Messergebnisse zum Strombedarf von IKT- Equipment in einer Cloud. 3. Jahrestagung des Wissenschaftsforum Green-IT Berlin, Dezember 2012

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1 Messergebnisse zum Strombedarf von IKT- Equipment in einer Cloud 3. Jahrestagung des Wissenschaftsforum Green-IT Berlin, Dezember 2012

2 Projektziel 1: Energie einsparen

3 Projektziel 2: regenerative Energie nutzen

4 Arbeitsplätze

5 Arbeitshypothese 1: Desktop Virtualisierung Verbrauch Verbrauchsvergleich Laptop Desktop PC2 Zero Client Serverbasis Anzahl n n+1 n+2 n+3 Anzahl Systeme

6 Arbeitshypothese 2: Laptop als Energiespeicher (verworfen) Verbrauch Verbrauchsvergleich Laptop Desktop PC2 Zero Client Zeitpunkt n n+1 n+2 n+3 Phase Ladung Phase Entladung t

7 Bsp.: Vergleich Zero Clients Fujitsu DZ 22-2 Bildschirmdiagonale 55,9 cm (22 ) LED backlight panel Lautsprecher 2 x 1 W Power save mode < 0,5 W Leistungsaufnahme im Betrieb 34 W Prozessor./. Speicher./. Samsung NC 240 Bildschirmdiagonale 59,94cm (24 ) Kaltlichtkathode Lautsprecher 2 x 1 W Power save mode < 2,0 W Leistungsaufnahme im Betrieb 67 W PCoverIP Prozesser 1100 Speicher 128 MB XDE RAM

8 Verbrauchsverhalten Zero Clients unilab 5,0000 4,0000 3,0000 2,0000 1,0000 0,0000 Verbrauch kumuliert [kwh] Woche 1 Woche 2 Fujtsu Dz 22 (Herbert) Fujtsu Dz 22 (Markus) Samsung NC 240 Messung: Jeweils 2 Wochen an vergleichbaren Arbeitsplätzen Ergebnis: Der Zero Client von Samsung hat einen deutlich höheren Stromverbrauch Ursache: Größerer Bildschirm Kaltlichtkathode eingebauter Prozessor

9 Testszenario Virtual Desktop Infrastructure Poolraum Universität, Fachbereich Maschinenbau Rahmenbedingungen: 20 Arbeitsplätze Diebstahlschutz - Gerät am Arbeitsplatz verschlossen -> Wake on USB zur Aktivierung notwendig Bewertung der Leistung aus Anwendersicht subjektiv (Startzeiten, 3D- Grafikleistung, Bedarf an Rechenleistung) 9/

10 Energieverbrauch von Arbeitsplatzrechnern (ohne Bildschirm) Messung MB-Pool Intel Q6700 Nvidia- Grafikk. Herstellerangabe Esprimo P700 E90+ i5/2400, 3,5" Herstellerangabe Esprimo P710 E90+ i7/3770, 3,5" Messung Cisco VXC 2211 Igel Herstellerangabe Herstellerangabe Teradici neu Verbrauch Server/ Storage pro Client Korridor zu Altgeräten Verbrauch Server/ Storage pro Client Korridor zu Neugeräten Maximal 190,00 W 83,20 W 65,50 W 14,00 W 11,00 W 6,00 W Leerlauf 115,00 W 21,70 W 21,80 W 12,00 W 11,00 W 6,00 W "Ein": 10/90% 122,50 W 27,85 W 26,17 W 12,20 W 11,00 W 6,00 W Standby 6,20 W 1,13 W 1,23 W 2,00 W 1,00 W 1,00 W Soft-Off 5,50 W 0,62 W 0,67 W 2,00 W 1,00 W 1,00 W TEC 260d 291,9 kwh/a 62,3 kwh/a 59,2 kwh/a 38,7 kwh/a 29,6 kwh/a 19,2 kwh/a Energy Star 55/5/40 432,2 kwh/a 79,5 kwh/a 80,2 kwh/a 52,6 kwh/a 43,8 kwh/a 26,3 kwh/a Pool MB: 14x ,1 kwh/a 144,6 kwh/a 136,2 kwh/a 69,6 kwh/a 59,9 kwh/a 34,3 kwh/a 272,2-253,2 kwh/a 405,9-379,6 kwh/a 611,8-576,5 KWh/a 43,1-20,5 kwh/a 53,9 26,9 kwh/a 110,3 66,6 KWh/a 10/

11 Energieverbrauch im Rechenzentrum

12 Energieverbraucher im RZ Überblick aller Energieverbraucher im Rechenzentrum und Ansatzpunkte zur Energieeinsparung Total DC IT devices Cooling device UPS, Lighting and others IT devices Servers Storages Network Server CPU Mem. HDD PSU Others 50% 100%

13 Rechenzentrum: Messen vs. Simulieren Messen Exakter Aufbau und nachvollziehbare Ergebnisse Maßnahme und Wirkung lassen sich beobachten und bestimmen Isolierung von Teilsystemen und Möglichkeit der Justierung Bewertung und Hochrechnung auf das Gesamtsystem Simulation Verständnis für die komplexen Zusammenhänge und Auswirkungen der IT2Green Maßnahmen entwickeln und simulieren RZ sind komplex mit vielen interagierenden Teilsystemen mit sehr unterschiedlichen Eigenschaften RZ sind im operativen Betrieb. Man kann nicht experimentieren Ergebnis ist ein Modell über den Zusammenhang von Elektrizitätsfluss, Wärmefluss und Wetterdaten

14 CISCO N EXUS N 5548P Messstellen im Neubau O (NSHV, NSV) von NSHV bsplw. A NSV Leistung Umluftklimageräte / In-Row Kühlgeräte Umwälzpumpen Kaltwassersatz auf Dachebene Beleuchtung / Zugangskontrolle Belüftung Verlustleistung der unterbrechungsfreien Stromversorgung (USV) Zentrale Kältegewinnung Standby Generator Loss W W W W PDUs elektronisch ablesbar W ID W STA T W Cisco EnergyWise / Power & Environment Sensor Externe Messgeräte z.b. LVM 210 / UMG 605 IPMI / Blade Enclosure Onboard Administrator... Temperatur Zuluft- / Ablufttemperatur Wärmerückgewinnung W manuell ablesbar [Vereinfacht]

15 Schwerpunkt: Netzwerkinfrastruktur Total DC IT devices Cooling device UPS, Lighting and others IT devices Servers Storages Network Server CPU Mem. HDD PSU Others 50% 100%

16 Bsp.: Verkabelung Kat.6 vs. Fiber to the office Kat. 6 Kupferverkabelung Fiber To The Office Fallstudie Gebäude J 200 Büroräume, Anschlüsse (6 Anschlüsse/Raum) Ca. 35% (420) Power over Ethernet nutzbar

17 Gegenüberstellung Kat. 6 Fiber To The Office Anzahl Netzwerkverteiler 4 Anzahl Netzwerkverteiler 1 Anzahl Ports pro Netzwerkverteiler 300 (1.200) Anzahl Ports gesamt 400 Anzahl Module pro Netzwerkverteiler 7 (28) Anzahl Module gesamt 17 Anzahl Switche pro Netzwerkverteiler 2 Anzahl Switche gesamt 4 Anzahl Switche gesamt 8 Anzahl SOHO Switche 200 Aufgenommene Leistung Switche [W] Aufgenommene Leistung Switche [W] Aufgenommene Leistung Router [W] 370 Aufgenommene Leistung gesamt [W] Aufgenommene Leistung SOHO Switche [W] Aufgenommene Leistung Router [W] 370 Aufgenommene Leistung gesamt [W] Aufgenommene Leistung PoE [W] Verlustleistung am Switchnetzteil PoE [W]

18 Ausgangssituation: Netzkomponenten Uni Paderborn (Stand Januar 2012): Mitarbeitende, knapp 200 Lehrstühle Studierende Campus-Universität mit einem zweiten Standort Erhebliche Baumaßnahmen und befristete Anmietungen derzeit 28 Gebäude auf dem Campus + 2 am zweiten Standort Netzwerkausstattung: 230 aktive Komponenten ~ Gesamt-Ports in Bürogebäuden (Büros, Hörsäle, Seminarräume, Flure) 2. Mai 2012 (14:00) ~7.000 connected, ~ not conn, ~ geblocked ~5% Fehler in der Schätzung, (nur ~ im Facility MGT)

19 Bsp.: Gerätevergleich Switche Hersteller / Gerät Techn. Daten Cisco NEXUS 2248 TP1GE 48 Ports Cisco C3560 G 48 TS- S 48 Ports Cisco C3560 G 48 PS- S Cisco C4506 E 48 Port Power over Ethernet (PoE) 240 Ports, Modularer Aufbau Power over Ethernet (PoE)

20 Ergebnisse: Netzwerkkomponenten Versuchsaufbau 240 Port in 5 x Cisco 3560er direkt verbunden mit 240 Ports in Cisco 45xx ein Switch spielt Client und erzeugt Last (je nach Bedarf 10,100,1000 Mbit/s und PoE) Messgerät Zimmer LMG

21 Beispiel: Bereitstellung 48 Ports im Vergleich Messung: Leistungsaufnahme nach Portbelegung Ergebnis: linearer Zuwachs

22 Modulare vs. Stacked Router Ergebnis: aus energetischer Sicht den Aufbau zunächst gestapelt beginnen, modular lohnt sich erst bei Fast-Vollbelegung

23 Produktion / Betriebssicht: Last Messung: Switche in unterschiedlichen Lastsituationen Ergebnis: Leistungsaufnahme ist relativ unabhängig von der Last bei TS (ohne PoE Funktion)

24 Produktion / Betriebssicht: Port-Geschwindigkeit Messung: Leistungsaufnahme am Port nach Geschwindigkeit Ergebnis: 1 GB- Anschluss ist energetisch sehr viel teurer. Keine Differenz zwischen IDLE und 10 Mbit

25 Produktion / Betriebssicht: Belegung Messung: Belegung am Tag

26 Produktion / Betriebssicht: Belegung Messung: Belegung in der Nacht Ergebnis: kaum Änderung (10%) ; Problem Vollauflegung

27 Optimierung Gebäude O - Beschaffungssicht

28 28 Beschaffung / Produktion: Optimierung Gebäude O: ¼ aller Ports (300) nicht geschaltet ½ Ports geschaltet (600), aber unbenutzt ¼ aller Ports (300) benutzt. Nachts nur 37 Ports nicht benutzt (10%). Option 1(Produktionssicht) : Ports wirklich abschalten 600 unbenutzte Ports abschalten spart 600 x 0,3 W = 180 W 180 W x 8, ,80 KWh p.a. (315 bei 0,20 ct pro KWh) auf dem Gesamt-Campus: x 0,3 W x 8,76 = KWh (5.256 ) Option 2 (Beschaffungs- + Produktionssicht): Redesign ca KWh pro Gebäude pro Jahr KWh auf dem Campus ca pro Gebäude und Jahr pro Jahr

29 Produktion / Betriebssicht: Ergebnisse Ergebnis: aktive Netzkomponenten noch energiehungrig und energetisch lastabhängig zu wenig steuerbar Anforderung an Hersteller: Ports müssen einzeln abschaltbar sein, z. B. Cisco EnergyWise Geschwindigkeit lastabhängig aushandeln ("EEE" - Energy Efficient Ethernet, IEEE 802.3az) Implementierung in allen neuen Gerätegenerationen Bis dahin aus energetischer Sicht: Keine Überkapazitäten: Nur das in Betrieb nehmen, was wirklich gebraucht wird Gilt für Hardware und Port-Geschwindigkeit Genauere Analyse der Produktion/des Betriebs ist notwendig!

30 Projektziel 1: Energie einsparen

31 Zuverlässige Verbrauchsdaten Server kommende Tests Hypothese Interne IPMI-Messung und externe Verbrauchsmessung weichen nicht signifikant voneinander ab Messpunkte Server Rack Rack-Einschub Blade-System: ganze Einheit mit identisch laufenden Programmen testen und mitteln Wasservorlauftemperatur und Rücklauftemperatur, Wasserdurchlaufmenge Messkonzept Variation der CPU-Last von 0% auf 100% in 10% Schritten für nicht-virtualisierte Anwendungen Einbindung von MPI-Anwendungen zur Belastung des Netzwerks und CPU-Last in 10%-Schritten für nicht-virtualisierte MPI-Anwendungen Variation der CPU-Last von 0% auf 100% für virtualisierte Anwendungen Variation der Netzwerk- und CPU-Last für virtualisierte MPI-Anwendungen Werkzeuge CPU-Burn für Einzeltests MPI-Benchmarks (one-to-one / all-to-all) plus CPU-Burn für Netzwerktests SpecPower zum Vergleich mit Werten von Fujitsu; mglw. andere Benchmarks wie SPECvirt

32 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit Dr. Lars Kemper unilab AG Technologiepark Paderborn Tel.: /

33 Back up: VoIP-Telefonie Ausgangssituation Uni Paderborn Standort Uni Campus Telefonie: DFN (5 x PMX mit je 30 Kanälen); Nixdorf 8818 (ca. 800 analoge Nebenstellen) Siemens HiCom 4000 (3.600 Systemports) Siemens HiPath 8000 (IP-System; nur in Gebäude O) Netzanbindung: DFN Verein 2 x 600 Mbit Unter energetischen Gesichtspunkten Migration nicht sinnvoll. 1. die aktuellen Systeme benötigen auf der Leitungsstrecke HVT -> Telefon keine aktiven Komponenten, ein IP-System schon (Switche) 2. Die bisherigen Telefone werden aus der Anlage gespeist und haben einen geringen Strombedarf (Analoge Geräte nur bei tatsächlicher Nutzung) Aber: Keines der vorhandenen Systeme weist in irgendeiner Form eine Redundanz auf Die Nixdorf 8818 hat einen Softwarestand von 1993 und unterstützt viele aktuelle Leistungsmerkmale wie z.b. Clip nicht. Die Ersatzteilbeschaffung ist zwar grundsätzlich noch möglich, wird jedoch immer problematischer Heutige Standards wie CTI & elektronisches Faxen sind gar nicht, Voic boxen über ein proprietäres System realisiert

34 GreenPAD Smart Grid Potential

35 Smart Grid-Konzept

36 Datenanalyse

37 Entwurf grüner Leitstand

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