Mit Cloud Computing und Klimatechnik Energie sparen

05.03.2012


T-Systems und Intel setzen ihre Forschungskooperation nach ersten erfolgreichen Erkenntnissen fort. Ziel ist es, den Stromverbrauch in Rechenzentren so weit wie möglich zu senken. Zentrale Fragestellung: Wie lässt sich hohe Serverleistung mit geringem Energiebedarf vereinbaren und welche Rolle spielt Cloud Computing dabei?

In Rechenzentren verbergen sich viele Stromfresser und diese reißen ein tiefes Loch ins Betreiberbudget und in die CO2-Bilanz. Kalkulationen des Borderstep-Instituts für Innovation und Nachhaltigkeit zufolge schluckten deutsche Rechenzentren 2008 insgesamt über zehn Terawattstunden (TWh) Strom - so viel wie vier Kohlekraftwerke mittlerer Größe erzeugen. Die Betreiber kostete das rund 1,1 Milliarden Euro. Setzt sich der zwischen 2000 und 2008 gemessene Trend fort, liegt der Energieverbrauch 2013 bei 14,7 TWh. Das würde die Kosten - gleichbleibend steigende Energiepreise vorausgesetzt - auf 2,2 Milliarden Euro verdoppeln.

Höchste Zeit also, Stromfresser aufzuspüren und auszuschalten. T-Systems und Intel gehen hierbei gemeinsam in die Verantwortung. Bei ihrer Arbeit im Münchner Test-Rechenzentrum mit rund 180 Servern haben sie seit September 2009 schon eine Menge erreicht: So konnte der Power-Usage-Effectiveness-Ausgangswert (PUE) innerhalb eines Jahres von ursprünglich 1,8 auf 1,3 gesenkt werden. Dieser Wert beschreibt den Einsatz des gesamten Stroms im Vergleich zum Stromverbrauch der Rechner. Bei einem PUE von 1,8 wird also fast genau so viel Energie zum Kühlen der Rechner eingesetzt wie zum eigentlichen Betrieb derselben (s. Kasten: PUE).

Weniger Energieverbrauch mit einfachen Mitteln
Über eins waren die ICT-Experten selbst verblüfft: "Die Energieeffizienz im Rechenzentrum zu erhöhen, ist gar nicht so schwierig wie allgemein angenommen", sagt Dr. Rainer Weidmann, Projektleiter und IT-Architekt von T-Systems im DataCenter2020. "Auf Basis einer bestmöglichen Rechnerauslastung lassen sich bereits durch Kombinieren relativ simpler baulicher Maßnahmen in Verbindung mit intelligenten Geräten enorme Verbesserungen erzielen."

Allein durch den Einsatz von Cloud Computing und die damit verbundene intelligente Rechnerauslastung sinkt der Stromverbrauch des Serverpools um 80 Prozent, da insgesamt weniger Rechner im Einsatz sind. Belegte bisher ein Kunde mit eigener Software einen einzelnen Server lediglich zu einem Fünftel, teilen sich beim Cloud Computing die Kunden Rechner, Betriebssysteme und Programme. Damit steigt die Serverauslastung erheblich und der Stromverbrauch insgesamt sinkt.

Einsparpotenzial darüber hinaus bietet die Klimatisierung der Serverräume. Lüfter, bei denen sich die Drehzahl elektronisch regeln lässt, erlauben es, die Umluftkühlung jeweils an den aktuellen Bedarf anzupassen. Schon ein Zurückfahren der Drehzahl auf 50 Prozent reduziert den Energieverbrauch um bis zu 90 Prozent.

Warm und kalt bleibt getrennt
Warme und kalte Luft sollten zudem strikt voneinander getrennt bleiben, um im Serverraum keine Energie zu vergeuden. Die Technikexperten installierten daher Türen am Anfang und Ende jeder Schrankreihe mit den Rechnern darin und überdachten den Kaltgang zwischen ihnen. Lecks im Doppelboden dichteten sie ab, damit keine Luft mehr ausströmen kann. Schließlich wurden mit Blindplatten die Leerräume in den Schränken verschlossen, um Wärmenester zu verhindern.

Nicht zuletzt ist die richtige Temperierung ausschlaggebend. Heute strömt üblicherweise Warmluft mit 22 bis 23 Grad in die Server. Diese kann - auch nach Empfehlung der American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers, kurz ASHRAE - durchaus auf 27 Grad erhöht werden. Jedes Grad höhere Temperatur spart rund vier Prozent Klimatisierungskosten, so die Erkenntnis der Rechenraumforscher. Außerdem verdoppelten sie die IT-Last von rund fünf Kilowatt (kW) pro Rechnerschrank. Das ist kein Widerspruch, denn "damit steigt zwar der Gesamtenergieverbrauch, aber auch der Ausnutzungsgrad pro Rechnerschrank", so Weidmann.

Forschung geht weiter
Doch obwohl das Ziel, den PUE auf 1,3 zu drücken, relativ schnell erreicht wurde, lehnen sich T-Systems und Intel mit den Ergebnissen nicht zurück: Sie entdeckten bereits weitere Möglichkeiten für die Optimierung des Energieverbrauchs. Unter anderem fuhren sie die Energiedichte auf mehr als 20 kW pro Rechnerschrank herauf und prüften ihre Belastbarkeit bei Kaltgang- genauso wie bei Warmgangeinhausung. Fazit: Mit der höheren IT-Last lassen sich die Server mit Standardtechnik ohne Beeinträchtigungen in Sicherheit und Verfügbarkeit betreiben. Zwischen Kalt- und Warmgang konnten die Forscher hierbei keine großen Unterschiede bei der Effizienzsteigerung feststellen.

Die Kaltgangeinhausung erwies sich in den Tests als die ausfallsicherere Variante: Eingehauste Racks mit Energiedichten von 5,5 kW pro Rechnerschrank erreichen die kritische Grenze von 35 Grad Celsius dreimal später als uneingehauste. Das bedeutet: Eingehauste Schränke mit Energiedichten von 17,5 kW pro Einheit haben denselben Zeitpuffer wie konventionelle Rechnerschränke ohne Einhausung mit einer Last von 5,5 kW, bevor die Notstrom-Kühlung anläuft.

Ganzheitlicher Ansatz wichtig
Und wie geht es weiter? "Entscheidend für alle Verbesserungen der Energieeffizienz ist ein ganzheitlicher Ansatz, der die vollständige Prozesskette von der Energiezufuhr bis zum -verbrauch umfasst", sagt Energieexperte Weidmann. "Alle Maßnahmen müssen aufeinander abgestimmt sein. Das Management von Umgebung und Infrastruktur im Rechenzentrum spielt dabei die wichtigste Rolle."

Auf der folgenden Forschungsstufe wollen die Experten von T-Systems und Intel daher die IT-Ausstattung und ihren Energiebedarf untersuchen. Dazu gehören etwa Versuchsreihen mit energieeffizienten Netzteilen sowie Server- und CPU-Power-Management (CPU = Central Processing Unit).

Auch Power-Capping und Server-Parking wollen die Spezialisten testen. Beim Power-Capping beschränken Administratoren mit elektronischer Unterstützung den Stromverbrauch der Server. Sie laufen dann auch bei Lastspitzen nicht mit ihrer höchsten Leistung und benötigen auch die Klimaanlage nicht in vollem Umfang. Das verringert letztlich die Gefahr der Überlastung existierender Stromversorgungen. Rechenzentren lassen sich so von Anfang an bestmöglich planen. Auf derselben Grundfläche lassen sich mehr Server platzieren. Server-Parking daneben erlaubt es, bei der Konsolidierung von Rechenlast auf einem Anteil der vorgehaltenen Rechner andere mit geringer Auslastung vollständig abzuschalten.

Am Ende aller Testreihen steht ein Konzept für ein umfassendes Server-Energie-Management. Damit tritt dann allerdings der PUE-Wert als alleinige Kennzahl für Energieeffizienz in den Hintergrund. Denn das ist das Paradoxe: Wenn IT-Komponenten und Server - nicht zuletzt durch einen höheren Anteil an Virtualisierungsmechanismen für Cloud Computing - weniger Strom verbrauchen, steigt dieser Wert wieder an. "Es ist ein einfaches Rechenbeispiel", sagt Weidmann. "Der PUE-Wert teilt die in Rechenzentren eingesetzte Gesamtenergiemenge durch den reinen Energieverbrauch der IT. Sinkt dieser, erhöht sich der PUE. Ein ganzheitlicher Managementansatz bewirkt deshalb wesentlich mehr für die Energieeffizienz als ein einfacher Messwert. PUE ist längst nicht alles."

PUE misst Energieeffizienz
Der Industriestandard "Power Usage Effectiveness" ist ein Messwert, mit dem sich die Energieeffizienz eines Rechenzentrums bestimmen lässt. Er beschreibt die in Rechenzentren eingesetzte Gesamtenergie im Verhältnis zum Strombedarf, der allein für den Rechnerbetrieb nötig ist. Je kleiner der Wert, desto geringer der Ressourcen- und Budget-Verbrauch: Bei 1 wird die gesamte eingesetzte Energie in Rechenleistung umgesetzt. Bei 2 verbrauchen Umfeld (Kühlung, Lüftung oder Beleuchtung) und Server die gleiche Energiemenge. Derzeit weisen Rechenzentren üblicherweise Werte von 1,7 (relativ effizient) bis 3 (ungünstig) auf.

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