Stromfressern den Garaus machen

Rechenzentren sind Stromfresser. Laut Berechnungen des Borderstep-Instituts verbrauchten im Jahr 2008 allein deutsche Rechenzentren mehr als zehn Terawattstunden (TWh) Strom. Kostenpunkt für die Unternehmen: rund 1,1 Mrd. Euro. Setzt sich der zwischen 2000 und 2008 gemessene Trend fort, läge der Energieverbrauch bis 2013 bei 14,7 TWh, was – bei zu erwartenden steigenden Strompreisen – die Kosten auf 2,2 Mrd. Euro verdoppeln würde. Hinzu kommt die ökologische Komponente, da der Energiebezug aus klassisch betriebenen Kraftwerken sich in der CO2-Bilanz negativ bemerkbar macht.

Grund genug für Rechenzentrumsbetreiber und IT-Dienstleister, die Energieeffizienz ihrer Data Center zu überprüfen und zu erhöhen. Borderstep hat errechnet, dass sich der Stromverbrauch durch den Einsatz der besten verfügbaren Energieeffizienztechnologien künftig selbst bei wachsender Rechen- und Speicherleistung reduzieren ließe. „Im Green-IT-Szenario würden sogar die Stromkosten bis 2013 auf 997 Mio. Euro sinken, und dies trotz weiterhin steigenden Strompreisen“, so das Institut.

Maßstäbe für Effizienz setzen

Bereits seit 2009 forschen T-Systems und Intel im Münchener DataCenter 2020 nach Wegen zu mehr Effizienz im Rechenzentrum. Als Maßstab dient ihnen der sogenannte PUE-Standard (Power Usage Effectiveness), der die gesamte im Rechenzentrum eingesetzte Energiemenge geteilt durch die reine IT-Last abbildet (siehe Infokasten). „Den PUE zu senken, ist gar nicht so schwierig wie man denkt“, sagt Dr. Rainer Weidmann, Projektleiter und IT-Architekt von T-Systems im DataCenter2020. „Auf Basis einer optimalen Rechnerauslastung lassen sich bereits mit relativ simplen Maßnahmen enorme Verbesserungen erzielen.“ Die Kooperationspartner simulierten hierfür ein gängiges Rechenzentrum in einem Testlabor, das sie mit rund 180 Servern in Racks bestückten. Der PUE-Ausgangswert lag bei rund 1,8 – am Ende der Versuchsreihen sollte eine 1,3 stehen.

Große Einsparpotentiale ergaben sich schon bei der Klimatisierung der Serverräume. Mit Hilfe von „intelligenten“ Lüftern, deren Drehzahl sich elektronisch regeln lässt, passten die Forscher die Kühlung an den tatsächlichen Bedarf an. Bereits eine Halbierung der Drehzahl spart je nach Motor bis zu 90 Prozent des Stromverbrauchs ein.

Um im Rechnerraum keine Energie zu verschwenden, ist zudem die strikte Trennung von Kalt- und Warmluft unabdingbar. Damit keine Vermischungen entstehen, bauten die Ingenieure Türen an Anfang und Ende der Rackreihe ein und überdachten den Kaltgang zwischen den Serverreihen. Lecks im Doppelboden wurden abgedichtet, so dass keine Luft mehr ausströmen konnte. Leerräume in den Racks, in denen sich Wärmenester bilden können, ließen sich mit Hilfe von Blindplatten schließen.

Auch bei der Temperierung der Serverräume war noch jede Menge „Luft“. Die heute übliche Einblastemperatur der Server von 22 bis 23 Grad erhöhten die Experten entsprechend den Empfehlungen der Ashrae (American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers) auf 27 Grad. Pro Grad Temperaturerhöhung lassen sich rund vier Prozent der Klimatisierungskosten einsparen. Darüber hinaus verdoppelten die Forscher die IT-Last von rund fünf Kilowatt pro Rack. „Dabei steigt zwar der Gesamtenergieverbrauch, doch ist der Ausnutzungsgrad pro Rack höher“, erklärt Rainer Weidmann.

Durch die Kombination aller Maßnahmen erreichten T-Systems und Intel schließlich bereits nach einem knappen Jahr ihren angepeilten PUE-Wert von 1,3. Seither sind die Ingenieure nicht untätig geblieben und haben in neuen Testszenarien weitere Verbesserungspotentiale ausgelotet. So erhöhten sie die Energiedichte auf mehr als 20 kw pro Rack und testeten deren Belastbarkeit sowohl bei Kaltgang- als auch bei Warmgangeinhausung. Die Tests zeigten, dass selbst bei dieser IT-Last der Betrieb mit Standardtechnik weiter möglich ist, ohne dass Sicherheit und Verfügbarkeit leiden.

Konzept für das Servermanagement

Als vorteilhaft erweist sich die Kaltgangeinhausung auch im Hinblick auf Ausfallszenarien, denn das Kaltluftreservoir verlängert deutlich die „Überlebenszeit“ im Rechenzentrum: Vergleichsmessungen ergaben, dass bei eingehausten Racks mit Energiedichten von 5,5 kW/Rack dreimal mehr Zeit zur Verfügung steht als ohne Einhausung, bevor die kritische 35°-Grad-Grenze erreicht wird. Anders ausgedrückt: Racks mit 17,5 kW/Rack und Einhausung haben denselben Zeitpuffer für das Anlaufen der Notstromkühlung wie heute herkömmliche Racks ohne Einhausung mit einer Last von 5,5 kw/h.

Ausschlaggebend für alle Verbesserungen der Energieeffizienz ist laut Rainer Weidmann ein ganzheitlicher Ansatz, der die komplette Prozesskette von der Energiezufuhr bis zum -verbrauch umfasst. „Alle Maßnahmen müssen ineinandergreifen. Das Management von Umgebung und Infrastruktur im RZ spielt dabei die wichtigste Rolle.“ In der nächsten Phase werden die Forscher sich die IT vornehmen und Tests mit effizienten Netzteilen, CPU-Powermanagement und dem sogenannten „Server Parking“ durchführen. Ziel ist es, ein Konzept für ein umfassendes Serverenergiemanagement zu erarbeiten.

PUE – Messgröße für Energieeffizienz
Der Industriestandard „Power Usage Effectiveness“ ist eine anerkannte Messgröße, um die Energieeffizienz eines Rechenzentrums zu bewerten. Der PUE-Wert beschreibt die in Rechenzentren eingesetzte Gesamtenergie im Verhältnis zum Strombedarf, der rein für den Rechnerbetrieb nötig ist. Beträgt der Wert 1, wird die gesamte eingesetzte Energie in Rechenleistung umgesetzt, beträgt er 2, verbrauchen Umfeld (Kühlung, Lüftung oder Beleuchtung) und Server die gleiche Energiemenge. Heutige Rechenzentren weisen üblicherweise Werte von 1,7 (relativ effizient) bis 3 (schlecht) auf. Je kleiner der Wert ausfällt, desto geringer ist der Ressourcen- und ­Budgetverbrauch.

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