Les jumeaux numériques : un atout pour la gestion des data centers
Les data centers sont devenus des éléments essentiels de l'infrastructure informatique moderne, permettant de stocker, gérer et traiter de grandes quantités de données. Mais leur gestion peut être complexe.
Les problématiques de gestion
- Complexité de la gestion — des milliers d'équipements interconnectés (serveurs, stockage, refroidissement, alimentation) exigeant une expertise technique importante.
- Coûts élevés — acquisition, infrastructure, exploitation ; les coûts d'énergie pour alimenter et refroidir sont significatifs.
- Maintenance — essentielle au bon fonctionnement ; les arrêts planifiés peuvent interrompre temporairement les services.
- Évolutivité — les besoins évoluent vite ; l'infrastructure doit s'adapter, parfois au prix d'investissements supplémentaires.
- Sécurité — informations sensibles et confidentielles, cible potentielle de cyberattaques.
C'est là qu'interviennent les jumeaux numériques. Ces répliques virtuelles des équipements et systèmes physiques offrent aux gestionnaires une vue complète et précise de leur infrastructure : surveillance permanente, prédiction des pannes potentielles, amélioration de l'efficacité énergétique et planification des mises à niveau et réparations.
Dans ce dossier, nous explorons comment les jumeaux numériques peuvent être utilisés dans les data centers pour améliorer la gestion des équipements, réduire les coûts d'exploitation et améliorer la durabilité, ainsi que les défis potentiels associés à leur mise en œuvre.
Data center et jumeau numérique : de quoi parle-t-on ?
À l'intérieur d'un data center
Un data center est un centre de données qui contient un grand nombre d'équipements informatiques essentiels au stockage, au traitement, à la gestion et à la diffusion de milliards de données. Ces données sont stockées dans des systèmes de stockage (baies de disques durs, stockage en réseau ou en cloud) et traitées dans des milliers de serveurs. La puissance d'un data center peut atteindre 100 mégawatts (MW).
Les data centers sont des lieux particulièrement sécurisés car ils contiennent beaucoup d'informations confidentielles. Ce sont aussi des lieux climatisés : de nombreux systèmes de refroidissement maintiennent la température à une valeur optimale. Ils sont enfin équipés de systèmes d'alimentation redondants (générateurs de secours, onduleurs) pour garantir la disponibilité continue des services en cas de défaillance matérielle ou de coupure de courant.
Ces centres de données jouent un rôle fondamental dans l'infrastructure de l'internet et de l'informatique moderne, contribuant à la gestion et à la disponibilité des services en ligne utilisés quotidiennement.
Le jumeau numérique : une représentation virtuelle du monde physique
Un jumeau numérique (digital twin) est une représentation visuelle complète et fidèle d'un objet physique sur l'ensemble de son cycle de vie. Il utilise les données en temps réel des capteurs de l'objet afin de simuler son comportement en permanence, surveiller ses opérations et performances, anticiper les défaillances et prendre des décisions.
Le jumeau numérique repose sur la transmission d'information à très haut débit (fibre optique, 5G — et 6G à terme). Il est développé autour de l'Internet des objets (IoT) et de l'intelligence artificielle (IA), en particulier du machine learning et du deep learning : il fait des prédictions, observe l'écart avec la réalité, puis apprend et affine ses prévisions.
Le jumeau numérique ressemble à une simulation complexe, mais une grande différence les sépare : une simulation ne donne qu'une indication sur le comportement réel, tandis que le jumeau numérique modélise le rapport exact du produit ou système à la réalité, ainsi que l'ensemble de son cycle de vie, grâce à ses données acquises en temps réel.
Les différents types de jumeau numérique
La technologie reste globalement la même ; on distingue les jumeaux numériques par leur type d'application.
Jumeau numérique de produit
- Reproduit intégralement les composants d'un produit physique dans un environnement virtuel.
- Analyse sous différentes conditions, ajustements virtuels, décisions de conception et production éclairées.
- Améliore le produit, évite la multiplication de prototypes, minimise les risques.
Jumeau numérique de processus
- Vérifie l'efficacité d'un procédé de fabrication ou d'une chaîne de production avant la mise en production.
- Vue complète de chaque produit sortant ; prédit les besoins d'entretien préventif.
- Plus de rapidité, d'efficacité et de fiabilité.
Jumeau numérique de systèmes
- Traite numériquement des systèmes entiers pour comprendre des processus ou chaînes de production.
- Vérifie la synchronisation entre tous les systèmes.
- Améliore l'efficacité de l'ensemble du système et du produit.
Le jumeau numérique fait ses débuts dans le bâtiment
La technologie du jumeau numérique est semblable à l'association entre la GTB (Gestion Technique du Bâtiment) et le BIM (Building Information Modeling).
BIM — Building Information Modeling
Le BIM crée un modèle numérique du bâtiment visant à centraliser toutes les données d'un projet de construction dans un modèle 3D intelligent et interactif. Ce modèle contient un modèle 3D complexe mais aussi des caractéristiques non géométriques (matériaux, coûts, délais, performances énergétiques, données d'exploitation et de maintenance). Les parties prenantes interagissent en temps réel sur un même modèle : une manière de simuler et visualiser un projet avant même son démarrage pour repérer défauts d'efficacité et failles de coût. Le BIM a un caractère superviseur permettant de rectifier les erreurs avant la réalisation, et se met à jour tout au long du cycle de vie.
GTB — Gestion Technique du Bâtiment
La GTB gère efficacement les fonctions techniques, équipements et ressources, permettant de réduire la consommation énergétique du bâtiment (alors qualifié de « smart building ») en exploitation : chauffage, ventilation, climatisation, éclairage, sécurité. Leur gestion a un impact direct sur la performance énergétique et le confort des occupants.
Complémentarité
Ces deux technologies sont complémentaires : le BIM est axé sur la création et la gestion d'un modèle numérique collaboratif tout au long du projet ; la GTB se concentre sur la gestion des systèmes techniques en exploitation. Leur utilisation conjointe améliore la planification, la conception, la construction, l'exploitation et la maintenance des bâtiments.
Le jumeau numérique de data center est similaire à la fusion du BIM et de la GTB : il est doté de toutes les fonctions de ces deux technologies, ce qui le rend particulièrement complet et riche en informations.
Supervision et rôle du jumeau numérique dans un data center
Avec ou sans jumeau numérique ?
Une supervision des data centers est envisageable sans jumeau numérique, grâce à des systèmes de gestion et de surveillance classiques : les données de température, d'humidité, de consommation d'énergie et de performance des capteurs sont collectées et analysées pour surveiller l'état du centre.
Cette supervision est toutefois moins efficace qu'avec un jumeau numérique. Ce dernier est une représentation virtuelle en temps réel de toutes les données physiques et opérationnelles du data center, permettant une surveillance complète et détaillée. Ses avantages :
Précision
- Vue exhaustive et précise des données opérationnelles et des interactions complexes entre équipements ; sans lui, la surveillance reste partielle et certains problèmes échappent à la détection.
Réactivité
- La détection des problèmes est plus lente hors temps réel, retardant interventions et résolutions.
Optimisation
- La prédiction de scénarios à partir des données présentes et antérieures est propre au jumeau numérique ; sans elle, l'optimisation est plus limitée.
Le jumeau numérique est une technologie révolutionnaire des data centers : il optimise leur efficacité, leur gestion des ressources, leur sécurité et les prises de décision.
Prévenir les maintenances
La collecte et l'analyse des données des équipements permettent de surveiller les conditions environnementales (humidité, température, consommation d'énergie) et de connaître en permanence l'état des équipements, donc de détecter des signes avant-coureurs de défaillances. Une maintenance devient possible avant qu'un problème majeur n'apparaisse. Le jumeau détermine aussi les besoins futurs de consommation des systèmes (chauffage, ventilation, climatisation, éclairage, sécurité), offrant un moyen de gérer la capacité du data center (expansion ou consolidation).
Optimisation d'énergie
La consommation énergétique du data center résulte de celle de tous ses équipements. Le jumeau numérique analyse cette consommation et détermine les zones les moins efficaces, aidant à mettre en œuvre des stratégies d'optimisation énergétique pour réduire les coûts et l'empreinte environnementale.
Un outil de prévision et de planification
Grâce à sa faculté de prédiction, le jumeau numérique réalise des tests pour prédire des situations de changement avant même que les nouvelles configurations matérielles ou logicielles ne soient faites (nouvelles machines, réorganisation du câblage, ajustement de la climatisation…). Ses prédictions sur les risques d'erreurs et de dysfonctionnement permettent de valider ou non certains changements avant leur réalisation physique.
Études CFD interne et externe des data centers
Simulation de pannes : préparer l'imprévu
Le jumeau numérique réalise des études thermo-aérauliques de data center. Comme la simulation CFD, il recherche les points chauds et propose des dimensionnements climatiques optimisés ainsi que des optimisations énergétiques : il peut déterminer la température idéale de soufflage via la simulation de différents scénarios de charge et de refroidissement ; réduire cette température diminue l'énergie nécessaire et les coûts.
Un des rôles clés du jumeau numérique est son analyse critique : simuler plusieurs scénarios de pannes (arrêt d'un ou plusieurs systèmes) et observer ce qui se passe. En cas de défaillance, la température monte très rapidement ; il est donc important d'avoir prévu au préalable des systèmes adéquats pour la diminuer.
Études des départs de feu et sécurité incendie
Les jumeaux numériques permettent également d'analyser le temps de détection des incendies, le taux de propagation de la fumée, la température, la visibilité et d'autres paramètres essentiels. En utilisant des modèles détaillés basés sur les lois de la physique et des données spécifiques sur les matériaux, équipements et systèmes de sécurité incendie, les ingénieurs obtiennent des prédictions précises sur le comportement des incendies et évaluent l'efficacité des mesures de sécurité.
L'importance des études CFD externes
Les études thermo-aérauliques externes, menées par CFD, consistent à étudier le déplacement de l'air et les vents à l'extérieur du data center. Les conditions extérieures ont un impact sur les performances des équipements ; EOLIOS réalise ces études pour s'assurer d'un fonctionnement optimal même dans les circonstances les plus extrêmes.
Plusieurs scénarios sont réalisés dans différents modes opérationnels et conditions météorologiques. Ces études externes permettent de compléter l'évaluation des risques, d'optimiser la conception et de réduire la consommation énergétique du centre.
Défis potentiels, logiciel 6SigmaRoom et bilan
Des défis à ne pas négliger
Bien que les jumeaux numériques offrent de nombreux avantages, leur utilisation présente aussi des défis potentiels :
Points de vigilance
- Coût initial élevé — création coûteuse, nécessitant des investissements en équipements et logiciels de simulation sophistiqués, en particulier en mécanique des fluides et CFD.
- Complexité — environnements complexes, nombreux équipements interconnectés ; un jumeau précis exige une compréhension approfondie de l'infrastructure.
- Besoin de données précises — alimentation par des données précises et à jour, donc surveillance constante et collecte automatisée.
- Intégration avec l'existant — peut nécessiter des modifications importantes des processus et outils en place.
- Confidentialité et sécurité — les données collectées sont sensibles et doivent être protégées contre les accès non autorisés.
Le logiciel 6SigmaRoom
EOLIOS utilise la simulation CFD pour calculer et visualiser en 3D les flux d'air dans un espace, et fournit des indices de performance pour optimiser l'efficacité du refroidissement de la salle. En évitant les points chauds et en fournissant la quantité d'air adéquate au refroidissement de l'électronique, le logiciel garantit un bon fonctionnement. Le modèle complet réalisé par 6SigmaRoom gère aussi le câblage réseau et la chaîne de distribution électrique.
6SigmaRoom est l'outil le plus utilisé pour la CFD de data center de toute taille — un logiciel complet pour le jumeau numérique. Ce solveur CFD réalise une représentation 3D numérique du centre physique, prend en charge la conception et l'exploitation, et permet de simuler l'impact d'un ou plusieurs changements sur la capacité physique et l'efficacité de refroidissement — donc de simuler des pannes. Son but : concevoir des infrastructures fiables, résilientes et capables de fonctionner à leur capacité maximale tout en améliorant l'efficacité énergétique.
En résumé
Les jumeaux numériques offrent un énorme potentiel pour améliorer la performance et la gestion des data centers. En exploitant les données des capteurs et du système réel, ils aident à prévenir les pannes et à améliorer l'efficacité énergétique. Les data centers qui adoptent cette technologie bénéficient d'une surveillance plus précise, de coûts d'exploitation réduits et d'une meilleure durabilité à long terme.
Supervision, maintenance prédictive, analyse critique de pannes, études CFD interne et externe : parlons-en.
