Object-oriented modelling of data centre servers for local controls and system level studies

The main issue with the data centres is the tremendous amount of energy con- sumed ranging from a few kW for a rack of servers in a closet to several tens of MW for large facilities. Some facilities have power densities more than 100 times that of a typical o ce building .It can be estimated from the fact, that at present, in United States, it takes 34 power plants, each capable of producing 500 MW of electricity, to power all the data centres in operation and by 2020, the nation will need another 17 similarly sized power plants to meet projected data centre energy demands as economic activity becomes increasingly digital. More generally in a large data centre, the amount of electricity needed to run it is similar to that of a small town. The major aspect to be understood in this context is the main consumers of energy in a Data Centre.There are two main sinkers of energy, rstly the power needed to run the servers and secondly the power needed to cool them down as the temperature increase caused by the high energy consumption can prove fatal to the life of servers and lead to ine ciencies in carrying out the commands that are to be executed by the servers. Another added burden is due to the need of redundancy of all these equipments to save the data centre from complete shutdown in case of some interruption, as the complete shutdown just for a short while can lead to the loss of billions of dollars. In recent years, a lot has been done by the computer science eld using method- ologies such as Dynamic Voltage Frequency Scaling (DVFS) and other techniques but not much has been done from the point of view of system modelling and application of classical control techniques for the optimization of energy and tem- perature control at local as well as central level. The main objective of the thesis was to develop system models at the server levels taking into account all the im- portant aspects such as number of instructions to be executed, DVFS and the energy consumed. It was followed by its temperature control by implementation of the discrete event controller which was successfully achieved. Furthermore, the the complex modelling of the racks and hot and cold aisles using the basic principles of thermodynamics was carried and then integrated to form a complete model of the data centre. This thesis is part of a long-time research, aimed at an integrated control of the data centre machines, and the air conditioning system. A previous thesis [1] addressed the modelling of air ow and conditioning, having however the servers just described as exogenous sources of thermal power. This permitted to set up some system-level control, including a very simple load re-allocation mechanism, but not to appreciate realistically enough the consequences of said control on the behaviour of the single server as for the accomplishment of its computational demand. This work, on the contrary, focuses on describing the server with the simplest model capable of ful lling the need just mentioned, and previously left open. The usefulness of the proposed model for the intended purpose is demonstrated by employing that model to set up local controls for the servers' thermal behaviour. The integration with previous results, so as to obtain a complete data centre model, is left to future works. nonetheless, the simulation performance of the proposed models is high enough to allow to state that its use for \large-scale" system-level studies will be successful.

Un elemento importante della gestione dei data centre e il loro gande consumo energetico, che pu o variare da pochi kW per un singolo rack di server no a diverse decine di MW per grandi installazioni. Alcuni data centre hanno densit a di potenza superiori di 100 volte quella di un tipico edi cio per u ci. Per esempio, dal momento che attualmente negli Stati Uniti ci vogliono 34 centrali elettriche, ognuna in grado di produrre 500 MW di potenza, per alientare tutti i data center in funzione, e dato che entro il 2020 la nazione avr a bisogno di altri 17 impianti di dimensioni simili per soddisfare la domanda di energia prevista per i data centre di futura installazione, poich e le attivit a economiche diverranno sempre pi u digitali. Pi u in generale, in un grande data centre, la quantit a di energia elettrica necessaria al suo funzionamento e simile a quella di una piccola citt a. L'aspetto principale da considerare in questo contesto consiste nel comrpendere e analizzare quali sono i principali consumatori di energia in un data centre. A tal proposito due sono i principali consumi di energia, in primo luogo la potenza necessaria per far funzionare i server e in secondo luogo la potenza necessaria per ra reddarli, dal momento che l'aumento di temperatura causato dall'elevato consumo energetico pu o rivelarsi fatale per la vita del server e portare a ine cienze nello svolgimento dei compiti che esso deve eseguire. Un'altra di colt a viene dalla necessit a di ridondanza di tutti queste apparecchiature, per salvaguardarere il data centre da un completo shutdown in caso di interruzione di alcuni servizi, visto che l'arresto completo solo per un breve periodo pu o portare alla perdita di miliardi di dollari. Negli ultimi anni, molto e stato fatto dal settore informatico utilizzando meto- dologie come Dynamic Voltage Frequency Scaling (DVFS) e altre tecniche, ma non altrettanto e stato fatto dal punto di vista della modellazione del sistema e dell'applicazione di tecniche di controllo classiche per la ottimizzazione del con- trollo dell'energia e della temperatura sia a livello locale che a livello centrale. Il principale obiettivo della tesi e quello di sviluppare modelli di sistema a livello di server, tenendo conto di tutti gli aspetti importanti quali il numero di istruzioni da eseguire, la gestione del DVFS e l'energia consumata. Tale obiettivo e seguito dall'implementazione di un controllo di temperatura centrato su un regolatore event-based, che e stato realizzato con successo. Questa tesi e parte di una ricerca di lungo periodo, volta a un controllo in- tegrato delle macchine del data center e dell'impianto di climatizzazione. Una tesi precedente [1] ha a rontato la modellazione dei ussi d'aria e del condizionamento, descrivendo tuttavia i server come fonti esogene di potenza termica. Ci o ha consentito di delineare delle strategie di controllo a livello di sistema, com- prendendo un meccanismo molto semplice di riallocazione del carico, ma non di apprezzare abbastanza realisticamente le conseguenze di tale controllo sul com- portamento del server singolo quanto al soddisfacimento della sua domanda di carico computazionale. Questo lavoro, al contrario, si concentra sulla descrizione del server con il modello pi u semplice in grado di soddisfare la necessit a appena citata, e precedentemente lasciata aperta. L'utilit a del modello proposto per lo scopo sopra descritto e dimostrata utiliz- zando quel modello per mettere a punto dei controlli locali per il comportamento termico dei server. L'integrazione con risultati precedenti, cos da ottenere un modello completo del data centre, e lasciato a lavori futuri. Tuttavia, le prestazioni di simulazione dei modelli proposti sono su cientemente elevate da permettere di a ermare che il loro uso per studi `large-scale" a livello di sistema avr a successo.