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1 workroom in a box jugend forscht

2 workroom in a box Inhaltsverzeichnis 2 workroom in a box Das Computersystem der Zukunft für Schul- und Arbeitsräume. Ein Jugend forscht 2005-Projekt von Schülern des Gymnasium Lohbrügge, anlässlich des Jugend forscht Wettbewerbs Dieses Schriftstück ist die Ausarbeitung unserer gemeinsamen Arbeit. Die Rechte an den hier enthaltenen Texten gehören den Verfassern: Clemens Heppner Elversweg 85a Hamburg Geb.: Christian Möller Grote Stegel Hamburg Geb.: Betreuer des Projektes ist: Uwe Debacher Schneewittchenweg 22a Reinbek David Burkhardt Feldstegel 6a Hamburg Geb.: Ein Gemeinschatfsprojekt von Cooling-Store e.k. und Netthelp e.v. Diese Ausarbeitung in Text und Bild, sowie die im Rahmen des Wettbewerbs aufgenommenen Fotos dürfen für Presse- und Öffentlichkeitsarbeit der Stiftung Jugend forscht verwendet werden. Die Weiterverwendung unserer Texte zu anderen kommerziellen Zwecken muss von den Verfassern genehmigt worden sein. Wir versichern, dass wir die Arbeit selber angefertigt haben. Alle benutzten Quellen, alle Institutionen und Personen, die uns unterstützt haben, sind in der Arbeit angegeben und entsprechend vermerkt. Inhalt: I. Kurzfassung II. Aufgabenstellung 2.1. Wartbarkeit 2.2. Wirtschaftlichkeit 2.3. Umweltfreundlichkeit 2.4. Useability III. Konzept 3.1 Effizienz 3.2. Hardware 3.3. Software 3.4. Benutzung IV. Umsetzung 4.1. Hardwaredesign 4.2. Software V. Evaluierung 5.1. Benutzerinteraktion 5.2. Leistung 5.3. Emissionen und Verbrauch 5.4. Kühlung VI. Und jetzt? 6.1. Fazit 6.2. Ausblick 6.3. Roadmap VII. Anhang 7.1. Quellen 7.2. Bildquellen 7.3 Sponsoren und Danksagungen Seite: Clemens Heppner Christian Möller David Burkhardt Abb.1(auf dem Deckblatt): Der wiab-client als Prototyp.

3 workroom in a box I. Kurzfassung 3 Computersysteme in Schulen haben mit vielfältigen Problemen zu kämpfen. Bisherige IT-Lösungen sind entweder unzureichend oder zu teuer. Eine Arbeitsraumlösung mit einzelnen Multimediarechnern ist zum Beispiel nicht nur unergonomisch und unökonomisch (Größe, Geräusch, Stromverbrauch), sondern verursacht auch einen hohen Wartungsaufwand. Ein sogenanntes Thin-Client-System könnte diesen Anforderungen gerechter werden, da die Arbeitsstationen in diesem Fall keine eigenständigen Computer wären, sondern ihre Informationen lediglich von einem Zentralrechner bezögen. Die einzelnen Arbeitsplätze lassen sich damit einfacher warten und sind geräusch- und emissionsarm. Solche Systeme sind jedoch nicht nur teuer in der Anschaffung, sondern sind auch sehr unflexibel für Erweiterungen, da für eine Leistungssteigerung oder Anbindung von mehr Arbeitsplätzen ein neuer Zentralrechner benötigt wird. Außerdem kann es bei übermäßiger gleichzeitiger Nutzung zu Leistungsengpässen kommen. workroom in a box soll alle diese Unzulänglichkeiten beseitigen. Wir entwickeln eine Kombination aus zentralen und dezentralen Elementen und wollen damit ein in Bezug auf Ergonomie, Umweltfreundlichkeit, Skalierbarkeit, Wartungs- und Anschaffungskosten, fortschrittliches System erschaffen. Linux bietet sich dabei als eine flexible Lösung an, die unseren Ansprüchen an eine sinnvolle und moderne IT-Landschaft in der Schule gerecht wird und dabei noch die Kosten minimiert. Um den Wartungsaufwand gering zu halten, werden die Daten zentral gespeichert. Damit die Skalierbarkeit gewährleistet werden kann, wird jedoch dezentral gerechnet. Dabei arbeiten alle Arbeitsstationen, wie in einem Supercomputer, in einem Cluster zusammen. Dafür entwickeln wir eine eigene Arbeits- und Rechenstation, die sowohl sehr klein, schnell, lautlos, als auch umweltfreundlich und effizient funktioniert. Wir haben festgestellt, dass ein solches System realisierbar ist und im Großen und Ganzen unseren Ansprüchen, sowie den Ansprüchen, die der Schulgebrauch stellt, entspricht. Die Leistung ist für Büroarbeiten ausreichend und die Wartung wirklich gering. Trotzdem oder gerade deswegen werden wir an 'wiab' noch weiter entwickeln und planen neuere Versionen. Die Leistung könnte höher sein, gerade für aufwändige Anwendungen, wie etwa Grafikberabeitung, 3D- Rendering und Videoschnitt. Die Software bietet noch Entwicklungspotential und die Dokumentation sollte die Wartung auch für die Administratoren, die in Linux noch nicht so bewandert sind, noch mehr vereinfachen. Abb.2: Der zweite Prototyp des workroom in a box - Client. In der Serienferigung werden die hier weißen Frästeile aus gebürstetem Edelstahl gelasert.

4 workroom in a box II. Aufgabenstellung 4 1.Wartbarkeit Bei heutigen Arbeitsraumkonzepten spielen die Anschaffungskosten der Hardware schon seit einer Weile eine untergeordnete Rolle, da der Wartungsaufwand, der nötig ist, um ein System zu betreiben, die Gesamtkosten des Systems maßgeblich bestimmt. Unter Wartung wird in diesem Fall Kontrolle, Instandsetzung und Reparatur des Computersystems verstanden. Konkret fällt darunter beispielsweise Kontrolle der Internetaktivität der Schüler, Installation und Aktualisierung von Software, Reparatur der Computer, Reparatur der Installation. Das Ziel unserer Entwicklung ist es, den Aufwand für alle diese Bereiche auf ein Minimum zu beschränken, da die Wartung bei vielen "normalen" PCs, wie sie oft in Schulen eingesetzt werden, für Lehrer kaum zu bewältigen ist. 2.Useability Um den Anforderungen des aktuellen Schulalltages gerecht zu werden, sind spezielle Eigenschaften erforderlich. Die Hardware muss robust sein, da die Geräte nicht zimperlich behandelt werden. Die Software muss in erste Linie sicher sein. Ein Schul PC-System sollte so wenig Aufwand wie möglich verursachen. Dazu zählt neben der Vermeidung von Hardwaredefekten auch eine Software die wartungsfreundlich sein sollte. Den Schülern soll das Lernen durch einen übersichtlichen Desktop und eine intuitive Arbeitsumgebung erleichtert werden. Bisherige Systeme werden diesen Anforderungen oft nicht gerecht und belasten Lehrkräfte und Schüler. Kosten, d.h. Energie- und Wartungskosten, zusammen die total cost of ownership (TCO). Wir müssen also untersuchen, welche Bereiche der TCO es überhaupt gibt und wo am meisten Einsparungspotential ist und dies dann auch ausnutzen. Außerdem sind Tendenzen zu beachten, denn Kosten sind in der IT- Branche keine festen Zahlen. So ist davon auszugehen, dass sich der Hardwarewert für ein und dieselbe Hardware im Laufe des Jahres um mindestens 20% verringert. Weiter ist abzusehen, dass der heutzutage noch kleine Bereich des Stromverbrauches in Zukunft einen weitaus höheren Stellenwert einnehmen wird. Im Supercomputermarkt rechnet mann schon in Megaflops (Einheit für die Leistungsmessung) pro Watt. Aufgrund der stetig steigenden Energiepreise muss hier vorausgedacht werden. 4.Umweltfreundlichkeit Die meisten heutzutage zum Einsatz kommenden Computer besitzen einen hohen Stromverbrauch und entwickeln viel Abwärme. Dieser Energieverschwendung auf Staatskosten kann man durch energieeffizientere Computer entgegenwirken. Bei geringer Abwärme kann auch die Kühlung erheblich leiser ausfallen. Dadurch werden lautlose Computerräume möglich. Schulen und staatliche Einrichtungen sollten eine Vorbildfunktion beim Energiesparen einnehmen, angesichts der für die Zukunft prognostizierten weltweiten Energieknappheit. 3.Wirtschaftlichkeit Ein modernes Computersystem hat nicht nur in erster Linie schnell zu sein oder nur besonders benutzerfreundlich. Gerade in Anbetracht der aktuellen wirtschaftlichen Lage und gemessen an dem kleinen Budget der Schulen steht die Wirtschaftlichkeit im Vordergrund. Wirtschaftlich heißt so günstig und so effizient wie möglich. Damit sind zwei Bereiche gemeint. Zum Einen der Anschaffungspreis, aber auch vor allem die laufenden Abb. 3: erste CAD-Studie des Gehäuses.

5 workroom in a box III.Konzept 5 1.Effizienz Unser Konzept soll nicht einen besonders leistungsfähigen Rechner oder einen kleinen Supercomputer erschaffen, sondern ein effizienten Arbeitsraum für Schul- und Ausbildungszwecke und Büroarbeiten. Aktuelle PCs sind nicht auf maximale Effizienz optimiert, sondern vor allem auf Preis/Leistung und Marketingeffekt. So sind in Bürorechnern häufig stärkere Prozessoren verbaut als jemals gebraucht werden, zu Lasten des Geräuschpegels und des Stromverbrauchs. Außerdem wird die zur Verfügung stehende Rechenleistung nur sehr selten komplett genutzt, ja statistisch gesehen wird man kaum einen Augenblick finden, wo alle fünfzehn Computer eines Schulraumes gleichzeitig zu 100% belastet sind. Im Supercomputerbereich macht man sich diese Zufallsstreuung von Lastspitzen zu Nutze und verteilt die Last im Falle einer Lastspitze in einem Bereich dynamisch über mehrere vernetzte Rechner. Dadurch schont man den Geldbeutel und senkt den Energieverbrauch. Die einzelnen vernetzten Computer werden effizienter, weil sie einen größeren Teil der Zeit unter Last rechnen, als dass sie idlen (Anm. idlen = Fachberiff für ohne Rechenlast in Betrieb). Dieses System macht auch in vernetzten Arbeitsräumen Sinn. Zusammen mit dem Vorteil eines Clientsystems lässt sich hier am meisten gegenüber einem Einzelrechnersystem einsparen. Alle Faktoren, wie Anschaffungskosten, Energieverbrauch, Wartungskosten, Softwarekosten etc. spielen für die Wirtschaftlichkeit und damit die Effizienz im wirtschaftlichen Sinne, eine Rolle. Zusammen nennt man das in der IT-Industrie die TCO, d.h. total cost of ownership. Die TCO wird in der Regel pro Jahr, d.h. für das Anschaffungsjahr angegeben. Nebenstehendes Diagramm zeigt die Zusammensetzung der TCO des wiab-clients im Vergleich zu den zur Zeit in Schulen genutzten Esotronic Maschinen und einem vergleichbar ausgestatteten Dell Rechner. Die Zahlen stammen aus 03/2005. Tab.1: Erwartete TCO des wiabclients. *Hintergrundinformationen Zur Statistik: Es handelt sich um die Kosten für das erste Jahr. In den Folgejahren ist der Anschaffungspreis nicht mehr enthalten. Außerden wurde der Server nicht mitberechnet. Jedes der drei Systeme benötigt einen zentralen Anmelde- und Datenserver, der je nach Auswahl und Ansprüchen günstiger, gleich teuer oder teurer als der wiab-server ist, der mit etwa 550 zu Buche schlägt. Wichtig ist auch, dass wir in der Tabelle nicht die sonstigen Abschreibungsmöglichkeiten, Sonderkonditionen etwa für den Strompreis etc. für Schulen mit einberechnet haben, da diese uns nicht zu Gänze bekannt sind. Da Dells Angebote für Schulen aber nicht günstiger sind und die Esotronic-Maschine eine reine Schulmaschine ist, ist diese womöglich reale Kostenverringerung vernachlässigbar. **Sonstige Fixkosten: Die sonstigen Kosten sind ein Pauschalbetrag von 250 für Monitor, Tastatur, Maus, Kopfhörer und der Stromverbrauch dieser bei allen Systemen gleichbleibenden Hardware. Dieser Betrag verringert sich auf ein MInimum von etwa 10 im Folgejahr. Die Kosten für den wiab-client setzen sich aus folgenden Größen zusammen: Anschaffung: 350 Euro angepeilter Endpreis Die Softwarekosten betragen beim wiab-client 0, da auf Software aus dem freien Open-Source Softwarepool zurückgegriffen wird. Wartung: Die Wartungskosten fallen nur für die Softwareinstallation an, da die Clients keine mechanischen Verschleißteile haben. Wenn jeden Monat zwei neue Softwares oder Updates installiert werden müssen, was je 30min benötigt, sind das zwölf Stunden im Jahr. Bei einem Arbeitslohn von 50 für einen Informatiker sind das 600 im Jahr. Da allerdings diese Arbeit nur einmal anfällt und wir im Modell von fünfzehn Rechnern an einem Server ausgehen, betragen die Wartungskosten pro Client lediglich 40. Energieverbrauch: Der Stromverbrauch wurde mit dem Verbrauchsrechner unter auf Watt bei Benutzung von Officeprogrammen ermittelt. Da sich der Prozessor im Leerlauf heruntertaktet, haben wir für den Leerlauf den Wert eines Epia800 mit 800mhz Prozessor genommen: 10, 78Watt. Durchschnittlich sind die Rechner täglich vier volle Stunden am Tag am laufen, ein viertel davon bei Vollast. Es ergeben sich pro Jahr also 31,9 Kilowattstunden. Bei einem derzeitigen Preis von ca. 20Cent pro Kwh (Tendenz steigend) sind das 6,30 pro Client pro Jahr. Die Kosten für die Esotronic Arbeitsstation: Der Anschaffungspreis eines Esotronicrechners für Schulen beträgt in der Mindestausstattung 400 Es fallen 150 Softwarekosten für ein professionelles Bildbearbeitungsprogramm, eine OfficeSuite und ein Lexikon an. Der Betrag ist gering, da die Software größtenteils sehr viel günstiger durch Schulkonditionen erworben werden kann. Bei Nutzung von Linux in Verbindung mit diesen Rechnern fällt dieser Betrag weg, nicht jedoch die Betriebssystemkosten, die im Kaufpreis enthalten sind. Es fallen mindestens identische laufende Softwareinstallationskosten wie bei den wiab-clients an, jedoch nicht pro Gesamtsystem, sondern 600 pro Arbeitsstation. Die durchschnittliche Haltbarkeit bei starker Belastung (wie in Schulen) eines neuen hochdrehenden Lüfters beträgt 2 Jahre, die einer modernen Festplatte etwa 3. Ein Defekt davor fällt in die Garantiezeit. Eine aktuelle Festplatte (80GB) kostet derzeit etwa 60, ein Markenlüfter 15. Die Problemfindung und der Austausch dieser Teile dauert meist etwa 30min bei einem Stundelohn von 50 für einen Informationstechniker. Es fallen also etwa 60 an Wartungskosten für mechanische Teile pro Jahr an, wenn die sonstigen nichtmechanischen Teile und die CD/DVD-Laufwerke heil bleiben. Die Gesamtsumme für die Wartung beträgt also 660 pro Jahr. Energieverbrauch: Anhand des Artikels von Computerbase zum Stromverbrauch von aktuellen Prozessoren, nehmen wir an, dass ein Intelprozessorbasierendes System mit 2,4Ghz etwa 90Watt im Idle-Status verbraucht, sowie ca. 200Watt unter Vollast. Da die Einzelrechner nicht über Clustering verfügen, idlet der Rechner mehr als ein wiab-client, wir nehmen also an, dass der Rechner 1/8 seiner Uptime unter Vollast rechnet. Es ergeben sich pro Jahr etwa 151,5Kwh pro Client, was etwa 30,30 pro jahr pro Arbeitsstation sind. Die Kosten für den Dell Dimension 2400basic: Der Dell Dimension2400basic ist das günstigste aktuelle Dell PC-Angebot. Er kostet in vergleichbarer Ausstattung mit dem Esotronicrechner und dem wiabclient (512MB RAM, Betriebssystem,...) ca. 600 Die Softwarekosten sind mit 150 identisch denen des Esotronicrechners. Die Wartungskosten betragen wie beim Esotronicrechner 660. Da die Ausstattung sehr änhlich ist verbraucht der Dell Rechner in etwa dasselbe wie die Esotronicmaschine.

6 workroom in a box III.Konzept 6 2.Hardware Bei der Hardware ist unsere Wahl weniger auf die neueste und schnellste Hardware gefallen, sondern vielmehr auf günstige, unseren Ansprüchen an Energieverbrauch und Ergonomie gerecht werdenden Bauteile. Da die Leistung unseres Systems schon durch das Clustering, also die Möglichkeit mehrere Prozessoren an einer Anwendung rechnen zu lassen, für Büroarbeiten mehr als ausreichend ist, können wir auf stromfressende, teure und große Hardware verzichten. Viel mehr spielt gerade für Schulen die Alltagstauglichkeit, Stabilität und Wartbarkeit eine Rolle. Ideal erscheint uns deswegen ein Rechner, der keine mechanischen, d.h. zu wartenden Bauteile verwendet. Das würde auch die Ergonomie während des Arbeitens erhöhen, da es ohne mechanische Teile auch keine störenden Geräuschemissionen gibt. Unsere Wahl fällt deswegen auf die Epia Plattform des taiwanesischen Herstellers Via. Eine Epia Hauptplatine hat bereits eine CPU, eine Grafikkarte, Sound und sämtliche Pheripherieanschlüsse auf der Hauptplatine. Da es sich um ein industriell in hohen Stückzahlen gefertigtes Massenprodukt handelt und keine teure Spezialhardware, ist es auch angenehm günstig. Das Epia M10000 ist mit einem 1Gigahertz C3 Prozessor mit einer maximalen Abwärme von 10W(Nehemia-Kern), einem schnellen DDR RAM Chipsatz, dem CLE266 und Sechskanal-Sound sowie USB2.0 und Firewire zeitgemäß ausgestattet. Der Verbrauch dieses Epias beträgt ohne Laufwerke nichteinmal 30Watt, so können wir bedenkenlos zu einem passiven Netzteil der Firma Morex greifen, welches bis zu 60Watt leisten kann. Die Ausstattung reicht mit 512MB standard DDR-RAM für die meisten Schulanwendungen aus, andernfalls kann man auch 1- oder 2GB-Module einsetzen. Das Epia hat bereits einen installierten Prozessorkühler, mit einem kleinen lauten Lüfter. Dieser Lüfter ist so klein und hochdrehend (ca. 7000rpm), dass er nicht nur ungemein stört, sondern ein früher Lagerschaden auch besonders wahrscheinlich ist. Dieses mechanische Verschleißteil muss ersetzt werden. Ein Passivkühlkörper würde reichen, muss allerdings um die 10W Abwärme des C3s ausreichend zu kühlen, einen thermischen Widerstand von unter 3 C/W haben (maximale Umgebungstemperatur von 40, maximale Betriebstemperatur 70, 10Watt Verbrauch). Solch ein Kühlkörper ist innerhalb eines so kleinen Epia-Gehäuses schwer unter zu bekommen, davon abgesehen, dass die Konvektion im Inneren des Gehäuses durch die Enge stark beschränkt ist. Die passive Kühlung würde die Gehäuseluft unnötig aufwärmen und die Haltbarkeit der anderen Komponenten gefährden. Die Wärme muss auf anderem Wege abgeführt werden, indem die Gehäuseoberfläche nach außen als Passivkühler genutzt wird. Details zur Hardware: Epia-M Mainboard (1 Ghz Nehemia, 1x DDR-Ram, CLE266 Chipsatz, integrierte VIA CastleRock AGP Grafik mit MPEG-2 Decoder, USB 2.0, Firewire, 5.1 Sound, Via-NIC mit PXE) 1x 512 MB Ram (bis 2048)(Infineon) Morex kompatibles Netzteil, 12V Blocknetzteil Extern, Platine intern Keine mechanischen Teile außer dem Power-Schalter Komplett geschlossenes Gehäuse aus eloxiertem Aluminium und gebürstetem Edelstahl Zwei gerippte Aluminiumprofile bieten das Grundelement für das Gehäuse und wirken als Passivkühler Eine Heatpipe mit kupfernen Heatplates für den Wärmetransfer im Gehäuse Mit acht Sicherheitsschrauben geschlossen, vandalismussichere Schalter Ungefährer aktueller Marktpreis der Hardware (03/2005, inkl. 16% Mwst): angepeilter Endpreis des Gehäuses: original Morex Netzteil: 50 Epia M10000: 130 Infineon DDRRAM 512MB: 60 Summe: 340 angepeilter Endverkaufspreis: ca. 350 Abb.4: Die Heatpipekonstruktion aus Kupfer, gelötet.

7 workroom in a box III. Konzept 7 3.Software Bei herkömmlichen Client-Server Architekturen agiert jeder Computer eigenständig und bezieht Dienste, wie beispielsweise Internet, und Speicherplatz, vom zentralen Server, rechnet jedoch eigenständig. Das hat die Nachteile, dass jeder Rechner einzeln installiert werden muss, dass jeder Nutzer an den Dateien auf den Rechnern herumspielen kann, dass man sich Viren einfangen kann und noch einige mehr. Die Lösung für diese Probleme offerieren Thinclientsysteme (z.b. Dabei zeigen die Arbeitsplatzstationen nur das Bild an, welches auf einem großen Zentralrechner berechnet wird. Das hat den Vorteil, dass die Rechner relativ günstig sind und die Installation der Software nur auf dem Zentralrechner passiert. Trotzdem bietet eine solche Architektur auch Nachteile. So muss der Zentralrechner sehr leistungsstark und damit teuer sein, wenn mehr Computer gekauft werden, braucht man auch einen stärkeren Zentralrechner, um genügend Leistung zur Verfügung zu haben, und die Sicherheit ist gefährdet weil alle Anwender direkten Zugriff auf das System haben. Unsere Lösung soll die Vorteile aus beiden Entwürfen kombinieren. Die Arbeitsrechner sollen im Prinzip wie normale Computer funktionieren, mit dem Unterschied, dass sie keine eigenen Festplatten haben. Alle Berechnungen finden also lokal statt. Das Betriebssystem, welches die Rechner dann starten, liegt zwar auf einem Zentralrechner, welcher aber nur Dienste und Dateien zur Verfügung stellt. Diese Architektur bietet die Vorteile der zentralen Wartung und einer besseren Skalierbarkeit, da eine Erweiterung um mehrere Arbeitsplatzrechner automatisch eine Leistungssteigerung bewirkt. Der Zentralrechner muss dabei auch nicht sehr leistungsstark sein, da er kaum Rechenarbeit verrichten muss. Wenn die Rechner keinen schreibenden Zugriff auf die Dateien haben, ist er zudem auch gegenüber Angriffen und Viren besser geschützt. Ein Nachteil könnte jedoch der Transport der Dateien über das Netzwerk sein, denn falls dieser zu langsam ist verlängern sich die Wartezeiten für den Anwender. im Schulalltag zur Anwendung kommen. Wichtig ist des weiteren auch eine benutzerfreundliche Bedienoberfläche, damit die Anwender sich nicht zu lange einarbeiten müssen. Als Betriebssystem bietet sich Linux an, denn es ist kostenlos, hat eine große Community, besitzt die nötige Flexbilität und hat viele Features, wie etwa das optionale Clustering. Probleme wird Linux nur denen bereiten, denen es schwerfällt sich von Windows zu lösen. Da viele Anwendungsprogramme jedoch fast identisch für Linux zur Verfügung stehen, konnten wir das in Kauf nehmen. Windowssoftware ohne Linuxpendant muss dann zur Not emuliert werden. Gerade für Schüler sollte das einarbeiten in Linux einfach sein, schnell gehen und ist außerdem später für den Schüler auch eine nützliche Fähigkeit, da Linux, durch Unabhängigkeit von finanziellen Krisen oder Firmenkonkurrenz, sehr zukunftssicher ist. 4.Benutzung Die Bedienung der Client Computer ist so einfach wie möglich gehalten. Als Oberfläche ist der Windowmanager IceWM zusammen mit dem KDE- Desktop vorgesehen. Dadurch erhält man eine ressourcenschonende und übersichtliche Benutzeroberfläche. So sind wichtige Anwendungen wie Textverarbeitung, Internet-Browser und Programm direkt und intuitiv zugänglich. Somit kommen auch unerfahrene Benutzer gut mit dem System zurecht und benötigen keine lange Einarbeitungszeit. Abb.5: Das Grafikprogramm Gimp. Da dieses System über viele einzelne, identische Computer verfügt war eine weitere Entscheidung von uns, es als Cluster zu betreiben. Das bedeutet, dass die Einzelrechner wie ein großer Computer zusammenarbeiten und die Rechenpower aufteilen. Solche Systeme werden häufig bei wissenschaftlichen Simulationen oder bei der Berechnung von 3D-Bildern verwendet und können möglicherweise auch

8 workroom in a box IV. Umsetzung 8 1.Hardwaredesign Ein neu konzipiertes Gehäuse für den Client ist notwendig. Dieses Gehäuse muss äußerst minimalistisch konstruiert sein, damit es in Kleinserie zu einem annehmbaren Preis gefertigt werden kann und es muss den starken mechanischen Ansprüchen im Schulgebrauch gerecht werden. Die Basis des Gehäuses sind zwei schwarze Aluminiumkühlkörper mit einem thermischen Widerstand von jeweils etwa 0,5 C/W (bei idealer Wärmeverteilung), also mehr als ausreichend um über 100 Watt zu kühlen. Die Kühlkörper sind nicht kleiner dimensioniert, da noch Headroom für eventuelle leistungsfähigere Prozessoren da sein soll und die Kühlkörper auch ein Konstruktionselement sind. Die Kühlkörper sind schwarz eloxiert, da dies die Wärmeabstrahlung erhöht und damit die passive Kühlleistung sehr verbessert, da eine Zwangskonvektion durch Lüfter ausbleibt. koreanischen Firma Zalman) mit bereits teilweise gebogenen Heatpipes genommen, die Heatpipes demontiert und passend gebogen und dann mit unseren eigens gefrästen Kupfercoldplates verlötet. Die ersten Versuche ohne Lötung in Sandwichbauweise mit Wärmeleitpaste erforderten nicht nur den doppelten Fräsaufwand, sondern waren auch von der Kühlleistung bescheiden, da die Wärmeleitpaste einen hohen zusätzlichen Wärmewiderstand darstellte. Die Lösung beinhaltet nun eine einzige kupferne Heatpipe, die U-förmig gebogen und mit zwei speziell angepassten flachen Kupfercoldplates verbunden ist. Abb.7: Frühe 3D-Zeichnung des Gehäuseaufbaus. Abb.6: Schema zur Funktionsweise einer Heatpipe. Der Abstand zwischen dem Prozessor und der Gehäusewand wird mit zwei Kupfercoldplates und einer Heatpipe überbrückt. Heatpipes sind Wärmebrücken. Sie enthalten ein Medium mit hoher Wärmekapazität, z.b. Wasser und ein so starkes Vakuum, dass das Medium schon bei geringen Temperaturen siedet und im gasförmigen Zustand die Wärme innerhalb des Vakuums zur kalten Seite transportiert. Dort kondensiert es und fließt an einer Kapillarstruktur im flüssigen Zustand wieder zurück. Der thermische Widerstand einer solchen Heatpipe ist um das Zigfache geringer als der von massivem Silber, was die besten Wärmeleiteigenschaften aller Metalle bietet. Die Heatpipelösung hat zuerst ernsthaft Schwierigkeiten bereitet. Zum einen sind Heatpipes teuer und äußerst schwer zu beschaffen. Außerdem sind sie empfindlich gegenüber mechanischer Beanspruchung und können nur in großen Radien gebogen werden. Schließlich haben wir ein fertiges Produkt aus dem PC-Bereich (den Festplattenkühler der Zwei T-nuten in den Kühlkörpern halten die beiden Seitenwände und das Ganze wird durch acht Blechschrauben in den Blenden vorne und hinten zusammen gehalten. Eine einfache Konstruktion, die keinerlei Abkanten, Fräsen oder Spezialpressteile benötigt. Bei einer Stückzahl von weit unter hundert Stück ist dies wichtig, denn die Teile müssen per Hand gefertigt werden. Die Blenden werden aus gebürstetem Edelstahl plasmagelasert, das ist schnell, günstig und stabil. Die Hauptplatine wird mittels kleiner Sechskantschraubmuffen auf das eine Kühlprofil geschraubt. Die Kühlprofile werden auf einer CNCfräse gebohrt. Der Fräsaufwand für die wenigen Löcher ist äußerst gering und es ist keine zweite Achse oder Umspannen des Werkstücks vonnöten. Die EMV-Eigenschaften des Gehäuses, also die Abschirmung gegen Elektromagnetische Strahlung, sind aufgrund der mindestens 4mm dicken Aluminiumkühlkörper, des 1mm dicken Edelstahls und der wenigen Öffnungen hervorragend.

9 workroom in a box IV. Umsetzung 9 Das Design des Gehäuses soll seinen Zweck und die Ziele des gesamten Projektes wiederspiegeln: Schlichtheit, Funktionalität und Modernität. Die Bedienelemente beschränken sich auf das Wesentliche und sind für den Einsatzzweck optimiert. So sollen spezielle vernickelte Vandalismustatster und dazu passende Pan-Headschrauben mit Zweilochantrieb verwendet werden. Soweit man nicht durch die technischen Vorgaben eingeschränkt wird, soll das Gehäuse auch ästetisch anspruchsvoll designed sein. Das Gehäuse kann liegend und stehen aufgestellt werden. Im liegenden Fall entfaltet der Kühlkörper auf der Oberseite seine beste Wirkung, da die Luft zwischen den Kühlrippen längs der natürlichen Konvektion nach oben aufsteigen kann, im Stehen wird die Kühlwirkung vor allem durch die Lüftungsschlitze im Inneren verbessert, d.h. das Gehäuse wirkt wie ein Kamin, der kühle Luft von unten ansaugt, weil die warme Luft durch die oberen Schlitze entweicht und einen Unterdruck im Inneren aufbaut. Für einen festen Stand sorgen vier dicke Gummifüße, die gleichzeitig die Belüftung durch die unteren Schlitze sichern. 2.Software Grundlagen: Die erste Frage war: Wie startet man Linux auf einem Computer ohne Festplatte? Die Technologie unserer Wahl heißt PXE (Preboot Execution Environment) und ermöglicht es, ein Betriebssystem aus dem Netzwerk zu laden. PXE bezieht die Informationen per DHCP-Protokoll (Dynamic Host Configuration Protocol) und den Kernel (den zentralen Betriebssystemteil) per TFTP (Trivial File Transfer Protocol). PXE ist dabei die einzige Möglichkeit, die auf einen minimalen Festspeicher völlig verzichtet, da es ein von Intel etablierter Standard ist, der in den verwendeten Epia- Mainboards bereits integriert ist. Um den Rest des Betriebssystems zu laden, gibt es mehrere Möglichkeiten. Die erste war, ein minimales Dateisystem mitzuschicken (per Initial Ramdisk) und damit den Rest der Dateien über das Netzwerk (per Network File System) nach zu laden. Wir haben uns jedoch bald von dieser Methode entfernt, da dieses 'minimale Dateisystem' relativ aufwändig zu warten war, da bei jeder kleinen Veränderung ein neue Ramdisk erstellt werden musste. Unsere Wahl fiel als nächstes auf NFSROOT, bei dem der Kernel auch sein erstes Dateisystem per NFS läd. Das hat den großen Vorteil, dass man nicht zwei unterschiedliche Dateisysteme für Start und Betrieb pflegen muss. Hierbei ist es wichtig, dass die Version 3 dieses Protokolls verwendet wird, da die älteren Versionen kein Caching erlauben, dadurch viel mehr Daten übers Netzwerk schicken müssten und dementsprechend langsamer würden. Ein weiteres Problem war, dass mehrere Computer gleichzeitig die selben Dateien benutzen sollten. Solange alle Computer die Dateien nur lesen ist das kein Problem, leider müssen sie jedoch in manchen Bereichen auch Schreibzugriff haben. Wenn zwei Computer gleichzeitig in eine Datei schreiben, kommt es jedoch zu Problemen. Darüber hinaus stellt Schreibzugriff eine große Sicherheitslücke dar. Abb.8: Fast Finaler Prototyp des wiabclients (mit Lüftungsschlitzen). Maße: 200*180*105mm (+Anschlüsse und Füße) Gewicht: ca. 2,8kg Netzanschluss: 12VStecker Abschirmung: Als Edelstahlvariante sehr gute EMV-Eigenschaften, CE-tauglich Die Bereiche, in denen die Linux-Rechner schreiben können müssen, lassen sich zwar auf einige Bereiche begrenzen, das sind aber nicht gerade wenige. Der erste Ansatz war es, einen Bereich des Arbeitsspeichers zu nutzen, um alle Dateien, die schreibbar sein mussten, dorthin zu kopieren und dann mit einem Link (ähnlich wie eine

10 workroom in a box IV. Umsetzung 10 Verknüpfung unter Windows) schreibbar zur Verfügung zu stellen. Diese Methode erforderte jedoch eine Menge Links, da die betroffenen Dateien doch recht verstreut sind. Außerdem erforderte das Kopieren dieser Dateien beim Start eine Weile und belegte anschließend recht viel Arbeitsspeicher ( ~ 25 sek., ca. 180 MB). Dieses Problem hätte man eingrenzen können, indem man die Links weiter verfeinert. Trotzdem war diese Methode sehr wartungsintensiv, da die Links per Hand angepasst werden mussten. Der zweite Ansatz nutzte ein durchscheinendes Dateisystem" (Translucent Filesystem). Dabei wird ein normales Dateisystem genommen, welches nur lesbar ist, und ein Zweites das beschreibbar ist. Das durchscheinende Dateisystem vereinigt nun diese beiden Dateisysteme und ist dadurch lesbar und schreibbar, da alle Änderungen nur in dem schreibbaren Dateisystem gespeichert werden. Das beschreibbare Dateisystem wird in unserem Fall wieder im Arbeitsspeicher (per tmpfs) liegen, jedoch nicht mehr Speicherplatz verbrauchen als unbedingt nötig, da nur Änderungen gespeichert werden. Das zugrunde liegende Dateisystem vom Server ist nicht beschreibbar, alle Änderungen bleiben nur temporär im Arbeitsspeicher des Clients. Als durchscheinendes Dateisystem kam unionfs zum Einsatz ein sehr junges, aber vielversprechendes Projekt, welches nach unseren ersten Experimenten auch in in bekannten Projekten (z.b. Knoppix zum Einsatz kam. Tab.2: Schema des durchscheinenden Dateisystems unionfs. Die Befehle (Listing 1), die zum Einrichten des Dateisystems nötig werden, platzierten wir in der Startdatei (/sbin/rc) des Linuxsystems. Die Startprozedur des Anwendungscomputers sah nun folgender Maßen aus: Tab.2: Listing1 zum Dateisystem initialisieren 1.PXE: DHCP-Anfrage 01 mount -n -t tmpfs none 2.PXE: Kernel per TFTP beziehen /mnt/ram 3.Dateisystem per NFS vom Server 02 modprobe unionfs beziehen (NFSROOT) 03 mount -t unionfs -o 4.Dateisystem im Arbeitsspeicher anlegen (tmpfs) (Zeile 1 Listing1) dirs=/mnt/ram=rw:/,copyup 5.Dateisysteme vereinigen (unionfs) =preserve none (Zeile 3 Listing1) /mnt/newroot 6.In vereinigtes Dateisystem wechseln 04 pivot_root /mnt/newroot (pivot_root) (Zeile 4 Listing1) /mnt/newroot 7.Home-Laufwerke per NFS schreibbar 05 mount -t proc none /proc einbinden 8.Normal starten Auch für die Passwortanmeldung gibt es zwei bekannte unterschiedliche Methoden. Eine davon ist NIS (Network Information Service), welches jedoch inzwischen ein wenig in die Jahre gekommen und unflexibel ist. Für den Schulgebrauch würde es zwar reichen, wir entschieden uns aber für die Zeichen der Zeit und wählten LDAP (Lightweight Directory Access Protocol). Um die Sicherheit zu gewährleisten wird dies zusätzlich per SSL (Secure Sockets Layer) verschlüsselt. Oberfläche: Für Linux gibt es eine große Auswahl an sogenannten Windowmanagern, die das Erscheinungsbild für den Benutzer bestimmen. Die beiden populärsten Windowmanager sind KDE und Gnome, wobei diese Windows sehr ähnlich sind und über viele Verwaltungsprogramme verfügen. Diese beiden Windowmanager benötigen zwar viel Arbeitsspeicher, dafür bieten sie aber auch sehr viele Möglichkeiten. Einfachere Windowmanager (z.b. Fluxbox oder IceWM) bieten nicht so viele Funktionen, sind dafür aber sehr sparsam im Arbeitsspeicherverbrauch. Für unser System bieten wir darum beides an. Ein IceWM-System mit einer ansprechend arrangierten Oberfläche und eine Version mit KDE. Der Anwender kann sich dann selber entscheiden, welches von beidem er lieber einsetzen möchte. All diese Dinge kann man theoretisch auf jeder Linuxdistribution, (eine Art Zusammenstellung von Linuxkomponenten, z.b. SuSE, Mandrake, RedHat) einrichten. Es gibt jedoch unterschiedliche Arten von Distributionen. Die einen bieten dem Administrator eine komfortable Bedienung und viele Softwarepakete zur Auswahl an (z.b. SuSE). Andere sind sehr sparsam mit

11 workroom in a box Hilfen für den Admin, dafür hat er mehr Freiheiten aber auch mehr Arbeit (z.b. Slackware). Andere Distributionen sind auf für den Serverbereich ausgerichtet (z.b. Debian). Wir entschieden uns für ein gentoobasiertes Linux, denn Gentoo hat ein sehr komfortables Paketsystem und legt sich nicht auf einen bestimmten Windowmanager fest. Ein weiterer großer Pluspunkt für Gentoo ist, dass jede Software erst aus ihrem Quellcode übersetzt wird. Dadurch verlängert sich zwar die Dauer der Erstinstallation auf mehrere Tage Rechenzeit, die Software kann jedoch besser auf den jeweiligen Prozessor optimiert werden und läuft dadurch schneller. Die Clusterunterstützung war eine weitere Anforderung an das Betriebssystem. Dafür gibt es im Grunde zwei Lösungen: Beowulf- und (Open)Mosixcluster. Ersteres wird häufig bei professionellen Anwendungen verwendet. OpenMosix versucht jedoch auch normale Anwendungen, die nicht für Cluster geschrieben wurden, zu beschleunigen, indem rechenaufwändige Prozesse immer auf dem Rechner gestartet werden, der gerade am wenigsten zu tun hat. Wir gingen den zweiten Weg, wohlwissend, dass er nicht die optimale Lösung für ein professionelles Cluster ist, aber einen guten Kompromiss für normale Anwendungen bietet. Ein weiterer Grund für diese Entscheidung war, dass OpenMosix sehr unkompliziert zu handhaben ist, da ein modifizierter Kernel ausreicht, um es zu betreiben. Problematisch war jedoch, dass OpenMosix bisher nur für die Kernel der Version 2.4 zur Verfügung steht und nicht für das neue Linux 2.6. Da das auch für Beowulf gilt, mussten wir uns also entscheiden ob wir ein älteres Linux einsetzen oder auf Clustering verzichten. Da der Kernel 2.4 jedoch ausreicht um die Anwenderpcs zu betreiben und weil wir unser System relativ unproblematisch auf Kernel 2.6 updaten können, wenn die Clustersoftware verfügbar wird, haben wir uns für den 2.4er Kernel mit Clusterunterstützung entschieden. Besonders ist zu erwähnen, dass es ziemlich egal ist, mit welchem Kernel der Server betrieben wird, da er nur ein paar wenige Funktionen zur Verfügung stellen muss: Benutzerauthentifizierung mit LDAP Dienste für PXE Dateisystem und Home-Verzeichnisse per NFS Internet per Proxy-Server Es spielt also grundsätzlich keine Rolle womit der Server betrieben wird. Auch ein Gentoo-Linux mit dem aktuellen 2.6er Kernel oder ein SuSESystem, wie es in vielen Schulen und Unternehmen häufig im Einsatz ist, 11 IV. Umsetzung kann hier verwendet werden. Bei uns kommt ein ähnliches Gentoo zum Einsatz wie auch auf den Arbeitsplatzrechnern läuft. In Anbetracht der anvisierten Hardware wurde außerdem eine Funktion in den Kernel integriert, die es ermöglicht, die Taktung des Prozessors zu drosseln, wenn dieser nicht vollständig ausgelastet ist. Diese Funktion ist bereits in vielen ultraportablen Notebooks, bzw. in modernen Notebookprozessoren integriert, um Strom zu sparen. Die Via CPU verfügt ebenfalls über dieses Feature, welches keinerlei Leistung kostet und umweltfreundlich Strom spart. Der Prozessor läuft im idle-betrieb also mit nur 533mhz. Abb.9: Verschiedene Screenshots der wiab-oberfläche

12 workroom in a box V. Evaluierung Benutzerinteraktion In den bisherigen Testläufen war das Echo auf die workroom in a box - Clients und ihre Bedienoberfläche durchweg positiv. Es gefielen vor allem das auflockernde äußere Design sowie die übersichtliche Bedienung. Die Clients heben sich durch ihre geringe Größe und die unterschiedlichen Materialien und Farbgebung aus dem Einheitsgrau vieler Bürocomputer hervor. Somit wird das Arbeitsumfeld aufgelockert und auch durch die nicht vorhandene Geräuschkulisse eine angenehme Arbeitsatmosphäre geschaffen. Durch die simple Bedienung kann eine hohe Effizienz bei der Arbeit mit dem Client System erzielt werden. Für jeden Bereich (WWW, , Textverarbeitung,..) wurde eine spezielle Software ausgewählt, die leicht zu bedienen ist. Auf dem Desktop sind diese übersichtlich angeordnet. Das Arbeiten mit Bürosoftware, Grafikprogramm und anderen alltäglichen Anwendungen wurde als flüssig eingestuft. 2.Leistung Der C3-Prozessor des Epias ist kein Leistungswunder, das war uns von vornherein klar. Natürlich kann er nicht gegen moderne SpieleCPUs antreten, aber wir wollen mit diesen Leistungsmessungen zeigen, dass er als Bürorechner durchaus gut zu gebrauchen ist, besonders in Anbetracht des Energieverbrauches (Siehe Seite 14). Um die Leistung der Clients zu bemessen, müssen wir ihn verschiedene Aufgaben erledigen lassen und die Zeit dabei messen. Es ist wichtig, dass dabei die verschiedenen Aufgabenbereiche des Computers abgedeckt werden. Nennenswert sind einerseits speicherlastige Anwendungen, Gleitkommaoperationen und Integeroperationen. Diese drei Bereiche sind jedoch allesamt synthetischer Natur, das bedeutet, dass man nur ungenau abschätzen kann, welche Auswirkungen diese Werte im Betrieb haben werden. Wir betrachten deshalb zusätzlich die Ladezeiten von OpenOffice, einer großen Officesuite. Von besonderem Interesse ist hierbei auch die Startzeit, da das Programm erst über das Netzwerk vom Server verschickt werden muss und dadurch Hinweise darauf geben kann, ob das Netzwerk schnell genug ist. Als Vergleich für die Messungen wird teilweise der Netzwerk-Server verwendet, der die Identische Hardware besitzt, aber mit einer Festplatte betrieben wird. Als zum Vergleich mit einem Desktop-Rechner verwendeten wir einen Computer mit AMD-Athlon XP CPU, 512M DDR-RAM und VIA KT-266A Chipsatz. Bei gleichem IPC (Instructions per Clockcycle, Pro-Megahertz-Leistung) müsste der Desktoprechner also fast doppelt so schnell sein wie die Epia-Rechner. Der erste Test misst die Zeit, die die Rechner zum Berechnen eines 3D- Bildausschnitts mit dem Refraktor POV-Ray 3.6 benötigen. Die Dateien die wir zum Testen verwendet haben, können auf der Seite heruntergeladen werden. Dieser Test ist sehr gleitkommalastig. Der zweite Test zeigt die Ladezeiten von OpenOffice Dabei ist die Zeitspanne zwischen Aktion (Mausklick) und abgeschlossener Reaktion (Fenster ist aufgebaut) von Interesse. Getestet werden das erste Öffnen (Laden1) und das zweite Öffnen (Laden 2) des Schreibprogramms, sowie das Laden eines umfangreichen Testdokuments. Abb.10: Der wiab-desktop. Der dritte Test besteht im Kompilieren eines Linuxkernels mit Standardoptionen.

13 workroom in a box V. Evaluierung 13 Tab.4: Benchmark POV-Ray weniger ist besser Zeitunterschiede liegen jedoch im erwarteten Rahmen. Tab.6: Benchmark Kernel kompilieren weniger ist besser Die Leistung des Epias bleiben in diesem Test sehr hinter den Erwartungen zurück. Im Gleitkommabereich scheint die C3-CPU eine wesentlich schlechtere IPC zu haben als der Vergleichsrechner. Dies kann auch an dem geringen L2-Cache des Prozessors von nur 64kb liegen (gegenüber 256kb beim AthlonXP). Tab.5: Benchmark OpenOffice weniger ist besser Das Verhältnis der Ergebnisse entspricht den Prognosen. Da das Kompilieren hauptsächlich auf Speicher und Integeroperationen beruht, spricht dieses Ergebnis für die Leistung des Epias in diesen Bereichen. Da viele Officeprogramme hauptsächlich diese Bereiche benötigen, ist dieses Ergebnis für uns sehr positiv. Die Skalierung im Cluster konnten wir leider nicht testen, da uns zum Abgabezeitpunkt nur ein Client zur Verfügung stand. Wir rechnen jedoch damit, dass das Cluster gut skaliert. Erst dann zeigt sich die wahre Leistungsfähigkeit unserer Lösung in multithreaded Anwendungen (Anwendungen, die mehrere Prozesse benutzen). Singlethreaded sind vor allem Bürosoftwares und andere einfache Anwendungen, die keine große Leistung erfordern um flüssig zu laufen. Doch aufwändige Simulationen, 3D-Renderer etc. benutzen meist mehrere Prozesse und sollten daher gut mit dem Cluster skalieren. Wir sind zuversichtlich, die Ergebnisse des Clusterbetriebs auf der Jugend forscht Messe präsentieren zu können. Die Ladezeiten auf Server und Client unterscheiden sich beim Öffnen des Programes um ca. 6 Sekunden. Diese Verzögerung ist auf das Netzwerk zurück zu führen, liegt aber im gut erträglichen Rahmen. Die Ladezeiten für das Dokument sind nahezu identisch. Das liegt daran, dass das Programm bereits geladen ist und der Rechner funktioniert, als hätte er eine Festplatte. Dies zeigt, dass das Konzept aufgeht, da dies zu guter

14 workroom in a box V.Evaluierung Emissionen und Verbrauch Die Geräuschemissionen des Epias beim Betrieb sind mit unserem Equipment nicht messbar. Der Betrieb wird nur durch das Leuchten der blauen LED in der Front signalisiert, der Client ist ansonsten völlig geräuschlos. Der Stromverbrauch beträgt im Idlemodus 17,4Watt, gemessen mit einem Conrad Elektronik EKM265 Energiekostenmessgerät. Hier ist der Prozessor auf 533mhz heruntergetaktet. Beim Booten der Desktopoberfläche KDE zieht der Client 24,8 Watt aus der Steckdose und läuft dann ja auch mit dem vollen Takt von 1Ghz. Bei mit dem Renderer POV-Ray simulierter, Vollast hingegen verbraucht der Client 32, 4 Watt. Tab.7: Energieverbrauch Anm. zur Statistik: Die Werte für das Pentium4 System haben wir von der etablierten Onlinemagazin Computerbase.de genommen, die über einen ähnlichen Messaufbau verfügten. Link siehe Quellen Seite 17. Der Verbrauch ist minimal höher, als ursprünglich erwartet (siehe TCO- Tabelle auf Seite 5), trotzdem haushaltet der Epia um Längen effizienter mit Strom, als ein modernes Pentium4-Gespann. Vermutlich hat das Netzteil in diesem Bereich eine geringere Effizienz, da es ja für 60Watt ausgelegt ist. Es kann auch gut sein, das beim Epiaverbrauchsrechner von Epiacenter.de noch nicht die Effizienz des Netzteils mitgerechnet wurde und nur die einzelnen belasteten Leitungen addiert wurden (Was Sinn macht, weil so der Verbrauchsrechner bei der Netzteilwahl hilft). Der Epia M10000 ist außerdem mit einem moderneren DDR-Chipset ausgestattet, der über eine passive Kühlung verfügt, im Gegensatz zu dem alten SDR-Chipset des Epia800s ohne Kühler, was auf eine höhere Abwärme und damit höheren Stromverbrauch schließen lässt. Trotzdem ist der Stromverbrauch noch angenehm gering. Durch das Drosseln des Prozessortaktes lässt sich jedoch nur etwa 1,5Watt Sparen, denn bei vollem Takt verbraucht der Client immer noch 18,9 Watt. Die Option des automatischen Drosselns des CPUtakts werden wir trotzdem eingeschaltet lassen, da sie weder Performance kostet, noch größeren Aufwand macht, wenn sie erst einmal eingebaut ist. 4.Kühlung Da das Epia Mainboard keine Temperaturauslesung für den Prozessor besitzt und solche meistens auch nicht genau genug sind, testen wir die Kühlkörper in einer speziellen Testumgebung. Der WPS (Wasserkühlungs Prüfstand) ist eine Entwicklung aus dem Kaltmacher-Forum (www.kaltmacher.de). Eine über den seriellen Anschluss an den PC gebundene Messplatine, kontrolliert microprozessorgesteuert vier Temperaturfühler (0,1 C genau), bis zu 3 Lüfter und regelt einen FET als Heizelement stufenlos von 10 bis 200Watt. Die WPS Messoftware, die ebenfalls im Kaltmacherforum von Heiko Pempelfort entwickelt wurde, wertet die Daten nach Auswahl auf. Wir haben den Mittelwert aus 10 Prüfpunkten bei 20Watt genommen und daraus den thermischen Widerstand in C/W berechnet. Die Raumtemperatur war dauerhaft 21 C. Die Temperatur des FETs betrug 53 C, das ergibt einen thermischen Widerstand von 53 C-21 (Raumtemp) => 1,6 C/W. Unsere Kühllösung hat bei identischer Messaparatur passiv einen thermischen Widerstand von 1,1 C/W. Theoretisch ist die Kühlleistung unserer Heatpipe Passivlösung also besser als die der Originalkühlung. In der Praxis werden die äußeren Kühlkörper kaum handwarm und den Schlitzen oben entsteigt ein kaum spürbarer Hauch warme Luft. Wir haben die Außentemperatur des Gehäuses an der Seite an der die Heatpipe ist mit 37,0 C bemessen, während die Abluft durch die Schlitze direkt über der CPU eine Temperatur von 40,9 C hat. Alle Messwerte sind unter Last durchgeführt worden. Unsere Kühllösung geht also auf und aus den geringen Temperaturen der Kühlkörper, schließen wir, dass der limitierende Faktor eher die Heatpipe ist, als die beiden massiven Kühlkörper. Mit mehreren Heatpipes, die beide Aluminiumkühlkörper mit der CPU verbinden, ließen sich sicherlich auch leistungsfähigere Prozessoren kühlen.

15 workroom in a box VI. Und jetzt? 15 1.Fazit Die Ziele unserer Entwicklung waren optimistisch formuliert. Die Forderungen waren: Lautlose Rechner, wenig Wartungsaufwand, Kosteneffizienz, Ästhetik, Skalierbarkeit, Umweltfreundlichkeit, Robustheit und Geschwindigkeit. Es ist uns gelungen, die meisten dieser Ziele zufriedenstellend zu erfüllen. Es wurde ein lautloser, ästhetischer Clientcomputer entwickelt, der auch den Forderungen nach Robustheit und Umweltfreundlichkeit entspricht. Die Softwarelösung ist, wenn installiert, sehr wartungsfreundlich zu betreiben. Die Skalierbarkeit konnten wir zwar nicht mehr testen, die Geschwindigkeit der Computer hängt jedoch nicht mehr direkt vom Zentralcomputer ab. Nur die Reaktionszeit wird von der Netzwerkgeschwindigkeit beeinflusst. Die Geschwindigkeit des ganzen Systems ist für Büroarbeiten völlig ausreichend. Wir haben Teile dieser Ausarbeitung auf unserem Epia-Client erstellt und befinden ihn für besser als manch einen Computer an unserer Schule, der mit einem Zentralrechner verbunden ist. Sehr hilfreich war, dass wir von unserer Schule, dem Gymnasium Lohbrügge, umfangreiche Unterstützung erhalten haben. So soll bis zur Jugend forscht Messe auch ein kompletter Computerraum mit unseren Clients ausgestattet werden. Die Entwicklung dieses Systems war umfangreicher als wir anfangs angenommen hatten, da sehr viele Faktoren bedacht werden mussten. So war die Entwicklung einer ansprechenden Desktop-Oberfäche beispielsweise ebenso notwendig, wie die Beachtung der Wärmewiderstände an den Verbindungsstellen der Kühllösung. Wir wurden nicht nur vor technische oder theoretische Probleme gestellt, sondern mussten auch auf wirtschaftliche Fragestellungen reagieren. Zum Beispiel waren die Heatpipe-Angebote, die wir eingeholt hatten, zuerst allesamt viel zu teuer und die Spezialschrauben die wir ursprünglich für außen verwenden wollten, nicht lieferbar. Alles in allem war es ein tolles wenn auch sehr stressiges Projekt und eine interessante Erfahrung. Wir finden, dass es uns und die weiteren Beteiligten ein gutes Stück voran gebracht hat und wir eine Menge Erfahrungen dabei gesammelt haben (z.b. dass man das Layout der Ausarbeitung nicht erst am vorletzten Tag machen sollte). Besonders angespornt hat uns, dass unser Forschungsprojekt einen direkten Alltagsbezug hat und wir die Auswirkungen in unserer Schule direkt nutzen können. 2. Ausblick Diese erste Version von workroom in a box ist erst ein Anfang. Uns sind bei der Ausarbeitung viele Verbesserungsmöglichkeiten aufgefallen, an denen wir gerne weiter entwickeln würden. So möchten wir ein spezielles ebenfalls passives Servergehäuse entwickeln, dass dann mit einem DVD-Brenner zur Datensicherung ausgestattet ist und als Lehrerrechner fungieren kann. Wir würden auch gerne einmal leistungsfähigere Prozessoren verbauen, wie Intels Pentium M, Pentium4 mobile oder Celeron, was eventuell sogar den Preis noch weiter drücken kann (beim Celeron). Leider gibt es noch keine passenden Hauptplatinen für AMD-CPUs, sonst würden wir ebenfalls versuchen, diese in einen wiabclient uns zu integrieren. Von der Softwareseite wollen wir unsere schriftliche Dokumentation zur Inbetriebnahme und Pflege eines solchen Systems verbessern und die Clients sobald dies mit OpenMosix möglich ist auch mit dem neuen Linux 2.6er Kernel betreiben. Linux der Version 2.6 für die Clients Inbetriebnahme eines Computerraums Clientrechner mit Pentium4-CPU mit stärkerer Heatpipe Skalierungstests Lehrerarbeitsplatz mit CD-ROM Laufwerk entwickeln Fehlerbereinigung Abb.11: Die kleine Kosy Portal CNC-Fräsmaschine mit 900Watt Kress Fräsmotor. Eine frühe 3Dskizze

16 16 Roadmap Computerraum einrichten Detailverbesserungen Skalierungstests Stärkerer Prozessor Lehrerarbeitsplatz Linux 2.6 workroom in a box Abb.12: Roadmap

17 workroom in a box VII.Anhang Quellen Administration: Longhaul-Funktion des Via Prozessors: ftp://ftp.linux.org.uk/pub/linux/cpufreq/ unionfs: Verbrauchsdaten Pentium4: erbrauch_prozessoren/2/ Verbrauchsrechner für Epiamainboards: POV-Ray Benchmark: 3. Sponsoren und Danksagungen Wir danken recht herzlich unseren Unterstützern und Sponsoren: Gymnasium Lohbrügge Wegertseder Schrauben GmbH Fischer-Elektronik Hans-Joachim Burkhardt 2. Bildquellen: Fotos und Redenrings von David Burkhardt: 1-4, 7, 8 Fotos von Christian Möller: 11 Screenshots von Clemens Heppner: 5, 9, 10 Uwe Debacher Dr. Wolfgang Dittmar Die Tabellen, Werte sind auf unsere Tests zurückzuführen bis auf die Leistungsdaten in Tab.1 und Tab.7. Diese stammen aus dem Onlinemagazin computerbase.de Abb.6: Abb.12(Hintergrund): medienservice.html Ein Projekt in Kooperation mit:

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