Proactive and reactive thermal aware optimization techniques to minimize the environmental impact of data centers

Data centers are easily found in every sector of the worldwide economy. They are composed of thousands of servers, serving millions of users globally and 24-7. In the last years, e-Science applications such e-Health or Smart Cities have experienced a significant development. The need to deal efficiently with the computational needs of next-generation applications together with the increasing demand for higher resources in traditional applications has facilitated the rapid proliferation and growing of Data Centers. A drawback to this capacity growth has been the rapid increase of the energy consumption of these facilities. In 2010, data center electricity represented 1.3% of all the electricity use in the world. In year 2012 alone, global data center power demand grep 63% to 38GW. A further rise of 17% to 43GW was estimated in 2013. Moreover, Data Centers are responsible for more than 2% of total carbon dioxide emissions.

Study of a-Si crystallization dependence on power and irradiation time using a CW green laser

An advantage of laser crystallization over conventional heating methods is its ability to limit rapid heating and cooling to thin surface layers. Laser energy is used to heat the a-Si thin film to change the microstructure to poly-Si. Thin film samples of a-Si were irradiated with a CW-green laser source. Laser irradiated spots were produced by using different laser powers and irradiation times. These parameters are identified as key variables in the crystallization process. The power threshold for crystallization is reduced as the irradiation time is increased. When this threshold is reached the crystalline fraction increases lineally with power for each irradiation time. The experimental results are analysed with the aid of a numerical thermal model and the presence of two crystallization mechanisms are observed: one due to melting and the other due to solid phase transformation.

Proactive and reactive thermal aware optimization techniques to minimize the environmental impact of data centers

Los Centros de Datos se encuentran actualmente en cualquier sector de la economía mundial. Están compuestos por miles de servidores, dando servicio a los usuarios de forma global, las 24 horas del día y los 365 días del año. Durante los últimos años, las aplicaciones del ámbito de la e-Ciencia, como la e-Salud o las Ciudades Inteligentes han experimentado un desarrollo muy significativo. La necesidad de manejar de forma eficiente las necesidades de cómputo de aplicaciones de nueva generación, junto con la creciente demanda de recursos en aplicaciones tradicionales, han facilitado el rápido crecimiento y la proliferación de los Centros de Datos. El principal inconveniente de este aumento de capacidad ha sido el rápido y dramático incremento del consumo energético de estas infraestructuras. En 2010, la factura eléctrica de los Centros de Datos representaba el 1.3% del consumo eléctrico mundial. Sólo en el año 2012, el consumo de potencia de los Centros de Datos creció un 63%, alcanzando los 38GW. En 2013 se estimó un crecimiento de otro 17%, hasta llegar a los 43GW. Además, los Centros de Datos son responsables de más del 2% del total de emisiones de dióxido de carbono a la atmósfera. Esta tesis doctoral se enfrenta al problema energético proponiendo técnicas proactivas y reactivas conscientes de la temperatura y de la energía, que contribuyen a tener Centros de Datos más eficientes. Este trabajo desarrolla modelos de energía y utiliza el conocimiento sobre la demanda energética de la carga de trabajo a ejecutar y de los recursos de computación y refrigeración del Centro de Datos para optimizar el consumo. Además, los Centros de Datos son considerados como un elemento crucial dentro del marco de la aplicación ejecutada, optimizando no sólo el consumo del Centro de Datos sino el consumo energético global de la aplicación. Los principales componentes del consumo en los Centros de Datos son la potencia de computación utilizada por los equipos de IT, y la refrigeración necesaria para mantener los servidores dentro de un rango de temperatura de trabajo que asegure su correcto funcionamiento. Debido a la relación cúbica entre la velocidad de los ventiladores y el consumo de los mismos, las soluciones basadas en el sobre-aprovisionamiento de aire frío al servidor generalmente tienen como resultado ineficiencias energéticas. Por otro lado, temperaturas más elevadas en el procesador llevan a un consumo de fugas mayor, debido a la relación exponencial del consumo de fugas con la temperatura. Además, las características de la carga de trabajo y las políticas de asignación de recursos tienen un impacto importante en los balances entre corriente de fugas y consumo de refrigeración. La primera gran contribución de este trabajo es el desarrollo de modelos de potencia y temperatura que permiten describes estos balances entre corriente de fugas y refrigeración; así como la propuesta de estrategias para minimizar el consumo del servidor por medio de la asignación conjunta de refrigeración y carga desde una perspectiva multivariable. Cuando escalamos a nivel del Centro de Datos, observamos un comportamiento similar en términos del balance entre corrientes de fugas y refrigeración. Conforme aumenta la temperatura de la sala, mejora la eficiencia de la refrigeración. Sin embargo, este incremente de la temperatura de sala provoca un aumento en la temperatura de la CPU y, por tanto, también del consumo de fugas. Además, la dinámica de la sala tiene un comportamiento muy desigual, no equilibrado, debido a la asignación de carga y a la heterogeneidad en el equipamiento de IT. La segunda contribución de esta tesis es la propuesta de técnicas de asigación conscientes de la temperatura y heterogeneidad que permiten optimizar conjuntamente la asignación de tareas y refrigeración a los servidores. Estas estrategias necesitan estar respaldadas por modelos flexibles, que puedan trabajar en tiempo real, para describir el sistema desde un nivel de abstracción alto. Dentro del ámbito de las aplicaciones de nueva generación, las decisiones tomadas en el nivel de aplicación pueden tener un impacto dramático en el consumo energético de niveles de abstracción menores, como por ejemplo, en el Centro de Datos. Es importante considerar las relaciones entre todos los agentes computacionales implicados en el problema, de forma que puedan cooperar para conseguir el objetivo común de reducir el coste energético global del sistema. La tercera contribución de esta tesis es el desarrollo de optimizaciones energéticas para la aplicación global por medio de la evaluación de los costes de ejecutar parte del procesado necesario en otros niveles de abstracción, que van desde los nodos hasta el Centro de Datos, por medio de técnicas de balanceo de carga. Como resumen, el trabajo presentado en esta tesis lleva a cabo contribuciones en el modelado y optimización consciente del consumo por fugas y la refrigeración de servidores; el modelado de los Centros de Datos y el desarrollo de políticas de asignación conscientes de la heterogeneidad; y desarrolla mecanismos para la optimización energética de aplicaciones de nueva generación desde varios niveles de abstracción. ABSTRACT Data centers are easily found in every sector of the worldwide economy. They consist of tens of thousands of servers, serving millions of users globally and 24-7. In the last years, e-Science applications such e-Health or Smart Cities have experienced a significant development. The need to deal efficiently with the computational needs of next-generation applications together with the increasing demand for higher resources in traditional applications has facilitated the rapid proliferation and growing of data centers. A drawback to this capacity growth has been the rapid increase of the energy consumption of these facilities. In 2010, data center electricity represented 1.3% of all the electricity use in the world. In year 2012 alone, global data center power demand grew 63% to 38GW. A further rise of 17% to 43GW was estimated in 2013. Moreover, data centers are responsible for more than 2% of total carbon dioxide emissions. This PhD Thesis addresses the energy challenge by proposing proactive and reactive thermal and energy-aware optimization techniques that contribute to place data centers on a more scalable curve. This work develops energy models and uses the knowledge about the energy demand of the workload to be executed and the computational and cooling resources available at data center to optimize energy consumption. Moreover, data centers are considered as a crucial element within their application framework, optimizing not only the energy consumption of the facility, but the global energy consumption of the application. The main contributors to the energy consumption in a data center are the computing power drawn by IT equipment and the cooling power needed to keep the servers within a certain temperature range that ensures safe operation. Because of the cubic relation of fan power with fan speed, solutions based on over-provisioning cold air into the server usually lead to inefficiencies. On the other hand, higher chip temperatures lead to higher leakage power because of the exponential dependence of leakage on temperature. Moreover, workload characteristics as well as allocation policies also have an important impact on the leakage-cooling tradeoffs. The first key contribution of this work is the development of power and temperature models that accurately describe the leakage-cooling tradeoffs at the server level, and the proposal of strategies to minimize server energy via joint cooling and workload management from a multivariate perspective. When scaling to the data center level, a similar behavior in terms of leakage-temperature tradeoffs can be observed. As room temperature raises, the efficiency of data room cooling units improves. However, as we increase room temperature, CPU temperature raises and so does leakage power. Moreover, the thermal dynamics of a data room exhibit unbalanced patterns due to both the workload allocation and the heterogeneity of computing equipment. The second main contribution is the proposal of thermal- and heterogeneity-aware workload management techniques that jointly optimize the allocation of computation and cooling to servers. These strategies need to be backed up by flexible room level models, able to work on runtime, that describe the system from a high level perspective. Within the framework of next-generation applications, decisions taken at this scope can have a dramatical impact on the energy consumption of lower abstraction levels, i.e. the data center facility. It is important to consider the relationships between all the computational agents involved in the problem, so that they can cooperate to achieve the common goal of reducing energy in the overall system. The third main contribution is the energy optimization of the overall application by evaluating the energy costs of performing part of the processing in any of the different abstraction layers, from the node to the data center, via workload management and off-loading techniques. In summary, the work presented in this PhD Thesis, makes contributions on leakage and cooling aware server modeling and optimization, data center thermal modeling and heterogeneityaware data center resource allocation, and develops mechanisms for the energy optimization for next-generation applications from a multi-layer perspective.

Thermal shields for heat loss reduction in Siemens-type CVD reactors

The use of thermal shields to reduce radiation heat loss in Siemens-type CVD reactors is analyzed, both theoretically and experimentally. The potential savings from the use of the thermal shields is first explored using a radiation heat model that takes emissivity variations with wavelength into account, which is important for materials that do not behave as grey bodies. The theoretical calculations confirm that materials with lower surface emissivity lead to higher radiation savings. Assuming that radiation heat loss is responsible for around 50% of the total power consumption, a reduction of 32.9% and 15.5% is obtained if thermal shields with constant emissivities of 0.3 and 0.7 are considered, respectively. Experiments considering different thermal shields are conducted in a laboratory CVD reactor, confirming that the real materials do not behave as grey bodies, and proving that significant energy savings in the polysilicon deposition process are obtained. Using silicon as a thermal shield leads to energy savings of between 26.5-28.5%. For wavelength-dependent emissivities, the model shows that there are significant differences in radiation heat loss, of around 25%, when compared to that of constant emissivity. The results of the model highlight the importance of having reliable data on the emissivities within the relevant range of wavelengths, and at deposition temperatures, which remains a pending issue.

Analytical models for the power subsystem and the attitude control subsystem of a microsatellite

El trabajo realizado en la presente tesis doctoral se debe considerar parte del proyecto UPMSat-2, que se enmarca dentro del ámbito de la tecnología aeroespacial. El UPMSat-2 es un microsatélite (de bajo coste y pequeño tamaño) diseñado, construido, probado e integrado por la Universidad Politécnica de Madrid (España), para fines de demostración tecnológica y educación. El objetivo de la presente tesis doctoral es presentar nuevos modelos analíticos para estudiar la interdependencia energética entre los subsistemas de potencia y de control de actitud de un satélite. En primer lugar, se estudia la simulación del subsistema de potencia de un microsatélite, prestando especial atención a la simulación de la fuente de potencia, esto es, los paneles solares. En la tesis se presentan métodos sencillos pero precisos para simular la producción de energía de los paneles en condiciones ambientales variables a través de su circuito equivalente. Los métodos propuestos para el cálculo de los parámetros del circuito equivalente son explícitos (o al menos, con las variables desacopladas), no iterativos y directos; no se necesitan iteraciones o valores iniciales para calcular los parámetros. La precisión de este método se prueba y se compara con métodos similares de la literatura disponible, demostrando una precisión similar para mayor simplicidad. En segundo lugar, se presenta la simulación del subsistema de control de actitud de un microsatélite, prestando especial atención a la nueva ley de control propuesta. La tesis presenta un nuevo tipo de control magnético es aplicable a la órbita baja terrestre (LEO). La ley de control propuesta es capaz de ajustar la velocidad de rotación del satélite alrededor de su eje principal de inercia máximo o mínimo. Además, en el caso de órbitas de alta inclinación, la ley de control favorece la alineación del eje de rotación con la dirección normal al plano orbital. El algoritmo de control propuesto es simple, sólo se requieren magnetopares como actuadores; sólo se requieren magnetómetros como sensores; no hace falta estimar la velocidad angular; no incluye un modelo de campo magnético de la Tierra; no tiene por qué ser externamente activado con información sobre las características orbitales y permite el rearme automático después de un apagado total del subsistema de control de actitud. La viabilidad teórica de la citada ley de control se demuestra a través de análisis de Monte Carlo. Por último, en términos de producción de energía, se demuestra que la actitud propuesto (en eje principal perpendicular al plano de la órbita, y el satélite que gira alrededor de ella con una velocidad controlada) es muy adecuado para la misión UPMSat-2, ya que permite una área superior de los paneles apuntando hacia el sol cuando se compara con otras actitudes estudiadas. En comparación con el control de actitud anterior propuesto para el UPMSat-2 resulta en un incremento de 25% en la potencia disponible. Además, la actitud propuesto mostró mejoras significativas, en comparación con otros, en términos de control térmico, como la tasa de rotación angular por satélite puede seleccionarse para conseguir una homogeneización de la temperatura más alta que apunta satélite y la antena. ABSTRACT The work carried out in the present doctoral dissertation should be considered part of the UPMSat-2 project, falling within the scope of the aerospace technology. The UPMSat-2 is a microsatellite (low cost and small size) designed, constructed integrated and tested for educational and technology demonstration purposes at the Universidad Politécnica de Madrid (Spain). The aim of the present doctoral dissertation is to present new analytical models to study the energy interdependence between the power and the attitude control subsystems of a satellite. First, the simulation of the power subsystem of a microsatellite is studied, paying particular attention to the simulation of the power supply, i.e. the solar panels. Simple but accurate methods for simulate the power production under variable ambient conditions using its equivalent circuit are presented. The proposed methods for calculate the equivalent circuit parameters are explicit (or at least, with decoupled variables), non-iterative and straight forward; no iterations or initial values for the parameters are needed. The accuracy of this method is tested and compared with similar methods from the available literature demonstrating similar precision but higher simplicity. Second, the simulation of the control subsystem of a microsatellite is presented, paying particular attention to the new control law proposed. A new type of magnetic control applied to Low Earth Orbit (LEO) satellites has been presented. The proposed control law is able to set the satellite rotation speed around its maximum or minimum inertia principal axis. Besides, the proposed control law favors the alignment of this axis with the normal direction to the orbital plane for high inclination orbits. The proposed control algorithm is simples, only magnetorquers are required as actuators; only magnetometers are required as sensors; no estimation of the angular velocity is needed; it does not include an in-orbit Earth magnetic field model; it does not need to be externally activated with information about the orbital characteristics and it allows automatic reset after a total shutdown of attitude control subsystem. The theoretical viability of the control law is demonstrated through Monte Carlo analysis. Finally, in terms of power production, it is demonstrated that the proposed attitude (on principal axis perpendicular to the orbit plane, and the satellite rotating around it with a controlled rate) is quite suitable for the UPMSat-2 mission, as it allows a higher area of the panels pointing towards the sun when compared to other studied attitudes. Compared with the previous attitude control proposed for the UPMSat-2 it results in a 25% increment in available power. Besides, the proposed attitude showed significant improvements, when compared to others, in terms of thermal control, as the satellite angular rotation rate can be selected to achieve a higher temperature homogenization of the satellite and antenna pointing.

Thermal control of SUNRISE, a balloon-borne solar telescope

SUNRISE is a balloon-borne solar telescope flown with a long-duration balloon by NASA's Columbia Scientific Balloon Facility team from Esrange (Swedish Space Corporation), on 8 June 2009. SUNRISE has been a challenging mission from the thermal point of view because of its size and power dissipation. Thus, a dedicated thermal analysis has been carried out to find a solution that allows all the devices to be kept within their appropriate temperature ranges, without exceeding the allowable temperature gradients, critical for optical devices. In this article, the thermal design of SUNRISE is described. A geometrical mathematical model and a thermal mathematical model of the whole system have been set up for the different load cases in order to obtain the temperature distribution and gradients in the system. Some trade-offs have been necessary to fulfil all the thermal requirements. The thermal hardware used to achieve it is described. Finally, the temperatures obtained with the models have been compared with flight data.

Thermal control of SUNRISE, a balloon-borne solar telescope

SUNRISE is a balloon-borne solar telescope flown with a long-duration balloon by NASA's Columbia Scientific Balloon Facility team from Esrange (Swedish Space Corporation), on 8 June 2009. SUNRISE has been a challenging mission from the thermal point of view because of its size and power dissipation. Thus, a dedicated thermal analysis has been carried out to find a solution that allows all the devices to be kept within their appropriate temperature ranges, without exceeding the allowable temperature gradients, critical for optical devices. In this article, the thermal design of SUNRISE is described. A geometrical mathematical model and a thermal mathematical model of the whole system have been set up for the different load cases in order to obtain the temperature distribution and gradients in the system. Some trade-offs have been necessary to fulfil all the thermal requirements. The thermal hardware used to achieve it is described. Finally, the temperatures obtained with the models have been compared with flight data.