Einsparpotenziale für Rechenzentren Die Hebel für Energieeffizienz bei der IT-Infrastruktur

Die heiß diskutierte Effizienz von Serverräumen und Rechenzentren hängt in erheblichem Maß von der physikalischen IT-Infrastruktur ab. Wer ihre Komponenten wie USV, Kühlung und Management zu optimieren versteht, schafft wichtige Synergien für ergänzende Maßnahmen wie z.B. Servervirtualisierung und -standardisierung.

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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. Deshalb rückt eine höhere Energieeffizienz von Serverräumen und Rechenzentren zunehmend ins Visier der technischen und kaufmännischen Entscheider. Zu den gängigen Maßnahmen zählen unter anderem das Ablösen alter IT-Systeme, die Standardisierung der Serverlandschaft, ein effizienterer Betrieb der Hardware durch Virtualisierung oder die Migration auf Energie sparende Computing-Plattformen. Oftmals unterbleibt jedoch die Analyse der physikalischen IT-Infrastruktur, obgleich hier lohnende Verbesserungspotenziale schlummern.

Physikalische IT-Infrastruktur bietet großes Sparpotenzial

Rein rechnerisch ergibt sich die Effizienz von Serverräumen und Rechenzentren aus dem Verhältnis der Eingangsleistung der IT zur Eingangsleistung der physikalischen IT-Infrastruktur. Je geringer der Stromverbrauch des Equipments der physikalischen IT-Infrastruktur ist, desto höher wird bei gleich bleibender Eingangsleistung der für die IT-Ausstattung verbleibende Anteil der Netzleistung. In der Folge steigt auch die Effizienz von Serverräumen und Rechenzentren entsprechend an (Bild 1). Wie schlecht jedoch dieses Verhältnis in den meisten Fällen ist, zeigt sich darin, dass allein die Kühlung eines typischen Rechenzentrums mehr Leistung verbraucht, als die eigentlichen IT-Geräte.

Daneben gibt es einige weitere Einsparpotenziale, die entlang der Versorgungskette zu finden sind, wie zum Beispiel die Klimatisierung, die unterbrechungsfreie Stromversorgung oder die Stromverteiler (Bild 2). Auch das Management besitzt einen nicht zu vernachlässigenden Einfluss auf die Effizienz von Serverräumen und Rechenzentren. Zusammenfassend lassen sich in vier große Optimierungsbereiche definieren: Klima und Kühlung, USV, Skalierbarkeit sowie Planung und Management.

Klima und Kühlung – ca. 40% des Stromverbrauchs

Die Stromaufnahme der Kühlaggregate eines typischen hochsicheren Rechenzentrums mit 2N-Redundanz und N+1-redundanter Raumklimaanlage verbrauchen nach einer Untersuchung des Infrastrukturlösungsanbieters APC by Schneider Electric etwa ein Drittel der Eingangsleistung. Für eine separate Klimatisierung des Computerraumes (CRAC) fallen durchschnittlich nochmals rund neun und damit insgesamt ca. 40% an.

Das IT-Equipment nimmt entsprechend der typischen Auslastung von Serverräumen und Rechenzentren ca. 30% der Leistung auf. Die höheren Leistungsdichten von Blade- und 1U-Servern treiben die Abwärme je Rack auf Werte von bis zu 20 kW. Um die Kühllast zu drosseln und somit mehr Strom für die Geräte zur Verfügung zu stellen, verbreitern viele Anwender die Gänge zwischen den Schrankreihen – eine Behelfsmaßnahme, die jedoch nur in großen Räumen realisierbar ist und versagt, wenn die Abwärme zu hoch wird. Um die Energieeffizienz dauerhaft zu verbessern, hilft nur ein intelligentes und modular aufgebautes Kühlkonzept.

Kühlen innerhalb der Schrankreihen

Dabei setzt sich insbesondere die sogenannte Reihenkühlung durch. Sie bietet nicht zuletzt bei Serverräumen in engen räumlichen Verhältnissen eine effizientere Alternative zur konventionellen Raumklimatisierung und kommt dabei auch ohne kostspielige Doppelbodenkonstruktionen aus.

Lösungen zur Reihenkühlung werden als eigenständige Racks innerhalb des Racksystems platziert. Durch die Nähe zum IT-Equipment lassen sich zum einen höhere Leistungsdichten absichern, zum anderen reduziert sich auch die Stromaufnahme der Lüfter um bis zu 50%. Als weiteren Nebeneffekt machen sie in vielen Fällen eine separate Luftbefeuchtung bzw. Wiederbefeuchtung überflüssig, was eine zusätzliche Stromersparnis in der Größenordnung von drei Prozent bringt. In Verbindung mit einem sogenannten Warmluftkorridorsystem, das die Warmluft in einem heißen Gang zwischen den Rack-Zeilen konzentriert, lassen sich auch Umgebungen mit hohen Leistungsdichten von bis zu 30 kW Wärmeleistung pro Rack bewältigen.

Ein weiterer Vorteil der Reihenkühlung ist die gute Skalierbarkeit. Da die Aggregate in die Rack-Zeilen integriert sind, können jederzeit auch zusätzliche Klima- und Lüftungssysteme eingefügt werden, um die Kapazität zu erhöhen.

Die USV – ca. 18% des Stromverbrauchs

Die USV verbraucht im Mittelwert rund 18% der Netzleistung eines 2N-redundanten Rechenzentrums. Moderne USV-Technologien sind jedoch in der Lage, die auf diese Komponenten entfallenden Energiekosten deutlich zu senken. Dies gilt insbesondere für moderne Dreiphasen-USVen mit Doppelwandlertechnologie. Das verbesserte Konverterdesign arbeitet darin etwa doppelt so effizient wie ältere USV-Anlagen, darüber hinaus werden die Leerlaufverluste im unausgelasteten Betrieb um bis zu 70% reduziert. Hoch effiziente USV-Modelle arbeiten sogar schon ab 30% Auslastung mit nahezu minimalen Verlusten (Bild 3).

Weitere Effizienzsteigerungen ergeben sich aus einem modularen, integrierten USV-Ansatz, wie ihn beispielsweise APC by Schneider Electric mit der Lösung APC InfraStruXure für mittelgroße bis große Rechenzentren offeriert. Darin lassen sich USV-Module bedarfsabhängig ergänzen. Das Rechenzentrum lässt sich somit immer im optimalen Auslastungsbereich betreiben.

Dieser liegt – entgegen einer weit verbreiteten Ansicht – nur theoretisch bei 100%. Moderne USV-Systeme erreichen die besten Wirkungsgrade und somit die optimale Nutzung bei einer Auslastung von 75 bis 80%. Die interne Redundanz moderner USV-Konzepte trägt ihrerseits zur Effizienz von Serverräumen und Rechenzentren bei: Um beispielsweise eine einfache Redundanz bei einer Kapazität von 160 kW zu erzielen, genügt dann statt einer zweiten USV mit 160 kW, ein weiteres USV-Modul mit einer Leistung von 16 kW.

Skalierbarkeit statt Überdimensionierung

Nicht nur in Bezug auf das USV-Design gewinnt das Thema Skalierbarkeit stark an Bedeutung. Im Hinblick auf eine optimale Auslastung von Serverräumen und Rechenzentren nahe der Kapazitätsgrenze muss vielmehr die komplette physikalische Infrastruktur skalierbar werden – inklusive Kühlung. Hier kommt wieder der Ansatz der Reihenkühlung zum tragen. Die in die Schrankreihen integrierten Klimageräte lassen sich ebenso schnell und einfach erweitern wie gewöhnliche 19? IT Racks.

Dass laut Gartner bereits 63% der befragten IT-Manager ihre Kühlung innerhalb der kommenden zwei Jahre auf Reihenkühlung umstellen wollen, zeigt die Dringlichkeit dieser Maßnahme. Erst sie schafft die physische Voraussetzung für erfolgreiche Virtualisierungsprojekte, mit denen schließlich die Serverkapazitäten skalierbar und daher effizienter nutzbar gemacht werden sollen.

Damit würde dann auch endlich eine immer noch häufig anzutreffende Praxis in Serverräumen und Rechenzentren verschwinden: Die Überdimensionierung. Sie führt nach wie vor dazu, dass physikalische IT-Infrastrukturen meist 65 bis 70% unterhalb ihrer Kapazitätsgrenze operieren. Der Grund hierfür liegt gewöhnlich in der Absicht, einen Kapazitätspuffer für künftige Erweiterungen zu schaffen.

Je höher die Auslastung desto höher die Effizienz

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 (Bild 4). Je höher also die Auslastung, desto höher auch die Effizienz.

Die mangelnde Auslastung überdimensionierter Serverräume und Rechenzentren ist noch schwerwiegender, wenn die Serverumgebung ohne die physikalische IT-Infrastruktur optimiert wird, z.B. mithilfe von Virtualisierung oder einem verbesserten Strommanagement. Denn dann werden die Lastspitzen, für die das Rechenzentrum ursprünglich ausgelegt war, noch weniger erreicht. Ein Tipp aus der Praxis: Um auch in leistungsschwächeren Zeiten (z.B. nachts) eine bessere Auslastung zu erreichen, sollten diese Perioden beispielsweise für Backup-Schleifen genutzt werden.

Kapazitätsplanung und Management

Die Kapazitätsplanung kann ebenfalls einen Beitrag zur Effizienzsteigerung liefern, wenn sie darauf abzielt, die IT-Last bei gleich bleibender Strom- und Kühlleistung anzuheben. Dabei gilt es auch, ungenutzte Strom- und Kühlungskapazitäten zu vermeiden, die sich häufig aus spontanen Veränderungen an Ausrüstung, Redundanzen oder Rechenzentrums-Architektur ergeben. Das ist insbesondere problematisch, wenn versäumt wird, auch die zukünftigen Auswirkungen dieser Veränderungen zu berücksichtigen.

Spezifische Softwarelösungen

Das nötige Change-Management lässt sich recht bequem und übersichtlich über spezifische Softwarelösungen abbilden. Die drei Grundelemente der physikalischen IT-Infrastruktur – Rechenzentrums-Design, Anwendung und Management – verbindet erstmals APC by Schneider Electric in einer gemeinsamen Plattform: Während der Change Manager nötige Umgestaltungen, die zum Beispiel aufgrund von Neuinstallationen, Transporten oder Austausch von veraltetem IT-Equipment nötig werden, beschleunigt und präzisiert, 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 IT-Komponenten wie zum Beispiel Server oder Netzwerk-Equipment bestimmen. Beide Software-Tools arbeiten mit dem Standard-Managementsystem APC ISX-Central 4.0 zusammen, welche den Administratoren ein 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 wichtigen Beitrag zur Qualitätssicherung oder beim Umsetzen von Umwelt- und Klimaschutzrichtlinien.

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 by Schneider Electric lassen sich auf diese Weise durchschnittlich 20% mehr Effizienz erzielen. Bei 30% IT-Last tritt bis zu 28% weniger Verlustleistung auf. Doch damit ist die Entwicklung noch nicht zu Ende: Weil nächste USV-Generationen nur noch wenig Potenzial für Verbesserungen bieten, wird sich die zukünftige Entwicklungsarbeit verstärkt der physikalischen IT-Sicherheit für Rechenzentrums-Umgebungen mit hohen Leistungsdichten 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 ähnlich hohe Bedeutung erfahren. Da sich diese Zukunftstrends teils schon deutlich in heutigen Produkten abzeichnen, empfiehlt sich die Investition in eine zukunftssichere und standardbasierte IT-Infrastruktur, in welche sich die kommenden Neuerungen modular und sukzessive integrieren lassen.

*Dietmar Spehr arbeitet als freier Autor.

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