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Page 1: RESUMEN - ua

I

Page 2: RESUMEN - ua

II

RESUMEN

En una sociedad cada vez más dependiente de la tecnología, los objetivos

propuestos por los países para reducir las emisiones de gases contaminantes cada

vez son más difíciles de conseguir. Adoptar medidas que contribuyan con la

eficiencia energética, a la par que se promueve el uso de fuentes de energía

renovables es una necesidad actual. Las TIC, como amplio consumidor energía

debe contribuir con dicho propósito, por lo que resulta necesaria la promoción,

desarrollo y adopción de la computación verde en todos los campos posibles.

La modelación del consumo de energía en un centro de datos es crucial para

determinar posibles impactos negativos o descubrir oportunidades que permitan

alcanzar una mayor eficiencia energética. El proceso de modelación del

comportamiento de todos los elementos que forman parte de un centro de

procesamiento de datos es complejo y amplio, por lo que este trabajo abarco el

modelado del consumo de los procesadores de los servidores.

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III

AGRADECIMIENTOS

Mi más sincero agradecimiento a los profesores Higinio Mora Mora por su

colaboración y paciencia en la preparación de este manuscrito. Además, un

agradecimiento a todos los integrantes del consejo escolar por sus valiosos

comentarios, y a la Universidad de Alicante en general.

Agradecimiento a mis amigos, que aun estando lejos siempre me han tenido

presente y me han dado las fuerzas finales para terminar.

A mi familia, le doy las gracias por la oportunidad.

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IV

DEDICATORIA

A mi familia y amigos:

Gracias por el apoyo

Page 5: RESUMEN - ua

V

TABLA DE CONTENIDO Resumen II

Agradecimientos III

Dedicatoria IV

Índice de Figuras VI

Índice de Tablas VII

1 Introducción 1

2 Motivación 2

3 Objetivos 4

4 Marco Teórico 4

4.1 Energía 8

4.1.1 Energía Eléctrica 8

4.1.2 Eficiencia y Ahorro Energético 9

4.1.3 Supervisión del Consumo Energético 10

4.2 Conclusiones del Capítulo 11

5 Gestión Energética 12

5.1 Gestión Energética de un Ordenador 12

5.1.1 Modelo de Consumo de un Ordenador 14

5.1.2 Gestión Energética de un Computador 15

5.2 Gestión Energética en un Centro de Procesamiento de Datos (CPD) 15

5.2.1 Computación en la Nube 17

5.2.2 Consumo energético 19

5.2.3 Modelo de Consumo de la Nube 21

5.2.4 Análisis de los Componentes que Influyen En El Consumo 22

5.3 Conclusiones del Capítulo 29

6 Modelo de Eficiencia Energética para Procesadores 30

6.1 Modelos De Eficiencia Energética Publicados 30

6.1.1 Comparación entre los Modelos de Potencia de la CPU 32

6.2 Modelo De Consumo 34

6.2.1 Control Dinámico de la Potencia 35

6.3 Propuesta de Modelo de Consumo 36

6.4 Conclusiones del Capítulo 37

7 Conclusiones 37

8 Recomendaciones y Trabajos Futuros 38

9 Anexos 39

9.1 Anexo 1: Datos Sobre Energía y Medio Ambiente 39

9.2 Anexo 2: Producción de Energía 40

9.3 Anexo 3: Métricas de Eficiencia Energética 41

9.3.1 Eficiencia de Uso de la Potencia, PUE 41

9.3.2 Eficiencia de la Infraestructura del CPD, DCiE 43

9.3.3 Indicador de Rendimiento, Pi 43

9.3.4 Otras Métricas 44

10 Referencias 46

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VI

ÍNDICE DE FIGURAS

Figura 1. Diferencias de temperatura en racks. The Green Grid (ref 148) ................................... 25

Figura 2. Energía. Estadísticas 6 de mayo de 2018. (Worldometers info, 2018) .......................... 39

Figura 3. Medio Ambiente. Estadísticas 6 de mayo de 2018. (Worldometers info, 2018) .......... 39

Figura 4. Producción de energía eléctrica en la península.(Red Eléctrica de España, 2017) ..... 40

Figura 5. Diagrama del indicador PI (Seymour, 2016) .................................................................. 44

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VII

ÍNDICE DE TABLAS

Tabla 1. Objetivos energéticos de la Unión Europea hasta el 2050. ............................................... 9

Tabla 2. Tier. Características principales. ....................................................................................... 20

Tabla 3. Características del modelo lineal de consumo del procesador. ..................................... 33

Tabla 4. Características del modelo cuadrático de consumo del procesador.............................. 33

Tabla 5. Características del modelo cúbico de consumo del procesador. ................................... 33

Tabla 6. Características del modelo polinomial de consumo del procesador. ............................ 33

Tabla 7. Características del modelo interpolación lineal de consumo del procesador. ............. 33

Tabla 8. Características de los modelos para servidores que soportan DVFS ............................ 33

Tabla 9. Producción de energía eléctrica en la península (Red Eléctrica de España, 2017) ....... 40

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1

1 INTRODUCCIÓN

La tecnología siempre ha provocado cambios en el comportamiento social. El

telégrafo, la radio, la televisión, el cinematógrafo, la imprenta y otros aparatos

transformaron las formas de comunicación y entretenimiento. Los medios de

transporte evolucionaron y rompieron las barreras geográficas que en su tiempo

existían. La electricidad industrial permitió el desarrollo de los equipos

electrodomésticos. La producción en serie sustituyó la artesanal. Los satélites,

ordenadores e internet revolucionaron el mundo de las telecomunicaciones y

acortaron aún más las distancias.

En otras palabras, gracias al desarrollo tecnológico el hombre ha sido capaz de:

realizar tareas cotidianas y cálculos complejos con un mínimo de esfuerzo, cruzar

océanos, conquistar el aire, visitar el espacio y llegar a la luna.

En la actualidad, las nuevas tecnologías han permitido transformaciones en los

arquetipos en la atención y experiencia de usuario; así como la aparición de nuevos

modelos de trabajo (teletrabajo), negocio (comercio electrónico) y compra (mobile

commerce). El paso de la conexión cableada a la inalámbrica de altas velocidades ha

convertido al teléfono en un pequeño ordenador móvil que ha incursionado en

sectores como: el empresarial, comercio, salud, educación, y otros. La robótica ha

evolucionado de tal manera, que ya no es un sueño del futuro y se pueden

encontrar robots de servicio como Roomba, vehículos aéreos no tripulados - o

drones - de usos profesionales o doméstico, asistentes personales como Alexa

Echo, e incluso desarrollando labores en el servicio de hostelería como Churi-chan.

La impresión clásica (aquella realizada sobre papel principalmente) ha dado paso

a la impresión de modelos físicos tridimensionales, alcanzando un importante

impacto en diversos ámbitos gracias a la facilidad para obtener prototipos,

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2

reconstruir objetos, crear réplicas o casi cualquier objeto que se pueda diseñar en

un ordenador utilizando herramientas de modelado en 3D.

2 MOTIVACIÓN

Sin embargo, los avances tecnológicos conllevan una responsabilidad social,

económica y política. El desarrollo, como consecuencia de la industrialización,

migración excesiva y otros factores, ha conllevado a una sobre - explotación de los

recursos del planeta y, por ende, al reforzamiento de diversos problemas

ambientales como la contaminación (presencia en un entorno de materia, sustancia

o energía que causa efectos negativos y altera las condiciones normales del

ecosistema en que se encuentra). Entre las formas de contaminación relacionadas

con las tecnologías se pueden mencionar:

• la contaminación atmosférica por la liberación de sustancias y gases;

• el aumento de basura espacial debido a objetos artificiales (como satélites)

sin utilidad que orbitan alrededor del planeta;

• el aumento de la chatarra electrónica (se calcula que anualmente cerca de

50 millones de toneladas de equipos electrónicos son desechados);

• la contaminación electromagnética debido a las radiaciones que emiten los

equipos de telefonía y electrónicos en general;

• y la degradabilidad, ya que sustancias como el plomo y el mercurio

(presentes en desechos electrónicos) no son degradables, mientras otros

materiales como el plástico, son de degradación lenta (se habla de décadas).

Aunque no existe un consenso sobre los efectos del calentamiento global, lo cierto

es que cada vez más científicos coinciden en la influencia que la actividad humana

ha tenido sobre el cambio climático en las últimas décadas. Para atenuar esta

situación, en todo el mundo se dedican recursos para determinar las acciones que

tienen un impacto ambiental perjudicial. Cada vez más, empresas y

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3

organizaciones sienten la necesidad de desarrollar iniciativas que permitan

convivir de forma sostenible con el medioambiente. Lograr una evaluación de los

posibles daños a la naturaleza permitirá el control de posibles efectos negativos.

Además, se podrán tomar medidas para mitigar dichas consecuencias y con ello,

mejorar la calidad de vida de las personas.

Se estima que en lo que va de año se han emitido a la atmósfera más de

13.532.301.183 de dióxido de carbono (CO2) y el petróleo que ha sido extraído de

las reservas existentes supera los 76.000.000 barriles. En otras palabras, la energía

consumida sobrepasa los 300.000.000 mWh, de los cuales más del 80% proviene de

fuentes no renovables (Anexo 1). La dependencia en los combustibles fósiles, unido

a un ritmo de explotación mayor del tiempo necesario para su producción,

resultará en el agotamiento de este recurso. Además, la desigual distribución

geográfica de los yacimientos acarrea problemas sociales que se agravarán a la par

que empiece a escasear. Por otra parte, uno de los resultados de la quema de este

tipo de combustible es la emisión de diferentes sustancias químicas que provocan

un aumento en la acidificación de las aguas que caen en forma de precipitación

(lluvias ácidas) y variaciones en la capacidad de la atmosfera de retener el calor

(alteración del efecto invernadero) dando lugar a la subida en varios grados de la

temperatura media del planeta (calentamiento global).

En el área de la informática y las telecomunicaciones, el alto número de

infraestructuras necesarias para dar soporte a los servicios solicitados por los

diversos dispositivos electrónicos con los que se cuenta para la gestión y acceso a

la información ha provocado un alza en el consumo eléctrico (Ferrer, 2009)

(Bawden, 2016) (Morales, 2017). Estudios de la consultora Gartner han demostrado

el alto volumen de gas carbónico resultante de las infraestructuras de TI (Gartner,

2007). Por tanto, este sector como amplio impulsor y desarrollador de nuevas

tecnologías, en los últimos tiempos se ha dedicado a buscar y adoptar soluciones

ambientalistas sin que estas afecten el rendimiento o calidad en los servicios. Sin

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4

embargo, se puede afirmar que dichas medidas son insuficientes, sobre todo al

considerar que las necesidades informáticas van en aumento.

La computación en la nube se perfila, desde un principio, como una política para

disminuir el consumo energético. No obstante, la necesidad de crear centros de

datos de gran tamaño y sostenibles con los principios antes señalados plantea, para

la industria y el área académica, retos de interés.

3 OBJETIVOS

Teniendo en cuenta lo antes expuesto, en este trabajo se pretende abordar algunos

temas de interés referentes con la computación en la nube y su uso de la energía.

Para ello, se proponen los siguientes objetivos:

• Realizar un estudio sobre el consumo energético de los centros de datos.

• Realizar un estudio sobre modelos de eficiencia energética en entornos cloud

computing.

• Desarrollar una propuesta de modelo energético para entornos cloud computing.

4 MARCO TEÓRICO

Bajo la premisa de eficiencia y sostenibilidad surge la computación verde (Green

IT). Según (I. Ahmad & Ranka, 2012) la computación verde, también llamada

computación sostenible, no es más que el estudio e implementación de buenas

prácticas de manera que permita utilizar de forma eficiente los recursos de TI. Para

esto, propone procedimientos centrados en: la disminución del consumo de

energía y recursos, la disminución de contaminantes y la reducción de residuos

mediante el reciclaje, afectando un conjunto de objetivos económico, ecológico y

social (ONU, 2017) de carácter mundial. Las técnicas pueden ir desde la

virtualización (Pandi, 2016) (Y. Yang, Chang, Liu, & Li, 2017), nuevas estrategias

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5

de gestión de energía (W. Ahmad, Hölzenspies, Stoelinga, & van de Pol, 2015) o

de la red celular (Alsharif, Nordin, & Ismail, 2017), hasta la vincular tecnologías

emergentes (Sarkar & Misra, 2016). (McWhorter & Delello, 2015) publican un

análisis sobre distintas tendencias tecnológicas que pueden promover una

computación sostenible.

Otra consecuencia del desarrollo tecnológico es el aumento de datos heterogéneos

que circulan por la red. Entre una de sus causas se encuentra el Internet de las

Cosas (Internet of Things, IoT), que no es más que la conexión de objetos con la red.

Para lograr esto, el sistema de identificación de radiofrecuencia (radio frequency

identification, RFID), las redes de sensores inalámbricos (WSN) y las redes de

sensores RFID (Atzori, Iera, & Morabito, 2010) juegan un papel importante.

(Gubbi, Buyya, Marusic, & Palaniswami, 2013) propone una definición en la que

evita las restricciones presentes en varios conceptos de referencia.

Aunque esta idea puede parecer que surgió en los últimos años, lo cierto es que en

la década del 80 ya se hablaba sobre dispositivos conectados a Internet (Madakam,

Ramaswamy, & Tripathi, 2015). En los 90, la visión de Weiser sobre computación

ubicua sienta las bases de la visión contemporánea de la IoT; Reza Raji habla sobre

la transmisión de paquetes de datos a un conjunto de nodos con el objetivo de

automatizar todo (Raji, 1994); Bill Joy habla sobre la comunicación dispositivo a

dispositivo (D2D) como parte de su taxonomía para Internet llamada “Seis Webs”

(Pontin, 2005); y Kevin Ashton, en el marco del Auto-ID Center del MIT, presenta

el término de manera formal (Gubbi et al., 2013). Algunos ejemplos de sistemas

que podemos encontrar en la actualidad son: Philips Hue1, Nest Thermostat2,

AddWash y Samsung Smart TV3 y Kevo4.

1 www2.meethue.com/es-mx 2 https://nest.com 3 www.samsung.com 4 www.kwikset.com

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6

Dentro de este campo, la Universidad de Alicante (UA) ha propuesto tres marcos:

uno para la detección de intruso gracias a la integración de la nube con recursos

móviles (Colom, Gil, Mora, Volckaert, & Jimeno, 2018), otro para monitorear

señales biomédicas (Mora, Gil, Terol, Azorín, & Szymanski, 2017) y un tercero que

permite un modelo colaborativo al distribuir el cálculo entre diversos objetos de

IoT (Colom, Mora, Gil, & Signes-Pont, 2017). Además, han desarrollado un modelo

de cálculo que permite distribuir la carga de trabajo en sistemas ciber-físicos (cyber-

physical system, CPS) (Lee, 2008), minimizando los costos informáticos (Mora,

Colom, Gil, & Jimeno-Morenilla, 2017) . Este tipo de sistemas van un paso más lejos

de la IoT, ya que no solo conectan objetos, sino que los dotan de capacidades

informáticas y de comunicación, permitiendo un diseño de redes de elementos con

capacidad de interacción entre ellos.

A la par del incremento de datos, surge la necesidad de que estos sean

almacenados, procesados y analizados para obtener información útil en tiempo

real, dando paso a lo que se conoce como Big Data. Las aplicaciones comunes de

procesamiento de datos no permiten llevar a cabo proyectos de esta índole, ya que

la combinación de datos estructurados y no estructurados (la recolección de datos

puede provenir de muchas fuentes, impulsado principalmente por el desarrollo de

la IoT), así como petabytes (1015) o exabytes (1018) de datos a analizar en tiempos

relativamente cortos, lo convierten en un proceso complejo que necesita recursos

considerables. El sector de la energía, por ejemplo, genera grandes volúmenes de

datos gracias a la utilización de la smart grid, por lo que varias investigaciones se

dedican al papel que puede jugar el big data en la eficiencia energética (Jiang,

Wang, Wang, Gao, & Zhang, 2016) (Zhou, Fu, & Yang, 20162016) (Diamantoulakis,

Kapinas, & Karagiannidis, 2015) y los desafíos al gestionar la energía de forma

dinámica (Chou, Ngo, Chong, & Gibson Jr., 2016).

Como solución a la necesidad de recursos del big data, se plantea la adopción de

soluciones tecnológicas que han emergido y cobrado fuerza en los últimos años: la

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7

nube (cloud computing, CC) (Hashem et al., 2015) y la computación de borde (mobile

cloud computing, MCC) (Baccarelli et al., 2016) (Tawalbeh, Bakheder, & Song, 2016).

Bajo esta perspectiva, Chang y Wills presentaron una comparación del

rendimiento de sistemas biomédicos en entornos CC y no CC (Chang & Wills,

20162016). Por otra parte, es indiscutible las ventajas que trae la nube (Botta, de

Donato, Persico, & Pescapé, 2016) y la computación de borde como modelos

impulsores de la IoT (Bonomi, Milito, Zhu, & Addepalli, 2012) (Dastjerdi & Buyya,

2016). Díaz publica un estado del arte de los componentes de integración entre los

entornos de la nube y middleware IoT (Díaz, Martín, & Rubio, 2016). No obstante,

esta relación también conlleva un impacto medioambiental (González, García,

Gallego, Sastoque, & Ramírez, 2016) (Asensio, 2016) .

En los últimos años, los estudios para minimizar el gasto de energía en los centros

de datos han abarcado un amplio espectro de áreas, analizando: desde la

viabilidad de diseños ecológicos para servidores (Polverini & Tosoratti, 2016);

control de la temperatura mediante la gestión de enfriamiento al determinar la

velocidad del ventilador del servidor (Zapater et al., 2015) o mediante la selección

de un sistema de refrigeración que permita asegurar una adecuada temperatura

ambiente de entrada (Sahini et al., 2017); reducir el consumo de energía en las redes

(Prathibha, Latha, & Sumathi, 2016); soluciones energéticamente eficientes como

(Cao et al., 2017); la gestión de la energía, ya sea dinámica y en dependencia de la

carga de trabajo (Li, 2016), o mediante el uso de un sistema que controle todo el

centro de datos como (Wu et al., 2016); e incluso, el papel del controlador de

eficiencia energética en los centros de datos (Shuja et al., 2016).

Otros se han centrado en la programación como medio de influir en la eficiencia

energética. Como resultado, se han llegado a proponer soluciones como:

transformaciones de bucle anidado de dos niveles que permitan separar

limitaciones de recursos (K. Yang, Wang, Zhou, & Yoshimura, 2017); selección de

host para máquinas virtuales en función del ahorro energético utilizando

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Simulated Annealing (Sen, Talukder, & Iqbal, 2016); administración de

subprocesos de E/S, basado también en el perfil de eficiencia energética (Qian et

al., 2017); el uso de algoritmos que permitan tomar varias decisiones de manera

conjunta (Mao, Zhang, & Letaief, 2016), asignar tareas a las máquinas virtuales.

4.1 Energía

Dentro del entorno social, tecnológico y económico, la energía es un recurso

natural (primario o derivado) utilizado como soporte en la producción de bienes y

servicios como: transporte, iluminación, refrigeración, calefacción, y otros. Para su

uso, en la mayoría de los casos, los recursos energéticos deben extraerse,

procesarse, transportarse y distribuirse. Entre los diferentes tipos que existen, la

energía eléctrica destaca como la preferida para el apoyo a las diversas actividades

económicas.

4.1.1 ENERGÍA ELÉCTRICA

La energía eléctrica no es más que la diferencia de potencial entre dos puntos que

permiten la aparición de una corriente eléctrica (flujo de electrones a través de un

material conductor). La diferencia de potencial, también llamada tensión o voltaje,

es la cantidad de energía que se le aplica a una carga para desplazarla hasta otro

punto en un tiempo x y su unidad de medida es el voltio (V). Dicha cantidad de

energía puede obtener desde:

• fuentes de energía renovables: son aquellas que recogen energía de recursos

que se encuentran en la naturaleza y son prácticamente inagotables. Entre

estos se pueden encontrar: el sol (energía solar), el viento (energía eólica), el

agua (energía hidráulica), y el calor del interior del planeta (energía

geotérmica).

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9

• fuentes de energía no renovables: se encuentran de forma limitada en la

naturaleza. Ejemplo de este tipo son los combustibles fósiles y la nuclear o

atómica. En el país, según las estadísticas de la Red Eléctrica de España

(REE), la principal fuente de energía es la nuclear (Anexo 2).

La UE no rige el desarrollo de las fuentes de energía de los países que la integran

(Unión Europea, 2015). No obstante, los mismos deben tener presentes las políticas

energéticas y los objetivos establecidos por la propia organización.

Objetivo 2020 2030 2050

reducir las emisiones de gases de efecto invernadero 20% 40% 80% – 95%

mejorar la eficiencia energética 20% 27% – 30%

incrementar en el uso de fuentes renovables 20% 27% Tabla 1. Objetivos energéticos de la Unión Europea hasta el 2050.

El consumo energético de los equipos electrónicos depende de su potencia y el

tiempo en funcionamiento, y su facturación se da en kilovatio hora (kWh). La

potencia no es más que la velocidad a la que se consume la energía y la unidad de

medida que le representa es el watt (W).

4.1.2 EFICIENCIA Y AHORRO ENERGÉTICO

Dificultades en la producción (efectos negativos sobre el medio ambiente) y

distribución (incapacidad para afrontar la demanda mundial y elevado coste) de

la energía, ha impuesto la necesidad de crear estrategias que permitan sacar el

máximo provecho a este recurso. Para ello, se han seguido dos premisas

fundamentales: el ahorro y la eficiencia energética. Aunque ambos términos suelen

usarse como sinónimos debido a que su objetivo de economizar recursos

energéticos es el mismo, lo cierto es que existen diferencias entre ellos.

Cuando se habla de ahorro energético se refiere al acto de apagar un equipo

encendido innecesariamente. Para lograr esto es necesario cambiar los hábitos de

consumo de las personas, obteniendo como resultado una disminución en los

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10

gastos de energía. Sin embargo, esta acción no garantiza que se mantenga la

calidad de un servicio dado. Mientras, no se puede hablar de eficiencia energética

sin tener en cuenta el desempeño y calidad en los servicios. Esta no involucra

cambios en los hábitos de los usuarios, aunque inicialmente es necesario realizar

inversiones en el ámbito tecnológico principalmente. Se puede lograr mediante

dos formas no excluyentes entre sí: maximizando el uso de determinado recurso y

minimizando la cantidad de energía necesaria al realizar cierta tarea sin

comprometer la calidad de esta. Un ejemplo de la primera es cuando se virtualizan

servidores en un CPD, y la segunda implica el uso de equipos de bajo consumo.

De lo antes expuesto se puede concluir que al hablar de ahorro energético la

responsabilidad recae sobre el usuario y es válida adoptarla en áreas donde la

tecnología no sea un punto crítico. Es decir, si el apagar determinado número de

equipos no impide que una institución cumpla con su objeto social, entonces esta

es una acción válida. En caso contrario, la eficiencia energética es una apuesta

segura, sobre todo en el sector tecnológico, dónde una elección de componentes

teniendo en cuenta su consumo es cada vez más sencillo gracias a la inclusión del

etiquetado energético. No se debe olvidar que ser eficientes energéticamente tiene

que ir de la mano con el desempeño de los equipos de TI, y garantizando la calidad

en los servicios.

4.1.3 SUPERVISIÓN DEL CONSUMO ENERGÉTICO

Hasta el momento se ha hablado del consumo y la energía. Sin embargo, ¿cómo

conocer cuánto se consume y cuándo hay que ahorrar? Existen equipos de

medición que permiten obtener lecturas de consumo. Evidentemente, realizar una

lectura en un momento determinado no da una idea real del consumo, por lo que

es necesario obtener varias mediciones separadas en períodos de tiempo y bajo

criterios establecidos. Además de obtener información más fiable, este control

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11

permitirá realizar comparaciones y detectar si es necesario aplicar medidas de

eficiencia y ahorro energético.

La acción de vigilar no es más que supervisar, la cual también permite evaluar la

efectivad de las medidas de ahorro y eficiencia (Schäppi, 2011). El proyecto

PrimeEnergyIT publicó en 2011 aspectos para tener en cuenta a la hora de realizar

la supervisión. Además, en el mismo documento definió tres niveles:

• Supervisión mínima: se realiza con equipos portátiles y de forma periódica.

• Supervisión avanzada: los datos son registrados en tiempo real gracias al

uso de equipos instalados de forma permanente.

• Supervisión de tecnología de punta: al igual que el anterior, los datos son

recogidos en tiempo real, sin embargo, aquí se encuentran presente

elementos de sistema de registro automatizados y programas con

capacidad de análisis.

Por tanto, se puede decir que la acción de supervisar es una actividad importante

para tener en cuenta en la gestión energética.

4.2 Conclusiones del capítulo

En este capítulo se ha hecho mención a distintas áreas de la computación

relacionadas con este trabajo. También se han citado algunos estudios publicados

en los últimos años, en los que se evidencia la importancia que tiene para la

comunidad científica lograr el desarrollo de productos cada vez más sostenibles.

Además, al establecer algunas definiciones relacionadas con el consumo, se ha

llegado a la conclusión de la importancia de la eficiencia energética para contribuir

a alcanzar los objetivos propuestos por la UE.

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12

5 GESTIÓN ENERGÉTICA

La gestión energética permite la implantación de sistemas para optimizar el

consumo energético, propiciando herramientas para el ahorro y eficiencia. Para

esto, se vale del análisis del consumo energético de un objetivo determinado,

permitiendo identificar oportunidades de mejoras en el mismo.

5.1 Gestión energética de un ordenador

Determinar la potencia que consume un ordenador resulta sencillo si se dispone

del instrumental adecuado (medidores de potencia que permiten conocer el

consumo real del equipo electrónico al que se encuentra asociado). La fácil

instalación de estos permite que pueda ser manejado por todo tipo de personas,

siendo apropiado para el uso doméstico. Si no se dispone de estos equipos - rara

vez se suele dedicar recursos para su adquisición - entonces pueden hacerse

cálculos o estimaciones. Algunas herramientas para llevar a cabo estos cálculos son

las calculadoras on-line como la de Calcuworld o “OuterVision® Power Supply

Calculator”, aunque la mayoría suelen dar sobre - estimaciones del consumo.

De forma genérica y resumida, se puede decir que sobre el consumo de un

ordenador influyen tres factores básicos:

• Tipo de Ordenador

Cuando se habla de tipo de ordenador pueden venir a la mente muchas

clasificaciones, y todas influyen en la cantidad de potencia que un ordenador

puede necesitar:

o tamaño y potencia: los ordenadores con gran capacidad de

procesamiento y almacenamiento, como los superordenadores,

consumirán más que los microordenadores debido a los

requerimientos de potencia de sus componentes.

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13

o marca y modelo: las empresas están obligadas a crear mecanismos

en la fabricación de componentes que les permitan obtener una

ventaja competitiva, por lo que algunas han logrado alcanzar

mejores resultados en el rendimiento de sus equipos teniendo en

cuenta el consumo energético.

o tipo de uso: un servidor multimedia, un portátil, un PC optimizado

para juegos o uno utilizado para tareas de ofimática no consumen lo

mismo. Es decir, un computador que esté realizando tareas en las

que se requiera gran potencia de cálculo o de gráfico, va a consumir

más que uno que realice funciones básicas.

• Tiempo de Uso

Todos los equipos electrónicos consumen energía mientras estén conectado al

sistema eléctrico. En el caso de los ordenadores, hay que tener presente que estos

tienen tres estados energéticos principales: encendido (on), apagado (off) y

suspendido (stand by). Para los ordenadores de sobremesa, cabe recordar que hay

que adicionar el consumo del monitor.

• Comportamiento y costumbres de los usuarios

Pensar en una oficina en la cual trabajen dos personas. Ambos trabajadores llegan

y encienden su ordenador a las 8:00 am. Una hora después, ambos empleados se

dirigen para una reunión. Al levantarse de sus asientos, uno de ellos apaga su

monitor y pone en modo suspensión su equipo, mientras el otro no realiza dichas

acciones. Evidentemente el consumo energético de ambos equipos no será igual.

No todas las personas tienen un pensamiento “verde”, por lo que los despilfarros

son situaciones comunes principalmente en las oficinas, dónde muchas veces falta

el pensamiento de pertenencia.

Si se tienen en cuenta los factores anteriores, la tarea de calcular el consumo

energético de los ordenadores en las empresas se complejiza. Sin embargo, en

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14

muchas organizaciones es sabido que dichos elementos no son tenidos en cuenta,

por lo que suelen cometerse incorrecciones que impiden obtener resultados reales

sobre el consumo. Entre los errores más comúnmente cometidos García (García,

2015) describe los siguientes: olvidar calcular el gasto de la pantalla del ordenador;

no conocer el significado de la especificación energética indicada por el fabricante

de la fuente; o multiplicar el consumo de un ordenador por el total de equipos.

5.1.1 MODELO DE CONSUMO DE UN ORDENADOR

La energía consumida (E) de un equipo electrónico depende de la potencia (P) y el

tiempo (t) que necesita para llevar a cabo una acción (i) determinada.

Matemáticamente, y de forma muy general, se puede establecer dicha relación

como se muestra en la ecuación definida en (1).

𝐸𝑖 = 𝑃 × 𝑡 (1)

En los equipos de cómputo, el tiempo para llevar a cabo un trabajo asignado va a

depender de la capacidad que tenga la máquina para realizar millones de

instrucciones por segundo (MIPS) y de la longitud de dicha tarea. Además, la

energía va a depender de los sistemas electrónicos que tenga incorporado y

participen en la ejecución de dicha acción i como: tarjeta madre, procesador,

memoria, almacenamiento (disco duro, DD), y otros (2):

𝐸𝐶𝑜𝑚𝑝𝑢𝑡𝑎𝑑𝑜𝑟 = 𝐸𝑇𝑎𝑟𝑗𝑒𝑡𝑎 𝑚𝑎𝑑𝑟𝑒 + 𝐸𝑃𝑟𝑜𝑐𝑒𝑠𝑎𝑑𝑜𝑟 + 𝐸𝑀ó𝑑𝑢𝑙𝑜𝑠 𝑑𝑒 𝑚𝑒𝑚𝑜𝑟𝑖𝑎 + 𝐸𝐷𝐷 + 𝐸𝑂𝑡𝑟𝑜𝑠 (2)

Los procesadores de los ordenadores modernos son capaces de variar el voltaje

que necesitan según su carga de trabajo, por lo que son un componente que

influyen de manera dinámica en la energía total. Mientras, el resto de los

componentes mantiene un consumo estable. Por todo esto, se puede simplificar la

ecuación anterior de la siguiente manera (3):

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15

𝐸𝐶𝑜𝑚𝑝𝑢𝑡𝑎𝑑𝑜𝑟 = 𝐸𝐸𝑙𝑒𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜 𝑑𝑒 𝑃𝑟𝑜𝑐𝑒𝑠𝑎𝑚𝑖𝑒𝑛𝑡𝑜 + 𝐸𝑆 (3)

Dónde 𝐸𝐸𝑙𝑒𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜 𝑑𝑒 𝑃𝑟𝑜𝑐𝑒𝑠𝑎𝑚𝑖𝑒𝑛𝑡𝑜 es la energía consumida por el procesador

(dinámica, como se ha explicado antes) y 𝐸𝑆 es la energía consumida por el resto

de los componentes (estática, ya que no variará).

5.1.2 GESTIÓN ENERGÉTICA DE UN COMPUTADOR

Como se mencionó anteriormente, los ordenadores tienen tres estados energéticos

principales: encendido, apagado y suspendido. Las necesidades energéticas de

cada uno de ellos pueden consultarse en las certificaciones medioambientales de

cada fabricante. No obstante, de manera general se puede decir que la diferencia

de consumo en un ordenador en estado apagado no suele diferenciarse mucho a

su consumo en estado suspendido. Por tanto, cabe evaluar en qué casos es más

conveniente apagar o suspender el equipo.

5.2 Gestión energética en un Centro de Procesamiento de Datos (CPD)

Los centros de procesamiento de datos (también llamados centros de cómputo,

cálculo o datos), son espacios físicos en los que se ubican recursos que le permiten

a una organización el procesamiento de la información necesaria para su

funcionamiento. El tamaño de dicho espacio suele ser variable. El equipamiento

informático y electrónico, por lo general suele estar diseñado de manera

redundante para garantizar continuidad del servicio en caso de fallo. Además, se

suelen implementar medidas de seguridad y mantenimiento que permitan

garantizar la fiabilidad de los datos que almacenan.

Desde hace unos años y hasta la actualidad, los CPD tradicionales están dando

lugar a los orientados al modelo de computación en la nube (5.2.1) por las ventajas

que conlleva. Sin embargo, entre los desafíos que presenta este modelo se

encuentran las cuestiones referentes a la gestión energética. La diversidad de

factores implícitos en un centro de esas características hace que el campo de

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16

investigación en ese tema sea amplio y complejo de abordar. No obstante, se han

publicado una serie de métricas que permiten evaluar que tan sostenible es, o

puede llegar a ser, este modelo (

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17

Anexo 3: Métricas de eficiencia Energética).

5.2.1 COMPUTACIÓN EN LA NUBE

(Mayevsky, 2013), recoge algunas de las definiciones más significativas que se han

publicado sobre el tema. De manera resumida, este no es más que un modelo en el

que los recursos y servicios de TI son aprovisionados a través de Internet. Para el

usuario final, ya sea una organización o persona, significa la adopción de un

modelo dinámico y elástico, en el que paga por lo que consume. Además, las

empresas al externalizar sus servicios de TI evitan las preocupaciones sobre

aspectos técnicos inherentes a la propia entidad, mejorando por ende su

funcionamiento. Evidentemente, esto conlleva transformaciones en la estructura

organizativa de TI y en el modelo de negocio de la compañía.

El National Institute of Standards and Technology (NIST) de Estados Unidos de

América considera que los actores que interactúan con la nube pueden dividirse

en cinco grupos principales:

• Consumidor: es la persona o entidad que utiliza los servicios de la nube

como resultado de un contrato comercial establecido con el proveedor de

esta.

• Proveedor: es la persona o entidad responsable de brindar los servicios a

los interesados.

• Auditor: persona o entidad, que puede ser independiente, que realiza una

evaluación sobre los servicios, sistema de información, rendimiento y

seguridad de las implementaciones de la nube.

• Operador: es un intermediario que provee conectividad y transporte de los

servicios de la nube desde los proveedores hasta los consumidores

Page 25: RESUMEN - ua

18

• Intermediario: entidad que sirve de mediador entre el proveedor y el

consumidor, así como administrar el uso, rendimiento y entrega de

servicios en la nube.

La CC se puede clasificar en tres modelos de servicios (Mell & Grance, 2011)

(Armbrust et al., 2010):

• Aplicaciones como servicio (Software as a Service, SaaS): este modelo permite

que el usuario tenga acceso a las aplicaciones que se encuentran alojadas en

la nube mediante Internet. Las aplicaciones son variadas, y van desde el

correo hasta soluciones empresariales de CRM.

• Plataforma como servicio (Platform as a Service, PaaS): este modelo ofrece

como servicio un entorno en el que los usuarios pueden crear sus propias

aplicaciones. Las herramientas proporcionadas pueden ir desde: sistema

operativo, sistema gestor de base de datos. Herramientas de diseño y

desarrollo, soporte técnico, hosting, y otras. Al igual que en el modelo

anterior, a la plataforma se accede mediante Internet.

• Infraestructura como servicio (Infrastructure as a Service, IaaS): este modelo

brinda acceso a una infraestructura de procesamiento principalmente

virtualizada. Al contratar este servicio se pueden encontrar recursos como:

espacio en servidores virtuales, ancho de banda, balanceadores de carga y

demás.

También pueden agruparse según su nivel de acceso o despliegue en:

• Privada: implantada para uso exclusivo de una organización. Puede ser

administrada por la propia empresa o por terceros.

• Pública: está abierta para todo tipo de público, por lo que usuarios

diferentes pueden compartir un mismo ordenador físico.

• Híbrida: es una combinación de los otros modelos de despliegue.

Page 26: RESUMEN - ua

19

• Comunitaria: da soporte a una comunidad con objetivos comunes, y puede

estar formada por varias organizaciones. La bibliografía actual no se hacen

eco de esta modalidad.

5.2.2 CONSUMO ENERGÉTICO

A pesar del enfoque ecológico que se la ha dado a los entornos en la nube, entre

los problemas que presenta esta infraestructura (Hameed et al., 2016) se hace

especial atención en la necesidad de reducir sus emisiones de carbono. En la

primera década del 2000, varios estudios valoraban que aproximadamente entre el

1.3% y el 2% del consumo energético a nivel mundial correspondía a los CPDs

(Möbius, Dargie, & Schill, 2014) . Además, se estimaba que el consumo aumentaría

cada año debido a las crecientes necesidades informáticas impuestas

principalmente por la IoT y el Big Data, ello a pesar de que los equipos son cada

vez más eficientes energéticamente. Por otra parte, la energía necesaria por el resto

de los elementos que forman parte de estos ecosistemas, como el sistema de

refrigeración, tienen gran influencia en el consumo energético.

Desde un punto de vista económico, desde hace más de 10 años se especula con la

idea que el precio de adquisición de un servidor puede llegar a ser inferior al del

coste de la energía y de climatización necesario para que funcione de forma

óptima. A esta conclusión es fácil llegar al analizar cómo los precios de los

servidores han ido disminuyendo mientras el coste de la electricidad aumenta (el

año 2017 fue reportado como el más caro desde el 2008 en España).

Para que el modelo de la nube sea ambientalmente sostenible, es necesario

optimizar el consumo de energía, o lo que es lo mismo, lograr estar lo más cerca

posible del valor ideal establecido por métricas como la PUE (9.3.1) o la PI (9.3.3).

Por tanto, es esencial conocer cómo se reparte el consumo de electricidad dentro

del CPD y actuar en consecuencia.

Page 27: RESUMEN - ua

20

De manera general es muy difícil evaluar el desempeño del consumo energético

de las infraestructuras de la nube. La mayor parte de la información publicada son

estimaciones generales con datos de más de una década. Otra dificultad, proviene

de la propia naturaleza de los datos de consumo, los cuales varían en dependencia

de quien los publica y de las infraestructuras de dónde son tomados, sin tener en

cuenta características como:

• ubicación geográfica: este aspecto es de vital importancia a la hora de

diseñar el sistema de enfriamiento del centro de datos. Es decir, un CPD

ubicado en una zona templada requerirá menos gastos asociados con la

climatización, que uno ubicado en una zona tropical. Debido a esto, las

grandes multinacionales de la industria están apostando por zonas como

Suecia (con su centro de inversión y desarrollo para inversores dentro del

área de la nube) (Node Pole, 2017), Irlanda (Facebook, 2017), Finlandia

(Google, 2017b). El proyecto Natick ha decidido ir un poco más lejos,

planteando la idea de centros de datos submarinos (Microsoft, 2016).

• fiabilidad del CPD: al diseñar y construir un CPD, entre las características a

tener en cuenta se halla la disponibilidad de los datos. En 2005 es publicado

el estándar TIA-942 (TIA-942, 2017), el cual establece 4 niveles (Tiers)

basados en el nivel de redundancia de los componentes del CPD para

conseguir una determinada disponibilidad. En dicho estándar se refleja que

a mayor Tier, mayor disponibilidad (Tabla 2).

Tabla 2. Tier. Características principales.

Sin embargo, aunque dichos modelos son simplistas, muchos parecen coincidir en

que la mayor carga de consumo procede de los equipos de TI (a los que les

Tier Disponibilidad (%) Características principales

Tier I 99.671 Centro de datos básico. Sin componentes redundantes.

Tier II 99.741 Presenta redundancia en sus componentes.

Tier III 99.982 Mantenimiento concurrente y simultáneo.

Tier IV 99.995 Tolerante a fallos.

Page 28: RESUMEN - ua

21

corresponde el 50% del consumo total) seguida por el sistema de enfriamiento (que

puede variar entre el 31 y 40%) (Gráfico 1). Mientras, modelos más pesimistas (o más

antiguos en el que toman como ejemplo centros de datos con un crecimiento

desestructurado y multitud de configuraciones) sugieren que el consumo de la

infraestructura supera al del equipamiento de TI (Gráfico 2). Sea uno u otro modelo,

lo cierto es que han permitido evaluar dónde se encuentran las mejores

oportunidades de ahorro. Como resultado, se han promovido medidas de

eficiencia y ahorro para los dos mayores grupos de consumo: los equipos de TI y

el sistema de enfriamiento.

5.2.3 MODELO DE CONSUMO DE LA NUBE

En el consumo de un CPD orientado a la nube influyen dos grandes grupos, según

lo visto anteriormente: el de los equipos TIC más el consumo de toda la

infraestructura creada para permitir dar soporte a los equipos TIC y prestar los

servicios. Además, se puede incluir un factor de fiabilidad (𝑇) (4).

𝐸𝐶𝑃𝐷 = 𝑇(𝐸𝐼𝑛𝑓𝑟𝑎𝑒𝑠𝑡𝑟𝑢𝑐𝑡𝑢𝑟𝑎 + 𝐸𝑇𝐼𝐶) (4)

Dónde, 𝐸𝐼𝑛𝑓𝑟𝑎𝑒𝑠𝑡𝑟𝑢𝑐𝑡𝑢𝑟𝑎 es la energía consumida por el sistema de climatización,

iluminación, SAIs y demás. Mientras 𝐸𝑇𝐼𝐶 es el consumo de los equipos

informáticos (procesamiento y almacenamiento) y redes (5):

Gráfico 1. Consumo energético de un CPD

Gráfico 2. Consumo energético de un CPD

(visión general)

50%

37%

10%3%

Equipos TI Sistema de climatización

UPS, transformadores Iluminación

36%

64%

Equipos TI Instalaciones

Page 29: RESUMEN - ua

22

𝐸𝑇𝐼𝐶 = 𝐸𝑆𝑒𝑟𝑣𝑖𝑑𝑜𝑟𝑒𝑠 + 𝐸𝐴𝑙𝑚𝑎𝑐𝑒𝑛𝑎𝑚𝑖𝑒𝑛𝑡𝑜 + 𝐸𝑅𝑒𝑑𝑒𝑠 (5)

𝐸𝑆𝑒𝑟𝑣𝑖𝑑𝑜𝑟𝑒𝑠 será la energía consumida por los n servidores del CPD, donde n es el

total de esos equipos. Dado que no todos los equipos consumen lo mismo,

matemáticamente se podría expresar mediante la expresión (6):

𝐸𝑆𝑒𝑟𝑣𝑖𝑑𝑜𝑟𝑒𝑠 = ∑ 𝐸𝑆𝑒𝑟𝑣𝑖𝑑𝑜𝑟𝑖

𝑛𝑖=1 (6)

𝐸𝐴𝑙𝑚𝑎𝑐𝑒𝑛𝑎𝑚𝑖𝑒𝑛𝑡𝑜 y 𝐸𝑅𝑒𝑑𝑒𝑠 es el consumo de los equipos dedicados al

almacenamiento y redes respectivamente.

5.2.4 ANÁLISIS DE LOS COMPONENTES QUE INFLUYEN EN EL CONSUMO

Gracias a la elaboración de los perfiles de consumo de energía, se han podido

caracterizar diferentes patrones en un sistema de infraestructura en la nube. Desde

una perspectiva generalista, se puede plantear la existencia de dos modelos

diferenciados por el papel que juegan en el CPD: infraestructura (se ubican los

recursos que permiten el funcionamiento de los equipos de TI, como el sistema de

climatización, la iluminación, los equipos necesarios para garantizar la energía

eléctrica) y el equipamiento de TI (equipos informáticos y de comunicaciones,

como servidores y los componentes de redes).

5.2.4.1 Infraestructura

Sistema de climatización

El sistema de climatización se encuentra en todo CPD, ya sea tradicional o aquellos

que dan soporte al modelo CC; ya sea pequeño, mediano o grande. Esto es debido

a que condiciones ambientales adecuadas garantizan un correcto funcionamiento

de los equipos TI. La humedad, por ejemplo, en exceso (ambiente húmedo) puede

resultar en condensación en las partes electrónicas, mientras en defecto (ambiente

seco) puede provocar que la electricidad estática dañe la información. El polvo

puede ocasionar perdidas en la capacidad de disipación del calor y dañar

Page 30: RESUMEN - ua

23

físicamente circuitos y equipos sensibles. Temperaturas elevadas afectan el

rendimiento de los equipos y acortan su vida útil. Los daños provocados por la

mala gestión de estos parámetros provocan afectación en el servicio por tiempo de

inactividad como consecuencia de las reparaciones, lo que además afecta la

economía al incurrir en gastos no planificados e incumplimientos de los SLA.

Al implementar la climatización se deben en cuenta varios conceptos. De esta

manera se podrá diseñar un sistema de enfriamiento que corresponda con la

densidad a la que operan los racks. (Nuno, Rivas, & Ares, 2006) refiere los

principios básicos de climatización y describe los rasgos técnicas y operativos que

debe tener este tipo de modelo. Entre las características que se deben manejar se

encuentran:

• Sistema para disipar el calor: sistema de aire de confort recomendado para

lugares con calor latente (presenta humedad) o sistema de aire de precisión,

efectivo contra el calor sensible (sin humedad, aire seco).

• El modo de refrigeración de los equipos:

o De expansión directa con condensador enfriado con aire

o De expansión directa con condensador enfriado con agua fría en la

torre de enfriamiento

o De doble fluido

o Con sistema free-cooling

• Selección de la forma de distribución del aire, el cual puede ser:

o Por la región del suelo técnico o falso

o Por encima de la máquina

o Mediante rejillas frontales

o Sistema Displacement

• Sistema de enfriamiento, el cual puede ser enfocado: al local o cuarto

(room), en filas o entre racks (in-row) y directa al rack.

Page 31: RESUMEN - ua

24

Según (Andaluz, 2018), de la energía requerida por el sistema de refrigeración solo

el 25% es aprovechada en lograr las temperaturas adecuadas, el resto se pierde en

calor. Por tanto, es necesario aplicar soluciones que permitan optimizar este

sistema. Las técnicas para lograr una mejora en la climatización son varias y

pueden combinarse para lograr mejores resultados. Se pueden catalogar en dos

grupos: las primeras son producto de las mejoras técnicas de los equipos, mientras

el segundo grupo va orientado a una mejora organizativa para obtener los

máximos beneficios de los recursos existentes. Dentro de este segundo grupo se

pueden encontrar: la gestión de los pasillos fríos / pasillos calientes y su evolución,

el encerramiento de estos según el tipo de aire (CACS y HACS); free-cooling;

instalación de puertas traseras de reducción de carga térmica, sellado de fugas y el

uso de placas o paneles ciegos para evitar, o disminuir, las mezclas de aire.

Una tendencia antigua era hallar en los locales donde se encontraban los servidores

configuraciones ineficientes. Las temperaturas bajas, por lo general inferiores a

22ºC, provocaban despilfarro de energía producto del trabajo innecesario de los

equipos de refrigeración. Mientras que, con las temperaturas altas prevalecía el

consumo de los ventiladores internos de los equipos. Por tanto, en la actualidad en

muchos centros de datos se adoptan los valores sugeridos por la guía de ASHRAE,

quienes recomiendan que la temperatura de entrada de aire a los equipos de TI

esté entre los 18ºC y 27ºC, e incluso sugieren que el rango de valores óptimos se

encuentra entre los 24ºC y 27ºC.

Para lograr el control de la temperatura se plantea la necesidad de instalar sensores

en varios puntos de la infraestructura, principalmente en varios de los niveles de

los racks. Esto se debe a que no en todos ellos existe la misma carga de trabajo, por

lo que pueden existir diferencias en el valor de este parámetro, incluso en un

mismo armario (Figura 1). Otro motivo para ubicar sensores cerca de los equipos TI,

es debido a que la temperatura del aire que sale del equipo de refrigeración difiere

a la de llegada a dichos equipos, la cual es la que se necesita controlar.

Page 32: RESUMEN - ua

25

Figura 1. Diferencias de temperatura en racks. The Green Grid (ref 148)

Los valores recomendados para la humedad relativa están siendo valorados en los

últimos tiempos. Hasta hace unos tres años se consideraban valores permitidos

aquellos que se encontraban en el rango entre el 20% y 80%, siendo recomendable

el intervalo entre 40% y 55%. Sin embargo, la ASHRAE ha puesto en duda este

criterio. Don Beaty ha dado a conocer que se puede llegar a operar al 8%, lo que

permitiría aumentar la temperatura en el CPD y aprovechar el aire exterior en el

proceso de refrigeración (Datacenter Dynamics, 2015) .

No obstante, al igual que en el caso de la temperatura, alcanzar los valores de

humedad relativa deseados dependerá de la eficiencia de los equipos de

climatización y de la eficacia de los sensores presentes en ellos.

Iluminación

Desde siempre el hombre ha necesitado la luz para poder ver. Al principio

utilizaba la luz del sol, y después descubrió el fuego, lo que le permitió iluminarse

por las noches. Más tarde la evolución permitió nuevas formas de transportar y

mantener el fuego, con lo que surgen los candiles, teas, velas, lámparas de aceite.

Nuevas formas de procesamiento de sustancias permitieron el desarrollo de la

iluminación con gas, la cual dio paso a la era de la iluminación eléctrica.

Page 33: RESUMEN - ua

26

Existen varios tipos de iluminación eléctrica, entre las que se pueden encontrar:

lámparas incandescentes (y su evolución: las halógenas), fluorescentes, de neón,

de vapor de sodio y las de diodos emisores de luz (LED). Debido a los principios

de funcionamiento, algunas diferencias entre ellas son: consumo eléctrico,

generación de calor, temperatura de color, costo y vida útil. Entre ellas, las más

eficientes energéticamente son las de vapor de sodio a baja presión y las que

utilizan tecnologías LED.

Consecuencia de la baja eficiencia, las lámparas incandescentes y halógenas, estas

se encuentran reguladas por los reglamentos de la UE 244/2009 (Diario Oficial de

la Unión Europea, a) y 1194/2012 (Diario Oficial de la Unión Europea, b). Las

lámparas de vapor de sodio a baja presión son utilizadas principalmente en viales

por el color naranja que emiten, y aunque son eficientes energéticamente, tienden

a distorsionar la percepción de colores.

La iluminación con lámparas LED (Nakamura, Pearton, & Fasol, 2013) es una

opción energéticamente sostenible. Este tipo de lámparas no contiene gases tóxicos

ni mercurio. La mayor parte de la potencia consumida la transforma en luz

(rendimiento luminoso de 100 lm/W), por lo que su eficiencia es bastante alta en

comparación con los otros tipos (las incandescentes pierden en calor alrededor del

85% de la potencia consumida; las fluorescentes, en dependencia de su tipo

pueden perder hasta un 50%) (Ortuño, 2016) . Además, algunas permiten regular

la intensidad de la luz. Aunque en un principio la inversión en este tipo de

tecnologías pueda ser considerada alta en comparación con los otros sistemas, a

largo plazo dicho

Otra forma de contribuir con el ahorro energética en este punto es mediante la

implantación de un sistema de control automático de iluminación. En estos

sistemas, los sensores juegan un papel primordial y pueden combinarse el uso de

tres tipos: sensor de luminosidad, sensor de presencia y sensor de movimiento.

Page 34: RESUMEN - ua

27

Aunque el ahorro que se puede obtener en el caso de la iluminación puede ir entre

1% y 3%, este no debe ser un punto para olvidar. Es decir, si se considera que a un

CPD X de Y tamaño le llega una factura mensual de 35.500€, el ahorro anual

representaría 12.780€, lo cual es una cifra a tener en cuenta.

Sistemas de alimentación y generadores

Los modelos de eficiencia energética no suelen tener en cuenta las grandes

pérdidas de electricidad que se producen al transformar la corriente alterna a

continua, o viceversa. Sin embargo, en un CPD estas transformaciones pueden

sucederse varias veces antes de llegar a los equipos para su consumo.

Los SAIs, además de permitir el funcionamiento de los equipos electrónicos en

caso de falla en el suministro eléctrico permiten filtrar subidas y bajadas de tensión

en la red y convertir la AC a CD. Sin embargo, los mayores gastos de energía se

deben a las pérdidas de conmutación en el inversor y los transformadores. La

eficiencia en estos sistemas se mide teniendo en cuenta la energía logran

transformar. Por tanto, es necesario seleccionar sistemas de alimentación

ininterrumpida, SAI (uninterruptible power supply, UPS) lo más optimizados

posibles. Según Energy Star, se pueden encontrar SAIs con un rango de eficiencia

entre el 92% y 95%, aunque algunos han reportado alcanzar eficiencias mayores.

Los centros de datos además suelen contar con generadores eléctricos de reserva.

5.2.4.2 Equipos TI

Los equipos pueden dividirse en dos grupos: servidores y equipos de redes.

Redes

La eficiencia energética de las redes en un CPD va a depender de dos factores: la

arquitectura y los equipos de redes. El consumo eficiente de los componentes

vendrá dado por su gestión energética la cual estará vinculada principalmente, con

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28

la gestión energética de los servidores o dispositivos de almacenamiento. Mientras,

en la arquitectura uno de los factores a tener en cuenta es el cableado, ya que una

correcta configuración de estos permitirá mejorar las velocidades de transmisión y

con ello, reducir el consumo relacionado con la transmisión de datos.

Otros aspectos de los que dependerá la eficiencia energética son: el ancho de

banda, la latencia, acuerdos a nivel de servicio y las aplicaciones.

Otro recurso que permite disminuir el consumo es la consolidación de diversos

dispositivos de red gracias a la técnica de virtualización. Al igual que ocurre con

los servidores, al ser virtualizada la red se logra disminuir la cantidad de

dispositivos físicos necesarios al brindar un determinado servicio. Los equipos a

los que se hace referencia no son solo aquellos relacionados con las redes, sino

también que se elimina la necesidad de fuentes de alimentación, refrigeración y

espacio en racks asociados.

Servidores

Como sucede con todos los equipos electrónicos, la eficiencia energética en

servidores ha mejorado a la par que los fabricantes de hardware han tomado

conciencia sobre la sostenibilidad y los países y empresas han establecido

directrices ecológicas. Han aparecido empresas como Energy Star, que identifican,

promueven y avalan productos con un consumo eficiente de energía. No obstante,

se pueden asumir medidas para hacer más eficientes los equipos TI ajustando sus

especificidades según las necesidades existentes. Para esto, se necesita conocer que

componentes son los que más consumen en los servidores según su carga de

trabajo.

El Dr. Schäppi estableció, como uno de los resultados del proyecto PrimeEnergyIT,

que la unidad central de procesamiento (CPU) es el elemento que más consume en

un servidor. (Rodero & Guim, 2012) también plantea que la potencia disipada por

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29

este es la mayor en comparación con los otros componentes de un ordenador

típico. Dicho consumo, depende del voltaje y de la frecuencia del reloj de la propia

CPU. El voltaje del núcleo (VCORE) es la cantidad de corriente que se le suministra a

los núcleos del procesador. Mientras, la frecuencia del reloj establece la cantidad

de veces en un segundo que un transistor puede conmutar eléctricamente. Por

tanto, no es raro pensar que al escalar la velocidad del procesador disminuyendo

su frecuencia, también se reduce la potencia y, por ende, el calor generado. Sin

embargo, se ha de tener presente que estas reducciones también influirán sobre el

rendimiento del equipo, por lo que es necesario probar como pueden afectar las

configuraciones en los sistemas de entorno crítico especialmente.

Rodero en su documento como apoyo docente en la Universitat Oberta de Catalunya,

dónde explica algunas características y definiciones del consumo energético a nivel

de circuitos. Además, se definen dos grupos de clasificación de las estrategias de

gestión energética en circuitos como la CPU:

• Apagado dinámico de recursos: técnica que permite a los componentes que

no están siendo utilizados pasar a estados de menor consumo, hasta ser

necesarios por el sistema. Para el caso de los procesadores, la Advanced

Configuration and Power Interface (ACPI) ha declarado varios estados

(Unified EFI Forum, 2017) soportados por los sistemas operativos comunes.

• Escalado dinámico: permite reducir o incrementar la potencia de un

componente, el CPU en este caso, mediante la variación dinámica del

voltaje y la frecuencia (6.2.1).

5.3 Conclusiones del capítulo

En este capítulo se ha analizado el consumo energético en centros de datos y de los

sistemas que lo integran. Como resultado, se obtuvieron patrones que permitieron

identificar al sistema de climatización y al equipamiento de TI, como las áreas que

más influyen en el consumo y, por ende, las principales en las que las que se

pueden obtener mayores resultados de eficiencia energética. Sin embargo, los

Page 37: RESUMEN - ua

30

datos que sirvieron como base para el estudio son obsoletos y muchos parecen

tener una procedencia en común. Como resultado, las representaciones del sistema

de climatización no representan su comportamiento real actual, al no considerar

los cambios de comportamiento de los CPD a pesar de que muchos adoptan las

configuraciones promovidas por ASHRAE, diferentes técnicas que mejoran los

flujos de aire y los avances en los equipos de refrigeración.

Debido a esto, y unido a la falta de publicaciones actuales con datos reales del

comportamiento del consumo en un CPD, se ha llegado a la conclusión de centrar

la investigación en cómo disminuir el consumo eléctrico de los servidores

mediante la gestión del microprocesador. Además, el equipamiento TI es una

variable que se reformará, en función de la demanda, con mayor frecuencia que

los equipos de refrigeración.

6 MODELO DE EFICIENCIA ENERGÉTICA PARA

PROCESADORES

6.1 Modelos de eficiencia energética publicados

La necesidad de gestionar la energía en el sector de las TIC, han promovido el

desarrollo de diversas investigaciones, algunas mencionadas anteriormente y

otras analizadas en (Mastelic & Brandic, 2015). Además, se han dado a conocer

varios modelos que permiten gestionar el consumo energético en servidores. Entre

ellos, se presentarán los que se consideren de interés para el desarrollo de este

trabajo, prestando especial interés a los modelos de potencia de procesadores.

(Husain Bohra & Chaudhary, 2010) presenta la correlación entre el consumo total

de energía del sistema y la utilización de recursos como: la CPU, la caché, el disco

y la memoria, para desarrollar su modelo VMeter. (Sarji, Ghali, Chehab, & Kayssi,

2011) propone dos modelos basados en la migración de máquinas virtuales y

basados en análisis estadístico: el primer modelo plantea el apagado del servidor

Page 38: RESUMEN - ua

31

inactivo resultante de la migración, mientras el segundo propone dejarlo en estado

de suspensión. Evidentemente, la diferencia entre ambas propuestas radica en la

energía y tiempo necesarios para poner el servidor en estado operativo. (Bi et al.,

2017) también presenta dos modelos analíticos que consideran la capacidad de

procesamiento de la CPU: uno para calcular beneficios en un centro de datos de

nube virtualizado y otro de sistema probabilístico para tratar estados no

estacionarios. (Lin et al., 2017) estima la eficiencia energética bajo diferentes niveles

de carga de trabajo con un error del 3%, para lo cual combina modelos de

rendimiento y potencia del servidor. Mientras, (Juarez, Ejarque, & Badia, 2018)

calcula el consumo resultante de ejecutar una determinada aplicación

proponiendo, además, una metodología que permite determinar los diferentes

perfiles de potencia involucrados. (Makaratzis, Giannoutakis, & Tzovaras, 2018)

examina las herramientas de simulación de código abierto más utilizadas,

centrándose en las métricas y modelos que permiten simular un determinado

comportamiento de la infraestructura de nube. Para cada simulador se describen

los modelos de consumo de CPU, red, memoria y otras características que

consideran de interés.

(Anton & Rajkumar, 2012) plantean como el auge de los servidores multinúcleos y

la virtualización complejizan el modelado analítico. No obstante, entre los modelos

de potencia más utilizados para representar el consumo energético de un servidor

se encuentran los basados en la regresión lineal (Beloglazov, Abawajy, & Buyya,

2012), ya que son sencillos de ajustar. (Mazumdar & Pranzo, 2017) asumen que el

consumo de energía de un servidor aumenta linealmente a medida que se

incrementa la carga de trabajo, por lo que utilizan este tipo de relación al definir

una formulación para la ejecución de servidores y migración de máquinas

virtuales. (Zhu, Zhuang, & Zhang, 2017) plantean que esta relación lineal se

mantiene aún en el caso de aplicar DVFS, y lo aplican al desarrollar su método

TVRSM que permite disminuir el consumo y violaciones de SLA a la par que

Page 39: RESUMEN - ua

32

mantiene un equilibrio en la nube. Sin embargo, en (Jena, Vijayaraja, & Sahu, 2016)

llegan a la conclusión que un modelo cúbico permite gestionar un consumo

eficiente de la energía al migrar máquinas virtuales. Para ello comparan los

resultados con otros tres modelos: el lineal, el cuadrático y de raíz cuadrada.

(Lin, Wu, Wang, Wang, & Hsu, 2016) realizan un análisis crítico de los modelos de

consumo del procesador, la memoria y el disco. En su investigación reflejan como

el modelo lineal es el más utilizado al expresar la relación entre el consumo de

energía de la CPU y la carga de trabajo. Mientras, para expresar la correlación entre

la potencia de la CPU y la frecuencia el modelo cúbico ofrecía mejores resultados.

Para el caso de los procesadores que aceptan el escalado dinámico de frecuencia y

voltaje (DVFS) analizan la propuesta de (Song, Li, Wang, & Zhu, 2013), que

considera frecuencia y utilización de la CPU, aunque no es fácil de entrenar.

Además, plantean que, aunque el modelo lineal ofrece una precisión relativamente

buena, en ocasiones presenta errores producto de los cambios en la manufactura

de los componentes, por lo que un modelo basado en la función polinomial para

estimar la potencia puede compensar el defecto de inexactitud del lineal. Por

último, proponen un modelo de potencia para los procesadores de las máquinas

virtuales, ya que los comportamientos de una CPU física y otra virtual difieren,

aún en el mismo servidor.

(Armenta-Cano et al., 2017) utiliza un modelo híbrido no linear en el que considera

el consumo de energía como una función que toma en cuenta la utilización del

CPU y la concentración de trabajos.

6.1.1 COMPARACIÓN ENTRE LOS MODELOS DE POTENCIA DE LA CPU

Modelo Lineal: Pu = u (Pmax - Pinact) + Pinact

Contexto de

aplicación

Referencias Ventajas Desventajas

Relación entre

consumo de

(Panda, Silpa, Shrivastava,

& Gummidipudi, 2010)

(Moemi & Ekabua, 2013)

• Modelo simple

y conciso.

• Depende de la potencia

máxima y la inactiva.

Page 40: RESUMEN - ua

33

energía y uso

de la CPU.

(Mazumdar & Pranzo, 2017)

(Zhu et al., 2017)

• Precisión

relativamente

buena.

• Depende de la arquitectura,

por lo que cambios en la

tecnología puede conllevar

errores menores o mayores.

Tabla 3. Características del modelo lineal de consumo del procesador.

Modelo Cuadrático: Pu = u2 (Pmax - Pinact) + Pinact

Contexto de aplicación Referencia Ventajas Desventajas

Relación entre potencia

y rendimiento

(Lin et al., 2017)

• Modelo simple.

• Buena precisión.

• Depende de la

potencia máxima y

la inactiva.

• Depende de la

arquitectura.

Relación entre consumo

y frecuencia

(Petrucci, Carrera,

Loques, Leite, &

Mosse, 2011)

Tabla 4. Características del modelo cuadrático de consumo del procesador.

Modelo Cúbico: Pu = u3(Pmax - Pinact) + Pinact Contexto de aplicación Referencia Ventajas Desventajas

Relación entre el

consumo de energía y la

frecuencia

(Kim, Anton, &

Rajkumar, 2011)

• Sirve como enfoque

para estimar la

potencia máxima de

la CPU.

• Menor error que los

modelos anteriores.

• No siempre se puede

garantizar el uso

máximo de la CPU.

• No es adecuado para

aplicaciones que

requieran poca CPU.

Relación entre consumo

y uso de la CPU

(Jena et al., 2016)

Tabla 5. Características del modelo cúbico de consumo del procesador.

Modelo Polinomial: Pu = uβα + Pinact Contexto de aplicación Referencia Ventajas Desventajas

Relación entre consumo

de energía y uso de la

CPU.

(Lin et al., 2016) • Compensa el

defecto de

inexactitud del

modelo lineal.

Tabla 6. Características del modelo polinomial de consumo del procesador.

Modelo Interpolación Lineal: Pu=Pu1+(Pu2

-Pu1)

u-u1

u2-u1

Contexto de aplicación Referencia Ventajas Desventajas

Se cuenta con datos

reales de medición (Makaratzis et al., 2018) • Es el modelo más

preciso, ya que

depende de datos

reales.

• No siempre están

disponibles los

datos reales de

consumo.

Tabla 7. Características del modelo interpolación lineal de consumo del procesador.

Modelos para servidores que soportan DVFS Modelo Referencia Ventajas Desventajas

Pu = (Pmax - Pinact) V2 * f *

u + Pinact

(Lin et al., 2016)

• Considera la

frecuencia y el

voltaje de la CPU.

Pu = Af3 + Buf3 + Cu + D • Forma compleja

• No puede

garantizarse

linealidad en el

crecimiento

Tabla 8. Características de los modelos para servidores que soportan DVFS

Conclusiones

Page 41: RESUMEN - ua

34

Los modelos anteriores dependen básicamente de la potencia máxima, la cual no

siempre se puede garantizar alcanzar en un sistema. No incluyen la contribución

del consumo de energía estática, con lo cual asumen que las fugas de energía no

son importantes. Sin embargo, la evolución de los procesadores gracias al

desarrollo de transistores más pequeños hace que aumente la importancia de esta

corriente de fuga. Estos modelos tampoco muestran la relación entre la

temperatura y la potencia, sin embargo, a medida que los procesadores aumentan

su velocidad de procesamiento el calor también aumenta.

Por otra parte, aunque es lógico pensar en una relación lineal entre el consumo de

energía y la carga de trabajo, lo cierto es que con los cambios actuales en las

arquitecturas de microprocesadores y con la introducción de las máquinas

virtuales esta relación se transforma en un proceso más complejo.

6.2 Modelo de consumo

El consumo de un procesador está determinado por dos factores: el consumo

estático y el consumo dinámico (7).

𝐸𝐶𝑃𝑈 = 𝑃𝑒𝑠𝑡á𝑡𝑖𝑐𝑎 + 𝑃𝑑𝑖𝑛á𝑚𝑖𝑐𝑎 (7)

El consumo estático, siempre está presente debido a las corrientes de fugas que

existe en los transistores, aunque el micro se encuentre inactivo. Su valor,

dependerá, de las características de la tecnología empleada en la fabricación del

circuito, la cantidad de transistores y la temperatura de funcionamiento. El valor

de la potencia estática (8) viene definido por producto entre el voltaje y la corriente

estática del circuito (𝑖).

𝑃𝑒𝑠𝑡á𝑡𝑖𝑐𝑎 = 𝑉 × 𝑖 (8)

El consumo dinámico (9) está influenciado por la conmutación de los transistores,

cuanto mayor sea el número de conmutaciones mayor será el consumo. Expresado

de otra forma, la potencia dinámica dependerá de la actividad de conmutación (𝑎)

Page 42: RESUMEN - ua

35

y de la capacidad (𝐶) en cada elemento que conmuta, además, su dependencia con

el potencial de alimentación (𝑉) será dado por una relación cuadrática mientras,

depende de manera proporcional de la frecuencia de reloj (𝑓).

𝑃𝑑𝑖𝑛á𝑚𝑖𝑐𝑎 = 𝑎 × 𝐶 × 𝑉2 × 𝑓 (9)

De dicha expresión se puede concluir que 𝑎 y 𝐶 son valores constantes. Sin

embargo, 𝑉 y 𝑓 pueden variar según necesidad. Es decir, al aumentar la carga de

trabajo, mayor es la cantidad de instrucciones a ejecutar por unidad de tiempo, lo

que se traduce en mayores conmutaciones, mayor frecuencia de reloj y mayor

consumo. Inversamente puede decirse que, al disminuir la frecuencia y el voltaje

puede lograrse una disminución en el consumo.

6.2.1 CONTROL DINÁMICO DE LA POTENCIA

Variar la frecuencia y el voltaje con el objetivo de lograr un consumo eficiente es

parte de la metodología Reconfiguración Dinámica del Sistema (Dynamic Power

Management, DPM). Para aplicarla, las variaciones en el sistema, como la carga de

trabajo del procesador, deben justificar la reconfiguración. Entre las técnicas que la

componen se pueden encontrar:

• Control dinámico de la frecuencia (Dynamic Frequency Scalling, DFS) o

escalado de frecuencia: esta técnica se basa en el principio de: una menor

frecuencia requiere menos potencia. Sin embargo, esto no siempre significa

una disminución del consumo energético ya que, también implica un

incremento en el tiempo de ejecución. Por tanto, al variar la frecuencia cabe

evaluar dos cuestiones fundamentales: el beneficio obtenido mediante la

relación rendimiento / consumo y el consumo final al aplicar DFS y sin

aplicar DFS.

Page 43: RESUMEN - ua

36

• Control dinámico de la tensión (Dynamic Voltage Scalling, DVS) o escalado

de tensión: esta técnica se basa en el principio de variar la tensión según la

necesidad y evaluando los límites. Para ello se puede realizar:

o Undervolting: proceso en el cual se disminuye el voltaje y se obtiene

una menor potencia disipada. Aunque con esta técnica los tiempos

de ejecución aumentan, el consumo total se llega a reducir ya que el

consumo depende del voltaje al cuadrado, como se ha expresado

anteriormente (9).

o Overvolting: proceso en el cual se aumenta la tensión, lo que implica

un aumento de la frecuencia y un mayor rendimiento al aprovechar

las capacidades del dispositivo. Al aplicar esta técnica se debe

considerar la relación rendimiento / consumo, ya que una mejora en

la velocidad de trabajo puede ser poco significativa en relación con

un alto consumo.

De lo antes visto se puede concluir que DFS es útil para equipos alimentados con

baterías, ya que aumenta su vida útil. Sin embargo, su utilidad se podría ver

reducida en servidores y en equipos en los que funcionen sistemas críticos. En

comparación, DVS ofrece mejores resultados en cuanto a consumo, aun cuando se

aumentan los tiempos de ejecución al aplicar undervolting.

6.3 Propuesta de modelo de consumo

Lograr modelos más eficientes que permitan una estimación más precisa de

consumo es una necesidad. De los modelos analizados anteriormente, se ha visto

como estos no incluyen la relación con la temperatura, factor que influye en la

climatización. Además, estos tampoco incluyen la contribución del consumo

estático, de gran importancia debido al aumento de las corrientes de fuga por la

cercanía entre transistores y la disminución del tamaño.

Page 44: RESUMEN - ua

37

Por tanto, para solventar algunos de los problemas mencionados, se plantea incluir

en los modelos de consumo de los procesadores el consumo estático, donde la

potencia estática, como se ha dicho anteriormente, queda definida por el voltaje y

la corriente estática. Mientras, la corriente estática se encuentra definida por: la

corriente de fuga, voltaje del transistor, unidad de carga (constante equivalente a

1,602 * 10-19C), constante de Boltzmann (equivalente a 1,38 * 10-23 J/K) y la

temperatura.

6.4 Conclusiones del capítulo

Los cambios en la arquitectura de procesadores, ha conllevado a que los modelos

de consumo utilizados hasta el momento produzcan errores. Por tanto, es

necesario considerar elementos que no se habían tenido en cuenta hasta el

momento como el consumo estático del procesador. El consumo estático, además

muestra la relación con la temperatura del circuito, aspecto importante, ya que

mientras aumentan las velocidades de procesamiento, también lo hace el calor que

a su vez, se vuelve más difícil de disipar.

7 CONCLUSIONES

Al inicio de este trabajo se marcaron tres objetivos. Como resultado, se han podido

establecer patrones de consumo y determinar el impacto del consumo de los

servidores sobre el consumo total de los CPD. Además, resultado del estudio del

estado del arte se ha llegado a la conclusión de que la mayoría de los modelos de

consumo del procesador se encuentran obsoletos y no representan factores que

están cobrando importancia debido a la constante evolución de la tecnología, como

la corriente estática. Por tal razón, y dando cumplimiento al último objetivo

planteado, se propone como modelo de eficiencia energética la inclusión de la

contribución de la potencia estática.

Page 45: RESUMEN - ua

38

8 RECOMENDACIONES Y TRABAJOS FUTUROS

Se recomienda definir un modelo matemático en el que quede definido la corriente

estática. Además, se recomienda evaluar su efectividad, mediante el desarrollo de

diversos casos prácticos, simulaciones y puesta en práctica en entornos reales.

Page 46: RESUMEN - ua

39

9 ANEXOS

9.1 Anexo 1: Datos sobre energía y medio ambiente

Figura 2. Energía. Estadísticas 6 de mayo de 2018. (Worldometers info, 2018)

Figura 3. Medio Ambiente. Estadísticas 6 de mayo de 2018. (Worldometers info, 2018)

Page 47: RESUMEN - ua

40

9.2 Anexo 2: Producción de energía

Figura 4. Producción de energía eléctrica en la península.(Red Eléctrica de España, 2017)

2013 2014 2015 2016 2017

Hidráulica (1) 37,4 39,1 28,3 36 18,4

Turbinación bombeo 3,3 3,4 2,9 3,2 2,2

Nuclear 54,3 54,9 54,8 56,1 55,6

Carbón 37,2 41,1 50,9 35,2 42,6

Fuel + Gas 0 0 0 0 0

Ciclo combinado (2) 24,4 21,3 25,3 25,7 33,9

Eólica 54,3 50,6 47,7 47,3 47,5

Solar fotovoltaica 7,9 7,8 7,8 7,6 8

Solar térmica 4,4 5 5,1 5,1 5,3

Otras renovables (3) 5,1 4,7 3,2 3,4 3,6

Cogeneración (3) 32 25,6 25,4 25,9 28,1

Residuos no renovables 0 0 2,3 2,5 2,5

Residuos renovables 0 0 0,7 0,6 0,7

Tabla 9. Producción de energía eléctrica en la península (Red Eléctrica de España, 2017)

Page 48: RESUMEN - ua

41

9.3 Anexo 3: Métricas de eficiencia Energética

El salto a la nube puede conllevar un ahorro energético para las empresas que

adoptan este servicio, ya que reduce los gastos consecuentes de tener equipos

propios. La virtualización, una de las bases que sientan el desarrollo de la nube, es

considerada como una medida de eficiencia al permitir disminuir el número de

equipos servidores físicos. Sin embargo, a nivel global cabe preguntarse si

realmente estas instalaciones permiten una explotación sostenible de los recursos

TI.

The Green Grid es quizás, la organización más importante encargada de impulsar

el uso eficiente de energía en centros de datos. Actualmente cuenta con más de

quince proyectos para mejorar la eficiencia y alcanzar productos y servicios más

sostenibles. Sus miembros van desde usuarios finales hasta empresas de todo el

mundo y juegan un papel fundamental en la creación de métricas y mediciones

innovadoras (The Green Grid, 2017). Entre las métricas que han dado a conocer y

promueven se pueden encontrar:

• Eficiencia en el uso de la potencia, PUE (Power Usage Effectiveness),

• Eficiencia de la infraestructura del centro de datos, DCiE (Data Center

Infrastructure Efficiency),

• Indicador de Rendimiento, PI (Performance Indicator),

9.3.1 EFICIENCIA DE USO DE LA POTENCIA, PUE

Definida por The Green Grid (The Green Grid, 2017), el PUE permite medir la

eficiencia energética en un CPD. Probablemente sea una de las métricas más

empleada, ya que su valor viene determinado por la relación que existe entre la

potencia total de entrada al CPD y la real consumida por los equipos de TI. Dicho

valor puede ir desde 1 hasta infinito. Mientras menor sea el valor mayor será la

eficiencia del centro de datos, por lo que 1 sería el valor óptimo por alcanzar (y

Page 49: RESUMEN - ua

42

representa el 100% de eficiencia). Google ha reportado un PUE medio de 1.12

(Google, 2017a) de todos sus centros de datos, cifra que los posiciona como una de

las empresas más eficientes.

𝑃𝑈𝐸 =𝑃𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑒𝑙𝑒𝑐𝑡𝑟𝑖𝑐𝑎 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 𝑑𝑒𝑙 𝐶𝑃𝐷

𝑃𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑒𝑙é𝑐𝑡𝑟𝑖𝑐𝑎 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑖𝑑𝑎 𝑝𝑜𝑟 𝑙𝑜𝑠 𝑒𝑞𝑢𝑖𝑝𝑜𝑠 𝑇𝐼

Para determinar el PUE es necesario medir la energía activa durante un año. La

frecuencia dependerá del tipo de categoría del PUE.

Existen cinco factores que afectan el PUE:

• Clima: ya que determina el uso y cantidad del equipamiento de

refrigeración de la instalación. Al realizar un muestreo frecuente se puede

comprobar como el PUE varía en dependencia de las condiciones

climatológicas.

• Nivel de redundancia eléctrica: mayor redundancia de los sistemas significa

mayor consumo.

• Climatización: para diseñar un sistema de climatización eficiente se debe

tener en cuenta: la tecnología a utilizar, retornos de aire, disposición de los

equipos, etc.

• Eficiencia de los UPS: para seleccionar un equipo de UPS adecuado, se debe

considerar la cantidad de energía que este pierde al realizar la

transformación

• Uso y capacidad del CPD: se deben comparar centros de datos con

características similares, ya que un CPD pequeño y que funcione en

promedio 8 horas, es evidente que consumirá mucho menos que uno de

mayores de dimensiones.

A pesar de ser la métrica más extendida y popular, el PUE presenta una serie de

problemas:

Page 50: RESUMEN - ua

43

• Variadas interpretaciones que se le puede dar al denominador de la

expresión que le define, sobre todo en edificios que no están dedicados al

CPD exclusivamente.

• Visión limitada ya que no contempla el comportamiento del CPD ante

posibles cambios como el mantenimiento o la temperatura

• Demasiado generalista: no tiene en cuenta las posibles especificidades de

cada centro de datos.

9.3.2 EFICIENCIA DE LA INFRAESTRUCTURA DEL CPD, DCIE

Regulado por The Green Grid, es el inverso del PUE. Medido en porcentaje, cuanto

mayor sea su valor indicará una mayor eficiencia energética en el CPD.

𝐷𝐶𝑖𝐸 =1

𝑃𝑈𝐸

𝐷𝐶𝑖𝐸 =𝑃𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑒𝑙é𝑐𝑡𝑟𝑖𝑐𝑎 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑖𝑑𝑎 𝑝𝑜𝑟 𝑙𝑜𝑠 𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑚𝑎𝑠 𝑇𝐼

𝑃𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑒𝑙𝑒𝑐𝑡𝑟𝑖𝑐𝑎 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 𝑑𝑒𝑙 𝐶𝑃𝐷

9.3.3 INDICADOR DE RENDIMIENTO, PI

Desarrollada por The Green Grid y presentada en junio de 2016. Tiene el objetivo de

disminuir o eliminar las limitaciones del PUE, ofreciendo una visión más amplia.

Incluye 3 indicadores relacionados de manera gráfica (Figura 1). Dichos

indicadores son:

Page 51: RESUMEN - ua

44

Figura 5. Diagrama del indicador PI (Seymour, 2016)

• PUE ratio, PUEr: permite evaluar que tan cerca está el CPD del PUE

deseado. Su valor se encuentra determinado por la relación entre el PUE de

referencia (PUE objetivo que se quiere conseguir) y el PUE actual.

𝑃𝑈𝐸𝑟 =𝑃𝑈𝐸𝑟𝑒𝑓

𝑃𝑈𝐸𝑎𝑐𝑡𝑢𝑎𝑙

• Conformidad Térmica de TI (IT Thermal Conformance): permite evaluar el

porcentaje de cumplimiento de refrigeración de los equipos TI en

condiciones normales de operación. Teniendo en cuenta la especificación

térmica que ha publicado ASHRAE5, se puede estimar mediante la fórmula

siguiente:

𝐼𝑇𝑇ℎ𝑒𝑟𝑚𝑎𝑙 𝐶𝑜𝑛𝑓𝑜𝑟𝑚𝑎𝑛𝑐𝑒 =𝐸𝑞. 𝐿𝑜𝑎𝑑 [𝑇𝑖𝑛𝑙𝑒𝑡 < 27°]

𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙 𝐸𝑞. 𝐿𝑜𝑎𝑑

Donde: Eq. Load es la carga en kW de los equipos.

• Resiliencia Térmica de TI (IT Thermal Resilience): permite evaluar, durante

el mantenimiento o fallos en la refrigeración, el grado de resistencia térmica

que se tiene en el CPD.

𝐼𝑇Thermal Resilience =𝐸𝑞. 𝐿𝑜𝑎𝑑 [𝑇𝑖𝑛𝑙𝑒𝑡 < 32°]

𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙 𝐸𝑞. 𝐿𝑜𝑎𝑑

9.3.4 OTRAS MÉTRICAS

Para determiner que tan sostenible es un CPD no solo se puede tener en cuenta el

consumo de energía. Por tanto, se han establecidos métricas que permiten evaluar

otros parámetros como:

• Eficiencia en la Reutilización de la Energía, ERE: permite medir la eficacia

de la reutilización de la energía que se pierde en el centro de datos.

5 ASHRAE propone que la temperatura de consigna en los centros de datos se encuentre entre los

18 y los 27.

Page 52: RESUMEN - ua

45

• Eficiencia en el Uso de las Emisiones de Carbono, CUE (Carbon Usage

Effectiveness): liberada en diciembre de 2010. Permite determinar el volumen

generado de gases de carbono, debido al trabajo del equipamiento en el

centro de datos.

𝐶𝑈𝐸 =𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙 𝑑𝑒 𝑒𝑚𝑖𝑠𝑖ó𝑛 𝑑𝑒 𝐶𝑂2 𝑑𝑒 𝑡𝑜𝑑𝑎 𝑙𝑎 𝑒𝑛𝑒𝑟𝑔í𝑎 𝑑𝑒𝑙 𝐶𝑃𝐷

𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔í𝑎 𝑑𝑒 𝑙𝑜𝑠 𝑒𝑞𝑢𝑖𝑝𝑜𝑠 𝑑𝑒 𝑇𝐼

• Eficiencia en el Uso del Agua, WUE (Water Usage Effectiveness): liberada por

The Green Grid en marzo de 2011. Permite determinar el volumen de agua

utilizado:

𝑊𝑈𝐸 =𝐶𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑜 𝐴𝑛𝑢𝑎𝑙 𝑑𝑒𝑙 𝐴𝑔𝑢𝑎 𝑒𝑛 𝑒𝑙 𝑆𝑖𝑡𝑖𝑜

𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔í𝑎 𝑑𝑒 𝑙𝑜𝑠 𝑒𝑞𝑢𝑖𝑝𝑜𝑠 𝑑𝑒 𝑇𝐼

𝑊𝑈𝐸𝑠𝑜𝑢𝑟𝑐𝑒 =𝐶𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑜 𝐴𝑛𝑢𝑎𝑙 𝑑𝑒𝑙 𝐴𝑔𝑢𝑎 𝐹𝑢𝑒𝑛𝑡𝑒+𝐶𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑜 𝐴𝑛𝑢𝑎𝑙 𝑑𝑒𝑙 𝐴𝑔𝑢𝑎 𝑒𝑛 𝑒𝑙 𝑆𝑖𝑡𝑖𝑜

𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔í𝑎 𝑑𝑒 𝑙𝑜𝑠 𝑒𝑞𝑢𝑖𝑝𝑜𝑠 𝑑𝑒 𝑇𝐼

• Design MLC (Mechanical Load Component): presentada por ASHRAE en 2016.

Se define como:

𝐷𝑒𝑠𝑖𝑔𝑛 𝑀𝐿𝐶 =𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑝𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑑𝑒 𝑙𝑜𝑠 𝑐𝑜𝑚𝑝𝑜𝑛𝑒𝑛𝑡𝑒𝑠 𝑑𝑒𝑙 𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑚𝑎 𝑑𝑒 𝑐𝑙𝑖𝑚𝑎𝑡𝑖𝑧𝑎𝑐𝑖ó𝑛

𝑃𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑑𝑒 𝑑𝑖𝑠𝑒ñ𝑜 𝑇𝐼

• Design ELC (Electrical Loss Component): presentada por ASHRAE en 2016 y

definida mediante:

𝐷𝑒𝑠𝑖𝑔𝑛 𝐸𝐿𝐶 =𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙 𝑑𝑒 𝑝é𝑟𝑑𝑖𝑑𝑎𝑠 𝑑𝑒𝑙 𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑚𝑎 𝑒𝑙é𝑐𝑡𝑟𝑖𝑐𝑜

𝑃𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑑𝑒 𝑑𝑖𝑠𝑒ñ𝑜 𝑇𝐼

Page 53: RESUMEN - ua

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