UNIVERSIDADE DE S ˜AO PAULO
INSTITUTO DE MATEM ´ATICA E ESTAT´ISTICA
MAC-0412: Organiza¸c˜
ao de Computadores
Computa¸c˜
ao Verde
Integrantes do Grupo: Claudivan Ribeiro N USP: 5968788 Tiago Bomventi N USP: 3690177 Professor: Alfredo Goldman
Sum´
ario
1 Introdu¸c˜ao 3
1.1 O que ´e Computa¸c˜ao Verde? . . . 3
1.2 Impacto da computa¸c˜ao no meio ambiente . . . 3
2 Ciclo de vida de equipamento 4 3 Solu¸c˜oes verdes 4 3.1 Virtualiza¸c˜ao . . . 5 3.2 Consumo de energia . . . 5 3.3 Projeto de hardware . . . 6 3.3.1 Armazenamento . . . 6 3.3.2 Monitores . . . 7 3.3.3 Video . . . 7 3.3.4 Thin clients . . . 7 3.3.5 Undervolting . . . 8 4 Bibliografia 9
1
Introdu¸
c˜
ao
1.1
O que ´
e Computa¸
c˜
ao Verde?
Computa¸c˜ao verde ´e o estudo e pr´atica de projetar, produzir, consumir e reciclar componentes de hard-ware com o m´ınimo de impacto ambiental. O assunto tem ganhado importˆancia nos ´ultimos anos entre profissionais de TI em empresas, governos, universidade e consumidores apartir de descobertas de que o ritmo de consumo da humanidade ´e incompat´ıvel com a quantidade de recursos naturais dispon´ıveis.
Um marco desta pr´atica foi o ano de 1992 quando a Environmental Protection Agency dos EUA lan¸caram o projeto Energy Star, cujo objetivo era o de certificar equipamentos que faziam uso eficiente de energia[7]. Atualmente este selo em sua vers˜ao 4.0 ´e encontrado com frequencia em monitores, im-pressoras, fontes dentre outros. Mais tarde um cons´orcio de empresas propuseram outra certifica¸c˜ao que tamb´em tornou-se bastante difundida, o 80 plus, espec´ıfica para fontes de computador. Como sugere o nome, ele selava equipamentos em que o gasto energ´etico ´util fosse maior que 80%.
1.2
Impacto da computa¸
c˜
ao no meio ambiente
Para ilustrar os danos que a ind´ustria de TI causa ao equil´ıbrio ambiental, citamos um estudo do f´ısico Dr. Alex Wissner-Gross, da Universidade de Harvard (EUA). Ele concluiu que cada busca no emphGoogle libera em m´edia 7g de CO2na atmosfera.
A produ¸c˜ao dos computadores assim como de outros eletro-eletrˆonicos trazem uma s´erie de con-sequˆencias ambientais. Elementros t´oxicos como o arsˆenio, merc´urio dentre outros s˜ao utilizados tanto na manufatura quanto no produto acabado e a contamina¸c˜ao do len¸col fre´atico por estes ´e apenas uma dos poss´ıveis danos causados. Para mais informa¸c˜oes veja tabela 1.
Tabela 1: Elementos usados e dados `a sa´ude humana Merc´urio Danos ao c´erebro e f´ıgado
C´admo Envenenamento, problemas nos ossos, rins e pulm˜oes Arsˆenio Cˆancer no pulm˜ao, doen¸cas de pelo, danos ao sistema nervoso
Ber´ılio Cˆancer no pulm˜ao
Para funcionarem bem estes equipamentos consumem conjuntamente uma grande quantidade de ener-gia el´etrica. Gases causadores do efeito estufa s˜ao liberados em consequˆencia deste uso, dado que em muitos casos esta energia ´e gerada em usinas termel´etricas.
Al´em disso, o descarte ´e uma fase em que, em geral, h´a danos ambientais. A desmontagem, reutiliza¸c˜ao (se poss´ıvel) e/ou reciclagem nem sempre s˜ao realizadas adequadamente.
2
Ciclo de vida de equipamento
Segundo [4] h´a 4 exigˆencias que devem ser satisfeitas para que os equipamentos de TI sejam considerados ecologicamente corretos:
Projeto: projetar componetes modularizados e manuten´ıveis que desperdissem o m´ınimo em energia, com pouco uso de mat´eria-prima e redu¸c˜ao/elimina¸c˜ao de materiais nocivos;
Produ¸c˜ao: processos de manufatura que n˜ao gere ou gere pouco res´ıduo, tratando-os antes de discartar na natureza;
Uso: Ativar os modos gerenciadores de energia, desligar equipamento quando em modo ocioso, fazer upgrades de hardware antes da substitui¸c˜ao total;
Descarte: remanufaturar e reutilizar m´aquinas antigas al´em de reciclar apropriadamente o refugo;
3
Solu¸
c˜
oes verdes
Muitos cientistas trabalham atualmente testando os mais diversos materiais e estudando processos qu´ımicos que podem levar os computadores ao funcionamento mais eficiente e menos agressivo em rela¸c˜ao ao con-sumo de recursos ambientais. A constru¸c˜ao de novas tecnologias e m´etodos podem muitas vezes alterar de maneira contundente as tendˆencias de hardware e de computa¸c˜ao para as m´aquinas constru´ıdas no futuro. Os t´opicos abaixo est˜ao de alguma forma relacionados, pois abordam a eficiˆencia levando em considera¸c˜ao o impacto ambiental. Pode-se dizer que o problema do uso eficiente de energia requer uma abordagem hol´ıstica, pois exige interven¸c˜oes nas mais diversas ´areas, tais como materiais, circuitos, dis-positivos, chips, arquitetura de sistemas e software. Essas solu¸c˜oes tentam maximizar o uso de uma
infraestrutura (datacenters, departamento de TI, workstation etc) que deve ter sido bem dimensionada para atender `as necessidades da empresa ou do usu´ario dom´estico [2].
3.1
Virtualiza¸
c˜
ao
Nos ´ultimos anos, o poder de processamento dos computadores aumentou de forma dr´astica, podendo realizar opera¸c˜oes que envolvem uma enorme quantidade de c´alculos por segundo. Mas isso n˜ao significa que as aplica¸c˜oes se aproveitam de todo esse poder. Na verdade a maioria delas sub-utiliza a capacidade de processamento das CPUs.
Visando diminuir a ociosidade de diversos processadores em uma rede, a IBM desenvolveu a t´ecnica de virtualiza¸c˜ao para aplicar a seus mainframes no in´ıcio da d´ecada de 60. Esta t´ecnica consiste em, ao inv´es de rodar diversos servi¸cos em m´aquinas diferentes, oferecer todos esses servi¸cos em uma ´unica m´aquina (com maior poder de processamento) para que use ao m´aximo seus recursos computacionais. Esta pr´atica ´
e comumente utilizada em datacenters para agregar diversos servi¸cos em um mesmo servidor, o que leva, por consequˆencia, a redu¸c˜oes consider´aveis na quantidade dos equipamentos utilizados, do consumo de energia, e dos custos com manuten¸c˜ao e refrigera¸c˜ao.
Mais tarde, no in´ıcio da d´ecada de 90, o conceito se popularizou e pˆode ser aplicado tamb´em aos desktops. Recentemente, AMD e intel implementaram instru¸c˜oes espec´ıficas em suas linhas de CPUs para melhorar o desempenho destas aplica¸c˜oes.
Com essa dissemina¸c˜ao da pr´atica, j´a ´e poss´ıvel, por exemplo, que um usu´ario dom´estico emule uma m´aquina virtual servidora de arquivos para que, quando em casa utilize o computador para suas tarefas b´asicas e, quando fora, acesse seus arquivos remotamente.
Alguns exemplos de aplica¸c˜oes de emula¸c˜ao de m´aquinas virtuais s˜ao o Virtual PC da Microsoft, o VirtualBox da Sun, o Vmware da Vmware e o Xen da XenSource, alguns com licen¸ca gratuita de uso.
3.2
Consumo de energia
O consumo de energia est´a diretamente ligado `a emiss˜ao de carbono na atmosfera visto que grandes consumidores (a exemplo de EUA e China) utilizam a queima de combust´ıves f´osseis na gera¸c˜ao de eletricidade. Ent˜ao, reduzir o consumo de energia dos equipamentos significa n˜ao apenas uma diminui¸c˜ao
ativos.
Em abril de 2007, um relat´orio da Gartner Press [5] estimou que a emiss˜ao de di´oxido de carbono por parte da ind´ustria de TI e de comunica¸c˜ao, corresponde a 2% das emiss˜oes globais, uma parcela igual `a da avia¸c˜ao. A Climate Savers Computing Initiative estimou que um desktop comum m´edio, desperdi¸ca metade da sua energia [3]. A Intel tamb´em corrobora esse fato, afirmando que uma pol´ıtica agressiva de gerenciamento de energia pode reduzir em 60% o consumo de energia dos computadores m´edios. Em grande parte, a chave para a redu¸c˜ao do consumo de energia est´a em reduzir o gasto quando o equipamento estiver ocioso. Medidas simples como desligar a m´aquina e monitor nestas ocasi˜oes s˜ao bastante efetivas. Apesar disso, boa parte dos usu´arios n˜ao leva isso em considera¸c˜ao. Em 2006, a entidade inglesa National Energy Foundation estimou que no Reino Unido, 18% dos computadores nunca s˜ao desligados. Um estudo semelhante nos EUA em 2007, identificou que 60% dos computadores eram deixados ligados durante a noite.
3.3
Projeto de hardware
A partir de 2005, a Intel mudou seu paradigma de produ¸c˜ao. Antes o desempenho era medido pela velocidade de processamento e, aos poucos, a Intel incorporou o conceito de ”desempenho por watt”em seus novos projetos, e o termo ”computa¸c˜ao verde”se difundiu [1]. Computadores podem diminuir seu consumo de energia usando hardware espec´ıfico para essa finalidade. Abaixo s˜ao listadas algumas medidas de projeto de hardware que diminuem o consumo de energia e podem indicar uma tendˆencia para m´aquinas do futuro.
3.3.1 Armazenamento
Muito se fala dos gastos de energia dos processadores e pouco do consumo dos discos r´ıgidos. Mas principalmente em datacenters, o consumo de energia destes componentes precisa ser considerado. Sabe-se que discos menores (2.5 polegadas) consomem menos energia por gigabyte que discos maiores (5 polegadas ou mais), que por sinal j´a est˜ao saindo do mercado [8]. Muitas empresas est˜ao produzindo discos que consomem menos energia e dissipam melhor o calor, abaixando de 10.000 e 7.200 rpm para 5.400 rpm.
consomem menos. Em contrapartida, atualmente armazenam menos do que os discos IDE e SATA e ainda custam muito caro para o usu´ario final. Tirando essas desvantagens, as boas caracter´ısticas do SSD provavelmente tornar˜ao esses dispositivos a escolha de armazenamento no futuro.
3.3.2 Monitores
Atualmente, os monitores de tubos cat´odicos (CRT) j´a s˜ao considerados pe¸cas de museu. Al´em de ocu-parem muito mais espa¸co do que os monitores de tela fina, eles consomem muito mais energia. Enquanto um t´ıpico monitor LCD gasta entre 20 e 50 Watts, um monitor de tubo n˜ao consome menos do que 100 Watts. A tecnologia LED tamb´em come¸cou a ser incorporada na fabrica¸c˜ao de monitores alguns anos atr´as. Monitores de LED, apesar de terem uma qualidade de imagem igual ao monitor LCD, consomem menos energia do que eles, pois operam em uma voltagem menor e ainda possuem uma maior durabi-lidade, al´em de usar uma quantidade de merc´urio menor em seu processo de fabrica¸c˜ao. Dessa forma, acredita-se que a tecnologia LED domine o mercado de monitores nos pr´oximos anos [6].
3.3.3 Video
A placa de v´ıdeo pode ser o componente de maior consumo de um computador. Uma GPU pode consumir 230 Watts quando em funcionamento, j´a um processador Intel i7 consome cerca de 130 Watts. As alternativas para baixar o consumo de energia das placas gr´aficas s˜ao limitadas, j´a que esses dispositivos tem como carater´ıstica dar vaz˜ao `a grande quantidade de processamento. Algumas sugest˜oes s˜ao trocar as placas off-board por placas on-board, que tem uma menor capacidade de processamento, n˜ao precisam de cooler para resfriar e, portanto, consomem menos energia. Em contrapartida h´a, em geral, uma perda consider´avel de desempenho. Tamb´em est˜ao sendo desenvolvidas GPUs com a funcionalidade de undervolt, que poderiam baixar sua voltagem de funcionamento quando estivessem com menos carga de processamento. Alguns cientistias da NVIDIA, acreditam que o futuro dos computadores ser´a utilizar GPUs ao inv´es de CPUs.
3.3.4 Thin clients
O uso dos desktops e da internet no ambiente empresarial trouxe benef´ıcios inquestion´aveis (para produ¸c˜ao e cria¸c˜ao). Nos dias de hoje, praticamente toda empresa possui seus computadores conectados e quanto
j´a que muitos usu´arios n˜ao desligam suas m´aquinas fora do hor´ario do expediente ou n˜ao acionam as pol´ıticas de baixo comsumo de energia da m´aquina. Para lidar melhor com essas quest˜oes, que podem envolver corte de gastos, muitas empresas est˜ao usando o modelo thin client ou cliente magro. Um thin client ´e um computador cliente em uma rede de arquitetura cliente-servidor de duas camadas, o qual tem poucos ou nenhum aplicativo instalados, de modo que depende primariamente de um servidor central para o processamento de atividades [9]. Dessa forma, todas os recursos est˜ao no servidor. Um thin client (devido ao seu tamanho reduzido e suas partes integradas), consome at´e 10% da energia consumida por um PC comum. Os thin clients podem se mostrar como a grande sensa¸c˜ao do momento, mas essa tecnologia n˜ao ´e nova. Antigamente, existiam os terminais de processamento centralizado no mainframe. Hoje os thin clients est˜ao ligados por rede Ethernet a um servidor virtualizado, podendo rodar as mais diversas aplica¸c˜oes. ´E poss´ıvel instanciar desktops virtualizados para serem acessados via thin client. Dessa forma, os recursos que antes ficavam ociosos, agora s˜ao utilizados por todos.
As principais vantagens no uso de thin clients s˜ao:
• diminui¸c˜ao de custo, tanto de consumo de energia como com a manuten¸c˜ao do hardware
• maior seguran¸ca, a centraliza¸c˜ao facilita o controle
• melhor manuten¸c˜ao
Suas desvantagens:
• requer servidores com grande capacidade de processamento
• requer uma boa rede interna ´
E importante destacar que thin client ´e uma solu¸c˜ao vantajosa para grandes e m´edias empresas. Portanto n˜ao ´e comum usu´arios dom´esticos utilizarem este arranjo.
3.3.5 Undervolting ´
E a t´ecnica de redu¸c˜ao da voltagem fornecida a um equipamento ocioso com a finalidade de diminuir seu consumo. Essa diminui¸c˜ao ´e realizada ”em funcionamento”e pode ser via software ou implementada diretamente em hardware.
onde C ´e a capacitˆancia (constante), V ´e a voltagem e F a frequˆencia. Da f´ormula percebe-se que para reduzir o consumo a forma mais eficiente ´e diminuir a voltagem, embora a pr´atica da redu¸c˜ao da frequˆencia tamb´em seja ´util para esta finalidade. Uma outra consequˆencia direta destas medidas ´e a diminui¸c˜ao da temperatura do dispositivo.
A intel implementou esta t´ecnica em seus processadores com o nome comercial de SpeedStep. A AMD chamou de Cool’n’Quiet/PowerNow.
4
Bibliografia
Referˆ
encias
[1] C. Barnatt. Green computing: An introduction, 2010. http://www.explainingcomputers.com/green.html.
[2] P. Carinhas. Green computing guide. Website, 2009. http://fortuitous.com.
[3] C. S. C. Initiative, 2010. http://www.climatesaverscomputing.org/.
[4] S. Murugesan. Harnessing green it: Principles and practices. IT professional, 10(1):24–33, 2008.
[5] G. P. Release, 2007. http://www.gartner.com/it/page.jsp?id=503867.
[6] Varindia. Led is too hot, 2010. http://www.varindia.com/July2010 VARBuzz.htm&printable=1.
[7] Wikipedia. Green computing — wikipedia, the free encyclopedia, 2010. [Online; accessed 1-November-2010] http://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Green computing&oldid=393909547.
[8] Wikipedia. Hard disk drive — wikipedia, the free encyclopedia, 2010. [Online; accessed 18-November-2010] http://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Hard disk drive&oldid=397485282.
[9] Wikip´edia. Thin client — wikipedia, the free encyclopedia, 2010. [Online; accessed 19-novembro-2010] http://pt.wikipedia.org/w/index.php?title=Thin client&oldid=22560899.
