Optimierung der Verlässlichkeit & Fehlertoleranz von RechenzentrumsVersorgungsinfrastrukturen

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1 Optimierung der Verlässlichkeit & Fehlertoleranz von RechenzentrumsVersorgungsinfrastrukturen Dipl.-Ing. Uwe Müller ibmu.de Ingenieurgesellschaft für technische Beratung, Medien und Systeme mbh

2 Agenda 1. Rechenzentrums-Versorgungsinfrastruktur Effizienz, Optimierung, Lösungsraum Tier Klassifikation 2. Verlässlichkeit Zuverlässigkeit, Verfügbarkeit, Verlässlichkeit, Fehlersimulation 3. InfraOpt Softwareanwendung und Dienstleistungsprozess Optimierung am Beispiel eines Bestandsrechenzentrums Ergebnisse des Optimierungsprozesses 4. Konsequenzen

3 1.1 Rechenzentrums-Versorgungsinfrastruktur Die Rechenzentrums-Versorgungsinfrastruktur umfasst alle zur Aufrechterhaltung des Rechenzentrumsbetriebes notwendigen Hilfsdienste: Elektroenergieversorgung Erzeugung, Übertragung und Verteilung Microgrid Kälteversorgung Erzeugung, Übertragung und Verteilung Elektroenergieversorgung und Kälteversorgung gemeinsam sind unabdingbar. Die folgenden Betrachtungen werden daher auch als Integraler Ansatz bezeichnet.

4 1.2 Effizienz einer Versorgungsinfrastruktur Effizienz ist das Verhältnis zwischen definiertem Nutzen und Aufwand. Nutzen entspricht Systemerfolg der RZ-Versorgungsinfrastruktur: Systemerfolg S der Elektroenergie- & Kälteversorgung S(DCi) = S(E) S(C) S(C) = S(C C ) S(C E ) Aufwand: Lebenszykluskosten LCC DIN EN : LCC = K(Beschaffung) + K(Besitz) + K(Entsorgung) Beschaffung (z. B. Produktentwicklung, Investition, Planung) Besitz (z. B. Verbrauch, Management, Wartung, Reparatur) Entsorgung (z. B. Rückgabe, Rückbau) Planung und Betrieb der RZ-Infrastruktur als Optimierungsaufgabe: Maximum(Verlässlichkeit) Minimum(Lebenszykluskosten)

5 1.3 Tier Klassifikation Single Points-of Failure Representative Planned Maintenance Shut Downs Tier I Tier II Tier III Tier IV Many+Human Error 2 Annual Events at 12 Hours Each Many+Human Error 2 Events Over 2 Years at 12 Hours Each Some+Human Error None Required Fire, EPO+Some Human Error None Required Representative 6 failures 1 Failure 1 Failure 1 Failure Site Failures Over 5 Years Every Year Every 2.5 Yrs. Every 5 Years Annual Site- Caused End-User Downtime (based on field data) Resulting End-User Availability on Site- Caused Downtime 28.8 hours 22.0 hours 1.6 hours 0.8 hours % % % % First Deployed Quelle (Auszug): Uptime Institut, 2008, White Paper, Tier Classifications Define Site Infrastructure Performance, Page 14

6 2.1 Verlässlichkeitsanalyse mittels InfraOpt Zuverlässigkeit (Reliability): R(t) = e -1/MTBF * t als Wahrscheinlichkeitsmaß Strukturdesign (Tier bzw. Kategorie), Redundanzen (m+n) Komponenten (MTBF), Betriebsdauer etc. Inhärente Verfügbarkeit: A i = MTBF / (MTBF + MTTR) MTBF: Mittlere Zeit zwischen zwei (Anlagen-)Fehlern MTTR: Mittlere Zeit zur Reparatur Berücksichtigt keine Fehler durch menschliches Fehlverhalten Operationale Verfügbarkeit: A o = MTBM / (MTBM + MDT) MTBM: Mittlere Zeit zwischen zwei Instandsetzungen MDT: Mittlere Zeit der Nichtverfügbarkeit Analyse des Verhaltens bei geplanten oder nicht geplanten Ereignissen Prüfung des Systemerfolgs bei Single Points of Failure (SPoF) Prüfung des Systemerfolgs bei Double Points of Failure (SPoF)

7 2.2 Beispiel Bestands-RZ Aufgabenstellung 2 of 3 q1 output w1 4 of 5 s1 feed IT 1 z1 feed IT 2 z2 Optimiere die Verlässlichkeit der RZ-Versorgungsinfrastruktur Analysiere: Zuverlässigkeit R(t) Inhärente Verfügbarkeit A i Operationale Verfügbarkeit A o 1- und 2-Fehlertoleranz Zielvorgaben: Verbessere die Verfügbarkeit Minimiere 1- Fehlerquellen SPoF Minimiere Investitionskosten

8 3.2 InfraOpt Dienstleistungsprozess Fünf Schritte zur Optimierungsvariante: Aufnahme der RZ-Infrastruktur Modellierung der RZ-Infrastruktur Aufbereitung der Zuverlässigkeitsdaten Berechnung R(t = 1 Jahr), A i, A o Vollständige 1- und 2-Fehlersimulation

9 3.3 Aufnahme der RZ- Infrastruktur

10

11 3.4 Aufbereitung der Zuverlässigkeitsdaten Aufbereiten aller Teilsysteme des Zuverlässigkeitsmodells in InfraOpt bestehend aus definierten Komponenten beliebige Anzahl von Komponenten je Teilsystem möglich Einpflege und Zuordnung von Zuverlässigkeitsdaten aus folgenden Quellen: statistische Erhebungen des Rechenzentrums-Betreibers Zuverlässigkeitsdaten von Herstellern und Zulieferern Zuverlässigkeitsdaten aus IEEE Std

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13 3.5 Versorgungsinfrastruktur - Variante 1 Bestand Variante 1 Main switchgear 2 m2 U12 t3 C12 n3 C12 n3 2 of 3 q1 output w1 cooling 1 o1 2 of 3 q1 Transf./switchgear input u1 output w1 3 of 4 s1 feed IT 1 z1 feed IT 2 z2 3 of 4 s1 feed IT 1 z1 feed IT 2 z2

14 3.6 Verlässlichkeitsanalyse mittels InfraOpt64 Bestand Variante 1 Anzahl Teilsysteme N Zuverlässigkeit R(t=1 y) 0, ,71111 Inh. Verfügbarkeit A i 0, ,99996 Op. Verfügbarkeit A o 0, ,99268 Single Points of Failure 6 (30 %) 5 (20 %) Double Points of Failure 118 (61 %) 157 (52 %) U12 t3 Main switchgear 2 m2 C12 n3 2 of 3 q1 output w1 cooling 1 o1 2 of 3 q1 Transf./switchgear input u1 output w1 IT11 x1 IT12 x2 3 of 4 s1 feed IT 1 z1 feed IT 2 z2 3 of 4 s1 feed IT 1 z1 feed IT 2 z2

15 3.7 Versorgungsinfrastruktur Variante 2 Variante 1 Variante 2 Main switchgear 2 m2 U12 t3 C12 n3 C12 n3 C21 n2 Main switchgear 2 m2 U12 t3 C12 n3 C22 n4 C12 n3 cooling 1 o1 2 of 3 q1 Transf./switchgear input u1 output w1 cooling 1 o1 2 of 2 q1 Transf./switchgear input u1 output w1 cooling 2 o2 cooling 2 p2 CW-sets 2 2 of 2 q2 & control 2 r2 3 of 4 s1 feed IT 1 z1 feed IT 2 z2 3 of 3 s1 CRAC 2 3 of 3 s2 Sw.-gr. Sw.-gr. fd IT1 z1 fd IT2 z2

16 3.8 Verlässlichkeitsanalyse mittels InfraOpt64 Bestand Variante 1 Variante 2 Anzahl Teilsyst. N Zuverlässigkt. R(t) 0, , ,66179 Inh. Verfügbrkt. A i 0, , ,99998 Op. Verfügbrkt. A o 0, , ,99850 SPoF 6 (30 %) 5 (20 %) 2 (6 %) DPoF 118 (61 %) 157 (52 %) 121 (24 %) U12 t3 Main switchgear 2 m2 C12 n3 C21 n2 U12 t3 Main switchgear 2 m2 C12 n3 C22 n4 2 of 3 q1 output w1 cooling 1 o1 2 of 3 q1 Transf./switchgear input u1 output w1 IT11 x1 IT12 x2 cooling 1 o1 2 of 2 q1 Transf./switchgear input u1 output w1 IT11 x1 IT12 x2 cooling 2 o2 cooling 2 p2 CW-sets 2 2 of 2 q2 & control 2 r2 3 of 4 s1 feed IT 1 z1 feed IT 2 z2 3 of 4 s1 feed IT 1 z1 feed IT 2 z2 3 of 3 s1 CRAC 2 3 of 3 s2 Sw.-gr. Sw.-gr. fd IT1 z1 fd IT2 z2

17 3.9 Versorgungsinfrastruktur - Variante 3 Variante 2 Variante 3 C21 n2 Main switchgear 2 m2 U12 t3 C12 n3 C22 n4 C21 n2 C21 n2 C12 n3 C22 n4 cooling 1 o1 2 of 2 q1 Transf./switchgear input u1 output w1 cooling 2 o2 cooling 2 p2 CW-sets 2 2 of 2 q2 & control 2 r2 2 of 2 q1 output w1 cooling 2 p2 CW-sets 2 2 of 2 q2 & control 2 r2 3 of 3 s1 CRAC 2 3 of 3 s2 Sw.-gr. Sw.-gr. fd IT1 z1 fd IT2 z2 3 of 3 s1 CRAC 2 3 of 3 s2 Sw.-gr. Sw.-gr. fd IT1 z1 fd IT2 z2

18 3.10 Verlässlichkeitsanalyse mittels InfraOpt64 Bestand Variante 1 Variante 2 Variante 3 N R(t) 0, , , ,70360 A i 0, , , ,99998 A o 0, , , ,99869 SPoF 6 (30 %) 5 (20 %) 2 (6 %) 3 (12 %) DPoF 118 (61 %) 157 (52 %) 121 (24 %) 111 (37 %) U12 t3 Main switchgear 2 m2 C12 n3 C21 n2 U12 t3 Main switchgear 2 m2 C12 n3 C22 n4 C21 n2 2 of 3 q1 output w1 cooling 1 o1 2 of 3 q1 Transf./switchgear input u1 output w1 IT11 x1 IT12 x2 cooling 1 o1 2 of 2 q1 Transf./switchgear input u1 output w1 IT11 x1 IT12 x2 cooling 2 o2 cooling 2 p2 CW-sets 2 2 of 2 q2 & control 2 r2 2 of 2 q1 output w1 cooling 2 p2 CW-sets 2 2 of 2 q2 & control 2 r2 3 of 4 s1 feed IT 1 z1 feed IT 2 z2 3 of 4 s1 feed IT 1 z1 feed IT 2 z2 3 of 3 s1 CRAC 2 3 of 3 s2 Sw.-gr. Sw.-gr. fd IT1 z1 fd IT2 z2 3 of 3 s1 CRAC 2 3 of 3 s2 Sw.-gr. Sw.-gr. fd IT1 z1 fd IT2 z2

19 4.1 Konsequenzen der Verlässlichkeitsanalyse Optimierung erfordert Variantenbetrachtungen (ggf. zahlreiche) Voraussetzung sind geeignete Metriken (oder Kennwerte) Einsatz von Simulationsverfahren wie InfraOpt Verbesserung der Zuverlässigkeit R(t) und Fehlertoleranz Resultiert in Investitionen Verbesserung der Inhärenten Verfügbarkeit A i Anpassung der Wartungs- und Servicepläne Materialbevorratung usw. Verbesserung der Operationalen Verfügbarkeit A o Einführung bzw. Verbesserung der Managementsysteme Schulungen und Qualifikationen Infrastrukturelle Anpassung zur Fehlervermeidung Verbesserung der Objektsicherheit Schutz vor Elementarereignissen

20 4.2 InfraOpt für Planer, Betreiber, Entscheider Grundvoraussetzung zum Optimieren ist Quantifizieren, deshalb: Verlässlichkeitsanalyse mittels InfraOpt. Variantengengenüberstellung verschiedener RZ-Designs, Tier- Modell- bzw. RZ-Kategorie-Validierung Vergleich von Redundanzanordnungen (n + m), (j n + k m) Vergleich von Komponenten mit unterschiedlichen MTBF Identifizieren von Schwachstellen, präventiv und im laufenden Betrieb, Investitionsplanung Optimieren von Wartungs- und Serviceplänen Fortlaufende Zuverlässigkeitsbewertung eines Informationssicherheits-Managementsystems IMS nach DIN ISO / IEC ff. Zuverlässigkeitsmanagement konform zur VDI 4003:2007 in den Phasen Planung und Verifizierung

21 Dipl.-Ing. Uwe Müller Geschäftsführender Gesellschafter ibmu.de Ingenieurgesellschaft für technische Beratung, Medien und Systeme mbh ibmu.de InfraOpt Der Analyse und Optimierung Ihrer RZ-Infrastruktur sehe ich mit Interesse entgegen.

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