionnelles de l'invention prises seules ou en
combinaison :
le procédé comporte une mesure en continu de la consommation électrique de
chacun des équipements (par exemple les serveurs ou les baies de serveurs) ;
la détermination du plan de charge est réalisée en fonction des consommations
mesurées ;
les éléments de commutation mesurent par couplage magnétique la
consommation électrique de chacun des équipements (par exemple les serveurs
ou les baies de serveurs) qu'ils alimentent respectivement ;
la consommation électrique mesurée est horodatée puis enregistrée dans un
fichier informatique, appelé fichier log, transmis périodiquement à l'unité
centrale ;
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le procédé comporte une surveillance en continu de l'état de chacune des
sources d'alimentation pour détecter la défaillance d'au moins l'une des
sources d'alimentation ;
la détermination du plan de charge est réalisée en fonction des états des
sources ;
lors de la surveillance de l'état de chacune des sources d'alimentation, une
source d'alimentation est considérée se trouver dans un état de défaillance
lorsque celle-ci délivre une tension en dehors d'un intervalle compris entre
un
seuil inférieur de défaillance et un seuil supérieur de défaillance ;
de préférence, le seuil inférieur de défaillance et/ou le seuil supérieur de
défaillance sont des valeurs de tension paramétrables ;
le procédé comprend une phase d'initialisation au cours de laquelle, lors
d'une
étape de souscription, le plan de charge nominal est déterminé en fonction
d'une puissance électrique préalablement souscrite par un abonné, la puissance
électrique souscrite étant par ailleurs associée à un niveau de qualité de
service
déterminé ;
le procédé comprend une interruption de l'alimentation d'un équipement (par
exemple une baie de serveur) par ladite source d'alimentation associée en cas
de détection d'une consommation, anormale, dudit équipement, lorsque par
exemple celle-ci est strictement supérieure à 150% de la puissance souscrite.
Corrélativement, l'objet de la présente invention concerne selon un deuxième
aspect
un programme d'ordinateur comportant des instructions adaptées pour
l'exécution des étapes
du procédé tel que décrit ci-dessus, lorsque ledit programme d'ordinateur est
exécuté par au
moins un processeur.
Un tel programme d'ordinateur peut utiliser n'importe quel langage de
programmation, et être sous la forme d'un code source, d'un code objet, ou
d'un code
intermédiaire entre un code source et un code objet, tel que dans une forme
partiellement
compilée, ou dans n'importe quelle autre forme souhaitable.
De même, l'objet de la présente invention concerne selon un troisième aspect
un
support d'enregistrement lisible par un ordinateur sur lequel est enregistré
un programme
d'ordinateur comprenant des instructions pour l'exécution des étapes du
procédé tel que
décrit ci-dessus.
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D'une part, le support d'enregistrement peut être n'importe quel entité ou
dispositif
capable de stocker le programme. Par exemple, le support peut comporter un
moyen de
stockage, tel qu'une mémoire ROM de type circuit microélectronique, ou encore
un moyen
d'enregistrement magnétique ou un disque dur.
D'autre part, ce support d'enregistrement peut également être un support
transmissible
tel qu'un signal électrique ou optique, un tel signal pouvant être acheminé
via un câble
électrique ou optique, par radio classique ou hertzienne ou par faisceau laser
autodirigé ou
par d'autres moyens. Le programme d'ordinateur selon l'invention peut être en
particulier
téléchargé sur un réseau de type Internet.
Alternativement, le support d'enregistrement peut être un circuit intégré dans
lequel le
programme d'ordinateur est incorporé, le circuit intégré étant adapté pour
exécuter ou pour
être utilisé dans l'exécution du procédé en question.
L'objet de la présente invention concerne selon un quatrième aspect un système
de
gestion de l'alimentation électrique d'une pluralité d'équipements (par
exemple du type baies
de serveurs) dans une installation (par exemple du type centre de traitement
de données ou
datacenter).
Avantageusement, ledit système comprend des moyens informatiques configurés
pour
la mise en oeuvre des étapes du procédé tel que celui décrit ci-dessus.
Plus particulièrement, dans ce système, chacun des équipements (par exemple
les
baies de serveurs) est électriquement relié à une pluralité de sources
d'alimentation électrique
par le biais d'au moins un dispositif de distribution.
Selon l'invention, chaque source présente une courbe de rendement qui lui est
propre.
Selon l'invention, chaque dispositif de distribution comprend des éléments de
commutation faisant l'interface entre les équipements et les sources
d'alimentation.
Ces éléments de commutation sont de préférence configurés pour distribuer
l'énergie
électrique nécessaire au fonctionnement des équipements.
En début d'exploitation, cette distribution se fait selon une attribution
nominale
déterminée.
Avantageusement, le dispositif de distribution comprend : une unité centrale
de traitement configurée pour déterminer un plan de charge en fonction d'au
moins une puissance souscrite pour chaque équipement et d'un algorithme de
répartition déterminé prenant en considération les courbes de rendement de
chacune des sources de manière à réajuster l'attribution nominale des sources
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d'alimentation à chacun des équipements (par exemple les baies de serveurs)
en maximisant l'efficacité ; et
des circuits de commande configurés pour piloter en temps réel les éléments de
commutation de manière à réaliser un brassage dynamique des équipements
(par exemple les baies de serveurs) sur les sources d'alimentation en fonction
du plan de charge transmis par l'unité centrale.
Dans un mode de réalisation particulier, les éléments de commutation
comprennent :
un semi-conducteur du type IGBT (acronyme de Insulated Gate Bipolar
Transistor ou transistor bipolaire à grille isolée), et/ou
un composant électronique du type TRIAC (acronyme de TRiode for
Alternating Current ). Un tel composant est équivalent à la mise en parallèle
de deux thyristors montés tête-bêche.
De préférence, le dispositif de distribution est configuré pour délivrer
respectivement
du monophasé, du triphasé et/ou du tétraphasé.
Un tel système permet également d'avoir un système de disjonction pouvant être
changé à chaud sans interrompre l'ensemble de l'alimentation du site.
L'objet de la présente invention concerne selon un cinquième aspect une
installation
du type centre de traitement de données ou datacenter comprenant :
une pluralité de sources d'alimentation électrique ;
une pluralité d'équipements dont notamment des baies de serveurs ; et
un système de gestion de l'alimentation électrique tel que celui décrit ci-
dessus.
De préférence, chaque source d'alimentation comprend notamment un onduleur.
Ainsi, l'objet de la présente invention, par ses différents aspects
fonctionnels et
structurels décrits ci-dessus, permet de mettre à disposition des datacenters
un véritable
câblage dynamique des équipements sur les sources d'alimentation en prenant en
considération les puissances souscrites, les consommations énergétiques
réelles, et
éventuellement les états des sources.
Pour une application dans le domaine des datacenters, la présente invention
permet
d'optimiser l'efficacité énergétique des datacenters et de garantir la
sécurité, l'intégrité ainsi
que la disponibilité des données stockées dans les datacenters.
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Brève description des figures annexées
D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront
de la
description ci-dessous, en référence aux figures 1 et 4 annexées qui en
illustrent un exemple
de réalisation dépourvu de tout caractère limitatif et sur lesquelles :
la figure 1 représente une vue schématique d'un système de gestion de
l'alimentation des baies de serveurs d'un datacenter selon un exemple de
réalisation de l'invention ;
la figure 2 représente un organigramme des étapes du procédé de gestion selon
un exemple de réalisation de la présente invention ;
la figure 3 représente une vue schématique d'un exemple de structure de
caissons dans une armoire de distribution selon un exemple de réalisation ;
la figure 4 représente une vue schématique d'un exemple d'armoire de
distribution selon un exemple de réalisation.
Description détaillée de l'invention
La gestion de l'alimentation électrique d'une pluralité d'équipements dans une
installation ainsi que le système qui lui est associé vont maintenant être
décrits dans ce qui va
suivre en faisant référence conjointement aux figures 1 à 4.
L'exemple décrit ici se rapporte plus particulièrement à la gestion de
l'alimentation
des serveurs ou des baies de serveurs dans un datacenter. Bien évidemment, on
comprendra
ici qu'il s'agit d'une application particulière parmi d'autres possibles.
Concevoir un câblage permettant de choisir à chaque instant quelle source
alimente
quelle baie de serveur est un des objectifs de la présente invention.
Ceci est rendu possible dans le cadre de la présente invention par un câblage
dynamique des baies de serveurs sur les sources d'alimentation en fonction des
consommations effectives de chacune d'entre elles ainsi que des états des
sources.
Dans l'exemple décrit ici, on dispose ainsi d'un système de gestion 200 de
l'alimentation comprenant des moyens informatiques et électroniques pour gérer
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efficacement la distribution de l'alimentation électrique des baies de
serveurs BS1, BS2, BS3
et BS4 dans un datacenter 300.
Dans l'exemple décrit ici et illustré en figure 1, les baies de serveurs BS1,
BS2, BS3,
et BS4 sont électriquement reliées aux sources d'alimentation A, B, C et D par
le biais de
deux dispositifs de distribution 100 et 100', ici des armoires de
distribution.
Bien évidemment, on comprendra ici que le système 200 peut comprendre plus de
deux armoires de distribution.
L'homme du métier pourra également comprendre ici qu'il s'agit d'un exemple
particulier de mise en oeuvre et qu'on peut prévoir dans le cadre de la
présente invention une
architecture déconcentrée sans armoire de distribution ; dans une telle
configuration, toutes
les baies sont desservies par toutes les sources, et l'affectation se fait au
pied de la baie.
Dans cet exemple, les sources d'alimentation A, B, C et D sont des onduleurs
ayant
chacun leur propre courbe de rendement. Bien évidemment, d'autres types de
sources
d'alimentation peuvent être envisagés.
Dans cet exemple, les armoires 100 et 100' servent de Power Switch et
comprennent chacune des caissons 10, 20 et 10', 20' (appelés SWitching Units
ou SWU).
Dans ces caisson, sont agencés des éléments de commutation respectivement (11,
12,
13, 14; 21, 22, 23, 24) et (11', 12', 13', 14' ; 21', 22', 23', 24') qui font
l'interface entre les
baies de serveurs BS1, BS2, BS3 et BS4 et les sources d'alimentation A, B, C
et D (voir en
figure 3).
Dans cet exemple, ces éléments de commutation (11, 12, 13, 14; 21, 22, 23, 24)
et
(11', 12', 13', 14' ; 21', 22', 23', 24'), encore appelés SWitching Elements
ou SWE, sont
prévus pour distribuer l'énergie électrique nécessaire au fonctionnement des
baies de serveurs
BS1, BS2, BS3 et BS4.
Ces SWE, sont pilotés par des circuits de commande (15, 16, 17, 18 ; 25, 26,
27, 28)
et (15', 16', 17', 18' ; 25', 26', 27', 28'), ici par exemple du type circuit
logique
programmable qui fournissent en temps réel aux SWE les instructions de
distribution de
l'alimentation électrique définies par un plan de charge.
En début d'exploitation, dans une phase dite nominale, les éléments de
commutation
(11, 12, 13, 14 ; 21, 22, 23, 24) et (11', 12', 13', 14' ; 21', 22', 23', 24')
distribuent l'énergie
électrique nécessaire au fonctionnement de chacune baies de serveurs BS1, BS2,
BS3 et BS4
selon une plan de charge nominal ; on parle également d'attribution nominale.
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Ce plan de charge nominal peut être déterminé comme suit :
Lors de cette phase, on prévoit une étape SO au cours de laquelle l'abonné qui
souscrit
à un service de stockage de données ou d'hébergement d'applications auprès
d'un datacenter
300 sélectionne une qualité de service associé au niveau de sécurité qu'il
souhaite pour ses
données.
Cette qualité de service est directement liée à la redondance des sources
d'alimentation, et donc à une puissance électrique. On parle de puissance
souscrite.
Le Demandeur soumet que la présente invention est particulièrement pertinente
dans
un datacenter 300 où il y a une grande part de "calculs applicatifs" et peu de
stockage de
données : en effet, les consommations sont dans ce cas moins constantes.
De plus, seuls les serveurs de calcul (ferme) seront amenés à être à un
niveau O
(voir ci-dessous).
On peut par exemple considérer qu'un serveur de niveau 3 (ou de niveau 2 )
reste fonctionnel après trois défaillances (haute fiabilité) (ou deux
défaillances) alors qu'un
serveur de niveau 1 reste fonctionnel après une seule défaillance et hors
service dès la
seconde défaillance.
L'abonné a donc ici la possibilité de souscrire à un niveau de disponibilité
ajusté au
mieux à son besoin.
On notera ici qu'il devient possible dans le cadre de la présente invention
d'offrir une
gamme de service minimale avec zéro défaillance, c'est-à-dire que le serveur
est affecté dès la
première défaillance de sa source : on parle dans ce cas de niveau 0 .
Cela peut sembler précaire, mais l'interaction avec les hyperviseurs de
machines
virtuelles permet d'organiser les machines de sorte à ce que les serveurs
concernés soient par
exemple des éléments de ferme ou autre, et que leur arrêt ne provoque pas de
perte de service
mais tout au plus une baisse de la performance.
Lors de cette phase, les unités centrales 30 et 30' de chaque armoire 100 et
100'
récupèrent donc l'ensemble des puissances souscrites par tous les abonnés et
calcule en
fonction de ces informations un premier plan de charge, dit nominal.
Ce plan de charge correspond donc à l'attribution nominale des sources
d'alimentation A, B, C et D à chacune des baies de serveurs BS1, BS2, BS3 et
BS4.
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C'est donc cette phase initiale PO qui permet d'affecter les sources
d'alimentation A,
B, C et D aux différentes baies de serveurs.
Pour chaque armoire 100 (100'), l'unité centrale 30 (30') fait ensuite
parvenir à
chaque sortie des caissons 10 et 20 (10' et 20') les sources d'alimentation
nominales à
affecter ainsi que les différents scénarii de défaillance associés aux sources
d'alimentation.
Dans cet exemple, le plan de charge nominal et les différents scénarii de
défaillance
sont ainsi stockés dans chaque caisson 10 et 20 (10' et 20') sur des circuits
logiques
programmables 15, 16, 17, 18 ; 25, 26, 27, 28 (15', 16', 17', 18' ; 25', 26',
27', 28').
Ces circuits sont de préférence de type FPGA et peuvent ainsi gérer en temps
réel les
protocoles de sécurité et d'affectation des sources.
Il est possible pour l'abonné au service de modifier cette puissance souscrite
(par
exemple à distance) ; dans ce cas, le plan de charge est recalculé par l'unité
centrale pour
prendre en considération ce changement de puissance.
Tenir compte en cours d'exploitation (ici la phase P1) des consommations
électriques
effectives des baies et des états des sources pour faire évoluer dynamiquement
ce plan de
charge est un des objectifs de la présente invention.
Dans l'exemple décrit ici, chaque armoire 100 et 100' comprend à cet effet un
module
de mesure 50 et 50' qui, lors d'une étape S2, mesure par couplage magnétique
la
consommation électrique de chacune des baies de serveurs BS1, BS2, BS3 et BS4.
De préférence, dans l'exemple décrit ici, ce sont les éléments de commutation
qui
réalisent cette mesure par couplage magnétique.
Alternativement, il est également possible de réaliser une mesure résistive,
par
exemple par des résistances de shunt .
On notera ici que, pour mesurer la consommation (en puissance), il est
souhaitable de
mesurer également la tension (cas des amplitudes des sources différentes).
Cette capacité de mesure des courants et des tensions permet de fournir
d'autres
indicateurs électriques tels que les tensions et les courants efficaces, les
puissances actives et
réactives, les déphasages, les taux d'harmoniques en courant et tension, et
enfin les courants
d'appel.
Bien évidemment, on pourra imaginer d'autres modes de réalisation dans
lesquels
c'est un module de mesure spécifique qui réalise ces mesures de consommation.
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Dans cet exemple, la fonction de mesure associée aux modules 50 et 50' est
donc
directement intégrée dans les éléments de commutation. Il s'agit ici d'un
exemple de mise en
oeuvre possible.
Cette consommation électrique mesurée en continu tout au long de
l'exploitation est
horodatée puis enregistrée dans un fichier informatique, appelé fichier log,
transmis
périodiquement (par exemple toutes les minutes) à l'unité centrale 30.
Dans cet exemple, l'unité centrale 30 traite lors d'une étape S3 l'ensemble
des fichiers
log reçus pour déterminer ensuite un nouveau plan de charge pour réajuster
l'attribution
nominale des sources d'alimentation A, B, C et D à chacune des baies de
serveurs BS1, BS2,
BS3 et BS4 de manière à piloter les éléments de commutation afin de réaliser
le brassage
dynamique S4 des baies de serveurs BS1, BS2, BS3 et BS4 sur les sources
d'alimentation A,
B, C et D.
Dans cet exemple, on prévoit plus particulièrement que l'unité centrale 30
calcule au
cours de l'exploitation (par exemple de façon périodique, à intervalle de
temps régulier) un
nouveau plan de charge en fonction des puissances souscrites (et des
changements associés)
et des consommations effectives réellement mesurées ainsi que d'un algorithme
de répartition
déterminé prenant en considération les courbes de rendement de chacune des
sources A, B, C
et D.
Ce nouveau plan de charge permet alors de réajuster l'attribution nominale
desdites
sources d'alimentation à chacune des baies de serveurs en maximisant
l'efficacité.
Plus particulièrement, l'algorithme de répartition dispose de la courbe de
rendement
de chacune des sources en fonction de sa charge. On notera ici que les courbes
de rendement
ne sont pas nécessairement identiques entre toutes les sources.
L'algorithme dispose également de puissances souscrites par chacun des abonnés
pour
chacune des baies ainsi que de la consommation mesurée pour chaque baie (et
donc par
conséquent de la consommation globale).
De manière optionnelle, cette consommation globale peut faire l'objet d'une
mesure
spécifique. Dans ce cas, il devient possible de procéder au calcul de l'écart
entre la somme
des puissances consommées et la mesure spécifique de la consommation totale.
Cela peut
permettre de surveiller d'éventuelles pannes latentes ou d'autres défauts.
La méthode d'affectation des différentes sources peut se faire de différentes
manières.
Par exemple, l'algorithme d'affectation sélectionné peut être le suivant.
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- dans un premier temps, un calcul de la charge idéale de chaque source en
fonction de critères définis par le gestionnaire du site (volonté d'équilibrer
les
sources entre elles, ou alors de les placer à des points de rendement optimum,
ou autre). Cette étape consiste à répartir de façon macroscopique la charge
totale du site.
- dans un second temps, une répartition des baies une à une dans les
sources afin
de les charger à hauteur des charges calculées lors de la première étape.
Cette
étape consiste en la répartition microscopique des baies sur les sources.
Bien évidemment, il s'agit d'un exemple d'affectation parmi d'autres.
Dans cet exemple, le plan de charge peut ainsi être mis à jour de manière
automatisée
en fonction de la consommation réelle des différentes baies.
Alternativement, on peut aussi imaginer une mise en oeuvre dans laquelle le
réajustement est réalisé de manière à privilégier la durée de vie des
onduleurs.
Cette consommation mesurée permet également au FPGA de chaque élément de
commutation d'appliquer des règles de sécurité et d'interrompre l'alimentation
d'une source
en cas de surconsommation anormale et ainsi ne pas mettre en danger le
fonctionnement
global de l'installation.
Les fichiers log de consommation permettent à l'unité centrale 30 (ou 30') de
commander deux applications :
une centralisation des consommations pour une facturation client optimisée ;
et
une optimisation du rendement global du système par une amélioration
permanente du brassage des sources.
Il est par ailleurs nécessaire de passer alternativement d'une source et/ou
d'une phase
à l'autre. Ce passage est délicat car il doit se faire dans une seule
alternance et au passage à 0
de cette dernière. De plus, il est important de ne jamais mettre en court-
circuit des phases
entre elles.
Dans cet exemple, les éléments de commutation sont des semi-conducteurs du
type
IGBT et/ou des composants électroniques du type TRIAC. La sélection de ces
éléments de
commutation (ou SWE) se fait en fonction du modèle du caisson SWU et du
courant maximal
à délivrer.
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Comme expliqué ci-dessus, ces éléments de commutation sont commandés par un
circuit de type FPGA qui garantit l'état de conduction ou non des IGBT ou des
TRIAC, et en
assure également le pilotage.
Un tel circuit assure aussi une protection en temps réel de l'installation.
En effet, en cas de surconsommation ou de court-circuit de la charge, le
circuit FPGA
permet une coupure de la source d'alimentation en quelques nanosecondes
seulement, ce qui
assure le bon fonctionnement du site dans son ensemble avec une impossibilité
d'effet
cascade.
Prendre en considération l'état des sources d'alimentation est également un
des autres
objectifs de la présente invention.
On peut considérer ici qu'une source d'alimentation se trouve dans un état de
défaillance lorsque celle-ci est en dehors des caractéristiques attendues, par
exemple
lorsqu'elle délivre une tension en dehors d'un intervalle correspondant ici à
un gabarit
prédéterminé.
En dehors de cet intervalle, la qualité de service attendue n'est pas
garantie, ce qui
peut altérer les données stockées.
Le critère de validité d'une source est basé sur l'appartenance des
différentes phases à
des gabarits.
Le respect de ces gabarits permet également de surveiller la conformité
temporelle des
phases électriques.
Il est donc prévu dans le cadre de la présente invention un module de
surveillance 40
(ou 40') qui surveille en continu lors d'une étape Si l'état de chacune des
sources
d'alimentation A, B, C et D pour détecter une éventuelle défaillance d'au
moins l'une des
sources d'alimentation A, B, C et D.
Non seulement, il faut détecter la défaillance d'au moins l'une des sources,
mais il est
également souhaitable de savoir dire laquelle est défaillante, et le cas
échéant, combien de
sources sont défaillantes. Il faut donc ici localiser les défaillances des
sources.
Cette information est ensuite transmise à l'unité centrale 30 (ou 30'), mais
aussi à tous
les éléments de commutation et ceci en temps réel.
On comprend donc ici que l'unité centrale 30 (ou 30') détermine le plan de
charge en
fonction à la fois des puissances souscrites, de la consommation des baies de
serveurs
mesurée et des états des sources A, B, C et D.
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L'unité centrale 30 (ou 30') sera également en mesure de paramétrer une
décision
adaptée en cas de détection d'une surconsommation d'une baie de serveur.
Par exemple, on peut prévoir une interruption S2' d'une sortie SWE alimentant
une
baie en cas de détection d'une consommation anormale de ladite baie (par
exemple
strictement supérieure à 150 % de sa puissance souscrite maximale).
Le brassage dynamique prend donc en considération à la fois les consommations
effectives de chacune des baies de serveurs et l'état de chacune des sources
d'alimentation, ce
qui permet d'améliorer de façon significative l'efficacité énergétique du
datacenter.
Grâce à ce brassage dynamique, on dispose ainsi d'un système permettant de
sélectionner à chaque instant quelle source d'alimentation alimente quelle
baie de serveur.
Un tel brassage permet alors d'augmenter considérablement le taux de
disponibilité
des serveurs.
Ceci permet également de garantir en temps réel le rééquilibrage des charges
de
phases au sein de chaque source énergétique.
Il devient par ailleurs possible de charger différemment les sources entre
elles afin de
les placer individuellement à des points de rendements optimaux.
On sait de plus qu'une source triphasée dispose d'un meilleur rendement dans
le cas
où ses phases sont équilibrées (consommation équivalente sur les différentes
phases).
Les caissons SWU étant de plusieurs types et fonction des technologies de
serveur
utilisées, il est prévu dans le cadre de la présente invention d'avoir dans
une même armoire
de distribution 100 des caissons 10 et 20 desservants du monophasé, du
triphasé ou du
tétraphasé.
L'objectif de cette phase d'optimisation est de répartir les différentes
charges sur les
sources dans le but d'optimiser le rendement des onduleurs en se plaçant à
leur rendement
maximum et également en équilibrant au maximum les phases de chaque source.
Le brassage dynamique du switch de puissance permet cette optimisation au fur
et à
mesure de l'évolution de consommation des baies.
Le rendement n'est donc plus subi et imposé par le brassage initial. Les
affectations
nominales peuvent alors être mises à jour en fonction des consommations
instantanées des
baies.
Ainsi, dans le cadre de la présente invention, on dispose d'un système 200
capable de
gérer plusieurs sources d'alimentation A, B, C et D dynamiquement.
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Grâce au brassage dynamique des baies sur les sources, il devient possible de
réassigner la prise correspondante sur une autre source disponible.
La baie de serveurs concernée préserve ainsi sa redondance.
On augmente de cette façon la disponibilité des serveurs qui sont désormais
capables
de résister à la défaillance des sources.
Il faut bien sûr veiller à ce que le dimensionnement des sources reste adapté
au
nombre de serveurs : en effet, chaque source doit être capable de desservir à
elle seule
l'ensemble des serveurs.
Il est également envisageable d'avoir une granulométrie plus fine dans la
distribution
de l'alimentation électrique grâce à la présence d'un PDU (pour Power
Distribution
Unit ).
Un tel module (non représenté ici) permet de gérer les qualités de service à
l'échelle
des serveurs et non à l'échelle des baies.
Le système 200 selon la présente invention a donc vocation de surveiller et
d'ordonner le trafic électrique.
Par principe, il est capable de remonter les consommations électriques de
chaque
serveur et de chaque baie de serveur. Cela permet d'éviter l'installation
onéreuse d'un
système de comptage dédié, et facilite grandement la tâche de l'exploitant du
datacenter.
En effet, l'ensemble de la gestion électrique devient centralisée sur un seul
équipement : les puissances souscrites et consommées, ainsi que les
consommations par
périodes de temps.
Le brassage dynamique proposé dans le cadre de la présente invention offre
ainsi une
grande efficacité énergétique. La capacité à mettre en exploitation une source
par un
paramétrage logiciel offre la capacité à installer ces sources progressivement
et non dès la
livraison du datacenter.
Par exemple, en début de vie d'un datacenter, il est courant que celui-ci soit
sous-
chargé, et ne justifie pas toutes ses sources.
Outre le gain financier en termes d'investissement, cela permet surtout
d'avoir des
équipements fonctionnant à des régimes suffisants pour avoir un bon rendement.
La solution de brassage dynamique proposée dans le cadre de la présente
invention
présente ainsi notamment les avantages suivants :
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une valorisation de la capacité de backup du site (extension de 50 % de la
capacité) ;
une amélioration de l'efficacité énergétique du site (optimisation du PUE) ;
une simplification du suivi des consommations des abonnés ;
une suppression de la nécessité de surveiller à la main le capacity
planning ;
une suppression de la nécessité de rebrasser régulièrement les postes clients
sur les sources ;
amélioration de la fiabilité globale de la distribution énergétique, en
permettant
la réattribution dynamique des serveurs connectés à une source défaillante
vers
une autre source valide.
Il devra être observé que cette description détaillée porte sur un exemple de
réalisation
particulier de la présente invention, mais qu'en aucun cas cette description
ne revêt un
quelconque caractère limitatif à l'objet de l'invention ; bien au contraire,
elle a pour objectif
d'ôter toute éventuelle imprécision ou toute mauvaise interprétation des
revendications qui
suivent.
Il devra également être observé que les signes de références mis entre
parenthèses
dans les revendications qui suivent ne présentent en aucun cas un caractère
limitatif ; ces
signes ont pour seul but d'améliorer l'intelligibilité et la compréhension des
revendications
qui suivent ainsi que la portée de la protection recherchée.
