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Große Wirkung durch viele kleine Schritte

Die Effizienz von Datencentern hängt in starkem Maße von der physikalischen Infrastruktur ab. Wer ihre Komponenten wie USV, Kühlung und Management zu optimieren versteht, schafft Synergien für ergänzende Maßnahmen, wie z.B. Servervirtualisierung und -standardisierung.

Die laufende Debatte um den Klimaschutz und steigende Strompreise lassen den Energieverbrauch zu einer unternehmenskritischen Größe werden. Laut Gartner hat sich der Stromverbrauch für Server im Zeitraum von 2000 bis 2005 verdoppelt. Allein auf die US-Server entfallen demnach 0,6% des weltweiten Energiebedarfs. Und so rückt die Steigerung der Energieeffizienz von Datencentern ins Visier der technischen und kaufmännischen Entscheider. Zu den gängigen Maßnahmen zählen u.a. das Ablösen alter IT-Systeme, die Standardisierung der Serverlandschaft, ein effizienterer Betrieb der Hardware durch Virtualisierung oder die Migration auf energiesparende Computing-Plattformen. Oftmals bleibt jedoch die Betrachtung der physikalischen IT-Infrastruktur außen vor, obgleich hier Verbesserungspotentiale schlummern.

Hohes Potential: physikalische IT-Infrastruktur

Rein rechnerisch ergibt sich die Datencentereffizienz aus dem Verhältnis von der Eingangsleistung der IT (IT Power IN) zur Eingangsleistung des Datencenters (Datacenter Power IN). Je geringer der Stromverbrauch des Equipments der physikalischen IT-Infrastruktur ist, desto höher wird bei gleich bleibender Eingangsleistung der für das IT-Equipment verbleibende Anteil der Netzleistung. In der Folge steigt auch die Datencentereffizienz entsprechend an. Wie schlecht dieses Verhältnis in vielen Fällen ist, zeigt sich darin, dass allein die Kühlung eines typischen Datencenters mehr Leistung verschlingt als das
eigentliche IT-Equipment. Neben diesem großen Brocken gibt es aber noch einige weitere Einsparpotentiale, die entlang der Versorgungskette zu finden sind, wie z.B. die Klimatisierung, die unterbrechungsfreie Stromversorgung (USV, engl.: UPS) oder die Stromverteiler (Power Distribution Unit, PDU). Auch das Management besitzt einen nicht zu vernachlässigenden Einfluss auf die Datencentereffizienz. Zusammenfassend lassen sich folglich vier große Optimierungsbereiche definieren:

1. Klima und Kühlung – ca. 40% des Stromverbrauchs

Die Kühlaggregate eines typischen hochsicheren Datencenters mit 2N-Redundanz und N+1-redundanter Raumklimaanlage verbrauchen nach einer Untersuchung des Infrastrukturlösungsanbieters APC-MGE etwa ein Drittel der Eingangsleistung. Für eine separate Klimatisierung des Computerraumes (CRAC) fallen durchschnittlich nochmals rund 9% und damit insgesamt ca. 40% an. Das IT-Equipment nimmt entsprechend der typischen Auslastung von Datencentern ca. 30% der Leistung auf. Folgt man dem aktuellen Serverkonsolidierungstrend und lässt dabei die physikalische IT-Infrastruktur außerhalb der Betrachtung, treiben die höheren Leistungsdichten von Blade- und 1U-Servern Abwärme je Rack mühelos auf Werte von bis zu 20kW. Um den Kühlungsbedarf zu drosseln und somit mehr Strom für das Equipment zur Verfügung zu stellen, verbreitern viele Anwender die Gänge zwischen den Schrankreihen. Eine Behelfsmaßnahme, die jedoch nur in großen Räumen zur Verfügung steht und endgültig versagt, wenn die Abwärme zu hoch wird. Um die Energieeffizienz dauerhaft zu verbessern, hilft hingegen ein modular aufgebautes Kühlungskonzept.

Kühlung innerhalb der Schrankreihen

Dabei setzt sich das sogenannte InRow-Cooling durch. Es bietet bei kleineren Datencentern in engen räumlichen Verhältnissen eine Alternative zur konventionellen Raumklimatisierung und kommt dabei auch ohne kostspielige Doppelbodenkonstruktionen aus. InRow-Kühlungslösungen werden als eigenständige Schränke innerhalb der Schrankreihe platziert. Durch die Nähe zum IT-Equipment lassen sich zum einen hohe Leistungsdichten erzielen, zum anderen reduziert sich die Stromaufnahme der Lüfter um bis zu 50%. Als weiteren Nebeneffekt machen sie in vielen Fällen auch eine separate Luftbefeuchtung bzw. Wiederbefeuchtung überflüssig, was eine zusätzliche Stromersparnis in der Größenordnung von 3% bringt. In Verbindung mit einem Hot-Aisle-Containment-System, das die Warmluft in einem heißen Gang zwischen den Rack-Zeilen konzentriert, lassen sich so auch High-Density-Umgebungen mit bis zu 30kW Wärmeleistung pro Rack bewältigen. Ein weiterer Vorteil des InRow-Konzeptes ist die gute Skalierbarkeit. Da die Aggregate in die Schrankzeilen integriert sind, können zusätzliche Kühlgeräte eingefügt werden, um die Kapazität zu erhöhen.

2. Die USV – ca. 18% des Stromverbrauchs

Die USV verbraucht im Mittelwert rund 18% der Netzleistung eines 2N-redundanten Datencenters. Moderne USV-Technologien sind in der Lage, die auf diese Komponenten entfallenden Energiekosten zu senken. Dies gilt für moderne Dreiphasen-USVen mit Doppelwandlertechnologie. Das Konverterdesign arbeitet sehr effizient, darüber hinaus werden die Leerlaufverluste im unausgelasteten Betrieb um bis zu 70% reduziert. Hocheffiziente USV-Modelle arbeiten auch schon ab 30% Auslastung mit sehr kleinen Verlusten. Weitere Effizienzsteigerungen ergeben sich ferner aus einem modularen, integrierten USV-Ansatz, wie ihn beispielsweise APC-MGE mit der Lösung APC InfraStruXure für mittelgroße bis große Datencenter offeriert. Darin lassen sich USV-Module bedarfsabhängig ergänzen. Das Datencenter lässt sich somit im optimalen Auslastungsbereich betreiben. Moderne USV-Systeme erreichen die besten Wirkungsgrade und somit optimale Nutzung bei einer Auslastung von 75 bis 80%. Die interne Redundanz moderner USV-Konzepte trägt ihrerseits zur Datencentereffizienz bei: Um beispielsweise eine einfache Redundanz bei einer Kapazität von 160kW zu erzielen, genügt dann statt einer zweiten USV mit 160kW, ein weiteres USV-Modul mit nur 16kW Leistung.

3. Skalierbarkeit statt Überdimensionierung

Nicht nur im Bezug auf das USV-Design gewinnt das Thema Skalierbarkeit an Bedeutung. Im Hinblick auf eine optimale Auslastung des Datencenters nahe der Kapazitätsgrenze muss vielmehr die komplette Infrastruktur skalierbar werden – inklusive Kühlung. Hier kommt wieder der InRow-Ansatz zum Tragen. Die in die Schrankreihen integrierten Klimaschränke lassen sich schnell und einfach erweitern. Dass laut Gartner bereits 63% der befragten Datencenter-Manager ihre Kühlung innerhalb der kommenden zwei Jahre auf InRow umstellen wollen, zeigt die Dringlichkeit dieser Maßnahme. Erst sie schafft die physische Voraussetzung für erfolgreiche Virtualisierungsprojekte, mit denen schließlich die Serverkapazitäten skalierbar und daher effizient nutzbar gemacht werden sollen. Damit würde dann eine häufig anzutreffende Datencenterpraxis verschwinden: die Überdimensionierung. Sie führt nach wie vor dazu, dass Datencenter meist 65 bis 70% unterhalb ihrer Kapazitätsgrenze operieren. Der Grund hierfür liegt gewöhnlich in der Absicht, einen Kapazitätspuffer für künftige Erweiterungen zu schaffen. Diese Planungspraxis bezahlt man jedoch mit jedem ungenutzten Kilowatt, denn die Verluste durch USV- und Kühlungskomponenten nehmen über das komplette Auslastungsspektrum zunächst exponentiell und dann erst linear ab. Je höher also die Auslastung, desto höher auch die Effizienz. Die mangelnde Auslastung überdimensionierter Datencenter erscheint schwerwiegend, wenn die Serverumgebung ohne die Infrastruktur optimiert wird, z.B. mithilfe von Virtualisierung oder einem verbesserten Strommanagement. Denn dann werden die Lastspitzen, für die das Datencenter ursprünglich ausgelegt war, noch weniger erreicht. Ein Tipp aus der Datencenterpraxis: Um auch in leistungsschwächeren Zeiten (z.B. nachts) eine bessere Auslastung zu erreichen, sollten diese Perioden beispielsweise für Backup-Schleifen genutzt werden.

4. Kapazitätsplanung und Management

Die Kapazitätsplanung kann ebenfalls einen Beitrag zur Effizienzsteigerung liefern, wenn sie beispielsweise darauf abzielt, die IT-Last bei gleichbleibender Strom- und Kühlungsleistung anzuheben. Dabei gilt es auch, ungenutzte Strom- und Kühlungskapazitäten zu vermeiden, die sich häufig aus spontanen Veränderungen an Equipment, Redundanzen oder Datencenter-Layout ergeben. Das ist problematisch, wenn versäumt wird, auch die zukünftigen Auswirkungen dieser Veränderungen zu berücksichtigen. Das nötige Change-Management lässt sich recht bequem und übersichtlich über spezifische Softwarelösungen abbilden. Die drei Grundelemente der physikalischen IT-Infrastruktur – Datencenter-Design, Anwendung und Management – verbindet der Anbieter APC-MGE in einer gemeinsamen Plattform: Während der Change Manager nötige Umgestaltungen, die z.B. aufgrund von Neuinstallationen, Transporten oder Austausch von veraltetem IT-Equipment nötig werden, zu beschleunigen und präzisieren vermag, liefert das Softwaremodul Capacity Manager Echtzeitanalysen der Stromverbrauchswerte und der thermischen Zustandsdaten der physikalischen IT-Infrastruktur. Damit lassen sich zu jedem Zeitpunkt die optimalen Standorte für einzelne Datencenterkomponenten wie z.B. Server oder Netzwerk-Equipment bestimmen. Beide Software-Tools arbeiten mit dem Standard-Managementsystem ISX-Central 4.0 zusammen, welche den Administratoren ein umfassendes und herstellerunabhängiges Monitoring und Controlling der gesamten Versorgungskette inklusive USV, Stromverteiler und Kühlung ermöglicht. Unerwartete Unterbrechungen oder Betriebsstörungen lassen sich somit im Vorfeld erkennen und mithilfe eines Eskalationssystems vermeiden. Nebenbei leisten solche ITIL-konformen Hilfen auch einen Beitrag zur Qualitätssicherung oder sogar zur Umsetzung von Umwelt- und Klimaschutzrichtlinien.

Fazit und Ausblick: Wohin geht die Reise?

Die konsequente Verbesserung der vier Bereiche Kühlung, USV, Skalierbarkeit sowie Planung und Management versetzt Unternehmen und Behörden in die Lage, ihre reale IT-Nutzung besser abzubilden und dadurch eine optimale Auslastung zu erzielen. Laut APC-MGE läßt sich auf diese Weise durchschnittlich 20% mehr Effizienz erzielen. Bei 30% IT-Last tritt sogar bis zu 28% weniger Verlustleistung auf. Doch damit ist die Entwicklung noch nicht zu Ende: Weil nächste USV-Generationen nur noch wenig Potential für Verbesserungen bieten, wird sich die zukünftige Entwicklungsarbeit verstärkt den High-Density-Lösungen widmen, die angesichts der laufenden Virtualisierungs- und Serverkonsolidierungswelle obligatorisch werden. Neben neuen Standards und der Echtzeitüberwachung wird vor allem auch die Rohstoffreduzierung eine im Vergleich zu den aktuellen Effizienzbestrebungen ähnliche Bedeutung erfahren. Da sich diese Zukunftstrends teils schon in heutigen Produkten abzeichnen, empfiehlt sich die Investition in eine zukunftssichere und standardbasierte Infrastrukturlösung, in welche sich die kommenden Neuerungen modular und sukzessive integrieren lassen.

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