Energieeffizienter RZ-Betrieb

In den IBM-Entwicklungslabors in Böblingen forschen Spezialisten daran, die gegenläufigen Ansprüche der Anwender nach immer mehr Rechenleistung bei gleichzeitig immer weniger Energieverbrauch unter einen Hut zu bringen. „Der Betrieb heutiger Rechenzentren wird neben den massiv angestiegenen Managementkosten in erster Linie durch die Energieeffizienz der eingesetzten Hardware beeinflusst“, erklärt Dr. Wolfgang Maier, Manager Hardware-Entwicklung bei der IBM Systems & Technology Group. Abhängig vom Aufbau und der Struktur des RZ verteilt sich die aufgewendete Energie zu etwa gleichen Teilen auf primäre Verbraucher wie Server und Speicher sowie auf sekundäre Konsumenten wie Lüftung und Kühlung. Um optimale Energieeffizienz zu gewährleisten, werden in den Entwicklungs­labors der IBM sowohl im Bereich der Basistechnologie als auch im Bereich der bau­lichen Einrichtungen massive Anstrengungen unternommen.

Gestaltung von energie­effizienten Serverräumen

Die Tatsache, dass ein wesentlicher Anteil des Energieverbrauchs von Serverräumen nicht auf die Server selbst, sondern auf die zu deren Betrieb notwendige Infrastruktur entfällt, wird häufig übersehen. Die Senkung dieses Anteils und damit die Verbesserung des Wirkungsgrades der Serverräume ist eine wesentliche Einflussgröße für den energieeffizienten Betrieb. Das Kompetenzzentrum Green IT des Bundesverwaltungsamtes (BVA, www.bit.bund.de) hat beispielsweise die gesammelten Projekterfahrungen und Best Practices zur infrastrukturellen Gestaltung von Serverräumen in einem Empfehlungsdokument „Gestaltung von energieeffizienten Serverräumen“ zusammengefasst.

Das Dokument enthält Vorschläge für eine Klassifizierung bestehender und zukünftiger Serverräume und liefert bauliche Empfehlungen zum Neu- und Umbau von Serverräumen aus „Green IT“-Sicht. Es enthält konkrete Handlungsempfehlungen für Gebäude und Infrastruktur, für Energieversorgung, für Klimatisierung und zum strukturellen Aufbau – jeweils mit Bezug zur getroffenen Klassifizierung des Serverraumes. Gerade bei kleinen Serverräumen werden Möglichkeiten zur Energieeffizienz oft unterschätzt. „Green IT“-Maßnahmen lassen sich aber auf alle Größen von Serverräumen anwenden und bringen in ihrer Kombination signifikante Einsparungen.

Neuartige Kühlkonzepte

„Neuartige Kühlkonzepte können eine Erhöhung der Kaltlufttemperatur von mehreren Grad erlauben und bei einem durchschnittlichen Rechenzentrum zu Einsparungen in der Größenordnung von einigen Megawattstunden pro Jahr führen“, nennt Maier nur eine von vielen denkbaren Maßnahmen. Je früher derartige Konzepte in die Planungsphase integriert werden, desto preiswerter lassen sich die Maßnahmen umsetzen.

Derweil wird in den Böblinger IBM-Labors die Grundlagenforschung vorangetrieben. Das deutsche Forschungs- und Entwicklungszentrum, das mit ca. 1.800 Ingenieuren weltweit eine der größten Entwicklungsstätten der IBM darstellt, liefert auch in der Prozessorentwicklung signifikante Innovationsbeiträge. So wurde beispielsweise ein Großteil der arithmetischen Recheneinheiten des neuen Prozessors Power7+in Böblingen konzipiert.

Der Prozessorchip, der in 32-nm-CMOS-SOI-Technologie gefertigt wird, stellt das neuste Familienmitglied der vor mehr als 20 Jahren eingeführten RISC-Prozessoren dar. Mit neuen Konzepten wurde eine Verdopplung der Geschwindigkeit der „Single precision“-Berechnungen erreicht, die in vielen Anwendungen zum Einsatz kommen. Desweiteren wurde das interne Chip-Management um noch effizientere Energiesparmodi erweitert, die durch die automatisierte Abschaltung nicht benötigter Prozessorressourcen Energieeinsparungen von bis zu 95 Prozent erlauben.

Das Augenmerk der Entwickler liegt nach den Worten von Thomas Pflüger, Spezialist für Halbleitertechnologie im Böblinger Labor, nicht nur auf dem Prozessor selbst, sondern auch auf dem Memory-Management. Um relevante Einsparpotentiale zu erschließen, muss nach seinen Worten das Serversystem als Ganzes betrachtet werden. Singuläre Maßnahmen auf Prozessorebene reichen nicht. „Der Energiebedarf, der auf das Memory entfällt, fällt häufig stärker ins Gewicht als der des Prozessors. Prozessorkerne lassen sich relativ einfach abschalten, wenn deren Rechenleistung nicht benötigt wird. Da Memory in den meisten Fällen shared betrieben wird, ist hier das Abschalten oft nicht möglich“, so Thomas Pflüger.

Singuläre Maßnahmen auf Prozessorebene reichen nicht

Obwohl die Entwicklung von Halbleiterchips in den vergangenen Jahrzehnten enorme Fortschritte erzielt hat, sind physikalische Potentiale noch nicht ausgereizt. Der von Intel im Frühjahr 2011 vorgestellte weltweit erste 3D-Transistor eröffnet auch Prozessorentwicklern neue Perspektiven. Die sogenannten Tri-Gate-Transistoren für Chips mit 22 Nanometer Fertigungsgröße kombinieren nach Aussage von Intel „beispiellose“ Energieersparnis und Rechenleistung. „3D-Transistoren haben die gleiche Leistungsfähigkeit wie traditionelle Transistoren, allerdings bei deutlich niedrigerer Spannung. Diesen technologischen Fortschritt wird auch IBM in der Prozessorentwicklung nutzen, um die Verlustleistung zu reduzieren und noch höhere Integrationsdichten zu realisieren“, erklärt Pflüger.  

Neben der Entwicklung energieeffizienter Prozessoren stehen intelligente Verfahren zur Steuerung von Serversystemen im Fokus des Interesses. Dabei geht es laut Dr. Wolfgang Maier konkret um die Fähigkeit moderner Server, bei auftretenden Teillastzu­ständen selbständig auf reduzierten stromsparenden Betrieb zurückzufahren.

Innovative Tools für Workload-Management und -Planung

Eine Schlüsselrolle könnten dabei zukünftig neuartige Middleware-Lösungen wie die IBM-Plattform LSF übernehmen. Dabei handelt es sich um ein umfassendes Set an intelligenten, vorgabebasierten Workload-Management- und Planungstools, die verwendet werden, um High-Performance-Computing-Workloads in einer verteilten, virtualisierten IT-Umgebung mit bis zu 100-prozentiger Auslastung zu verwalten und dabei die Betriebskosten niedrig zu halten.

„In modernen, komplett virtualisierten Rechenzentren werden Jobs künftig nicht mehr direkt auf einzelne Maschinen gegeben, sondern über zentral gesteuerte Logiken und Mechanismen abgearbeitet. Der Admini­strator hat dabei die Möglichkeit, einen Verarbeitungsmodus zu wählen zwischen optimalem Energieverbrauch und bestmöglicher Performance“, attestiert Marco Eibach, IBM-Experte für RZ-Infrastrukturen.

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