Green IT Das grüne Rechenzentrum

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1 Green IT Das grüne Rechenzentrum Swiss Innovation Outlook 2007

2 Vorwort Sehr geehrte Leserin, sehr geehrter Leser «Grün» ist zurzeit ein Topthema. Klimaerwärmung und Energieknappheit beschäftigen die Menschheit mehr denn je. Die Frage, wie man den Stromverbrauch senken kann, ist auch für die Schweiz hochaktuell: Als traditionelles Dienstleistungsland ist sie auf umweltfreundliche, kostengünstige IT-Technologien besonders angewiesen. Rechenzentren sind Energiegrossverbraucher. Auch wenn sich die Energieeffizienz einzelner Komponenten laufend verbessert, so fehlt bis heute ein übergreifendes Modell, das einen intelligenten Energiekreislauf ermöglicht. Für ein solches Modell aber braucht es Visionen und kreative Ideen. Das grüne Rechenzentrum steht im Zentrum eines Schweizer Forschungsprojekts, an dem sich IBM mit der ETH Zürich, der Zürcher Kantonalbank und andern Partnern beteiligt. Am 4. Rechenzentrums-Thementag an der ETH Zürich im April 2007 wurden Lösungen zu diesem Projekt vorgestellt. Dieser Report zeigt den aktuellen Stand der Initiative. Sie bettet sich ein in die weltweite Initiative «Projekt Big Green» von IBM, die im Mai dieses Jahres gestartet wurde. Als Mitstreiterin des «Green Teams» werden wir unser Engagement weiter intensivieren damit aus der Vision des grünen Rechenzentrums in naher Zukunft Wirklichkeit wird. Mit freundlichen Grüssen Susanne Ruoff Director Global Technology Services, IBM Schweiz Jörg Schanze Manager Site and Facilities Services, IBM Schweiz

3 Inhalt 1. Die Diskussion DIE SUCHE NACH INNOVATIVEN UND INTELLIGENTEN KONZEPTEn 5 TRENDS UND UMSETZUNGSSCHRITTE 7 2. Die Lösungen ENERGIEEFFIZIENZ-INDIKATOR FÜR RECHENZENTREN 10 ERFOLGSFAKTOR MENSCH WISSEN UND ANREIZE FÜR ENERGIEEFFIZIENTE RECHENZENTREn 12 BUSINESSPROZESSE UND SOFTWARE ALS QUELLEN DER LASt 15 VIRTUALISIERUNG ALS ÖKOLOGISCHE UND EFFIZIENTE ALTERNATIVE 18 FUTURE CHIP-DESIGN 20 STANDORTWAHL UND PLANUNG NEUER RECHENZENTREn 22 STROMPRODUKTION, -ANSCHLUSS UND -VERTEILUNG 27 KÄLTE-WÄRME-MANAGEMENT AUFBAU ENERGIEKREISLAUF 33 ENERGIEOPTIMIERTE RACKSYSTEM-LÖSUNGEN 37 MONITORING, OPTIMIEREN UND VERRECHNEN 39 RECHENZENTRUMS-BETRIEBSKONZEPt 42 SCHLUSSFOLGERUNG Der Partner IBM ALS TECHNOLOGIEPARTNER FÜR GREEN it 48 KONTAKTADRESSEn 50

4 1. Die Diskussion Folgende Experten beteiligten sich am Swiss Innovation Outlook zum Thema «Green IT Das grüne Rechenzentrum»: Bernard Aebischer René Bersier Gerhard Bosch Hans Burkard Matthias Doss Klaus Fichter Klaus-Martin Gareis Ulrich Henne Bruno Michel Jörg Schanze Holger Schwarzer Martin Venherm Jürg Volkart ETH Zürich ibm Schweiz ibm Deutschland opit Solutions AG Suiselectra Ingenieurunternehmung AG, Basel Borderstep Institut für Innovation und Nachhaltigkeit GmbH, Berlin ibm Schweiz Henne und Walter AG, Deutschland ibm Research GmbH ibm Schweiz ibm Schweiz ibm United Kingdom ibm Schweiz

5 Das Rechenzentrum der Zukunft Die Suche nach innovativen und intelligenten Konzepten DAS THEMA ENERGIE HAT IN DEN LETZTEN JAHREN STARK AN BEDEUTUNG GEWONNEN. GERADE IM IT-BEREICH WÄCHST DER STROMVERBRAUCH MARKANT: HEUTE SET ZEN RECHENZENTREN ALS ENERGIEGROSSVERBRAUCHER LEISTUNGEN IM MW-BEREICH UM. Gemäss neueren Studien werden die Ausgaben für Kühlung und Strom in wenigen Jahren die Kosten für die Infrastruktur übersteigen. Diese Entwicklung ist gerade für die Schweizer Volkswirtschaft wichtig, da sie sich primär auf den IT-orientierten Dienstleistungssektor stützt. Betroffen von dieser Entwicklung ist vor allem der Finanzbereich. 40 Prozent des Energieverbrauchs von Banken stehen im direkten Zusammenhang mit den Informatikprozessen. Aus Kostengründen wie auch aus Gründen des Klima- und umweltschutzes drängt sich die Suche nach innovativen, systemübergreifenden Lösungen auf. Verschiedene Ansätze zur Optimierung von Rechenzentren sind bereits realisiert, doch fehlt nach wie vor eine «End to End»-Lösung, die sämtliche Faktoren zur Senkung des Energieverbrauchs vereint. Das Grundthema im Sinne eines Ein-/Ausgangsmodells ist das Verhältnis von eingesetzter elektrischer Energie zu der Leistungsfähigkeit von Businessprozessen. Doch wie kann dieses Verhältnis dargestellt werden? Wie kann man es messen, steuern, regeln, überwachen, um zu optimieren? Geht das überhaupt? Wo könnte ein Anfang liegen?

6 Das Rechenzentrum der Zukunft Die Idee eines energieeffizienten Rechenzentrums, das IBM zusammen mit der ETH, der Zürcher Kantonalbank sowie weiteren Partnern entwickeln will, zielt auf zwei Bereiche: zum einen auf die Energieoptimierung im Rechenzentrum selber (Software-, Hardware-, Infrastruktur-Design), zum anderen auf den Aufbau eines Energiekreislaufes, bei dem innovative und intelligente Konzepte die nicht genutzte Energie (Abwärme) in Businessprozesse zurückführt.

7 Trends und Umsetzung Folgende Trends und Umsetzungsschritte zeichnen sich für die kommenden Jahre ab: Zweitens Erstens Im Rahmen des Grossverbrauchermodells Zürich sucht eine Gruppe von Rechenzentrumsbetreibern nach energieeffizienten Lösungen. Diese können auch als Gutschrift für die Zielvereinbarungen mit dem Kanton verwendet werden. Mit Letzteren will man die kantonalen Bauten in Hinblick auf die verschärften energetischen Anforderungen modernisieren. Vorstellbar wäre, dass die Betreiber mit der erhaltenen Gutschrift von den Elektrizitätswerken einen günstigeren Tarif bekommen. Die Virtualisierung von Server- und Speichersystemen wird, sofern korrekt implementiert, die IT-Landschaft fundamental verändern. Der Trend lautet: weg von dedizierten Systemen, hin zur flexiblen IT-Infrastruktur mit höchster Adaptierbarkeit. Drittens Im Bereich Kühlung besteht in der Schweiz ein grosses Knowhow. Unter anderem arbeitet das IBM Labor mit der Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) an einer Kühlung durch Verdampfung von nicht polaren organischen Flüssigkeiten in Mikrokanälen. Daneben erforscht IBM in einem Projekt mit der ETH und anderen Partnern den Einsatz von Nanotechnologie für effizientere Kühlung. Zudem soll das Aufeinanderstapeln von Chips die Verbindungen verkürzen. Für das dadurch entstehende thermische Problem verspricht man sich längerfristig Lösungen von der Mikrotechnologie.

8 Trends und Umsetzung Viertens Mit dem Einsatz der neusten verfügbaren Kältetechnologien lässt sich gegenüber dem heutigen Standardeinsatz der Energiebedarf für die Kälteerzeugung nahezu halbieren. Der Fokus muss deshalb auf den optimalen Einsatz der jetzt schon zur Verfügung stehenden Technologien gerichtet bleiben. Als Ergänzung dazu könnte man Systeme mit erneuerbaren Energien kombinieren. Fünftens In naher Zukunft will man auch in der Schweiz vermehrt Lösungen mit Luftkühlung in hohen Leistungsbereichen einführen. Bei der Integrated Rack Solution (IRS), die IBM vor einigen Jahren zusammen mit Partnern entworfen hat, handelt es sich um eine Standard-19- Zoll-Rack-Lösung. Die Besonderheit dieser Lösung liegt darin, dass sie die Vermischung von warmer und kalter Luft weitgehend vermeidet. Kalt- und Warmgänge (Cold Aisle / Hot Aisle) zwischen den Hardware-Racks sowie die Vermeidung von unnötigen oder ungenutzten Kabeln im Doppelboden helfen, den Stromverbrauch im Rechenzentrum zu minimieren. Sechstens Zur Optimierung des Energieverbrauchs wird in Zukunft die verbrauchs- und anteilsabhängige Abrechnung für einzelne Rackoder Recheneinheiten an Bedeutung gewinnen. Dazu müssen alle kritischen Messgrössen bekannt sein. Die Energiekosten lassen sich so über Verteilschlüssel auf die einzelnen Einheiten oder Kunden umlegen, ähnlich wie bei der Heizkostenabrechnung in einem Mehrfamilienhaus.

9 2. Die Lösungen Energieeffizienz-Indikator für Rechenzentren 10 Erfolgsfaktor Mensch Wissen und Anreize für energieeffiziente Rechenzentren 12 Businessprozesse und Software als Quellen der Last 15 Virtualisierung als ökologische und effiziente AlternativE 18 Future Chip-Design 20 Standortwahl und Planung neuer Rechenzentren 22 Stromproduktion, -anschluss und -verteilung 27 Kälte-Wärme-management Aufbau Energiekreislauf 33 Energieoptimierte Racksystem-Lösungen 37 Monitoring, Optimieren und Verrechnen 39 Rechenzentrums-Betriebskonzept 42 SchlussfolgerunG 46

10 10 Indikator für Energieeffizienz Energieeffizienz-Indikator für Rechenzentren «Der spezifische Stromverbrauch von Rechenzentren bei angenommener gleicher Rechenleistung hat in den letzten 50 Jahren alle 10 Jahre um einen Faktor 100 abgenommen.» Bernard Aebischer, ETH Zürich WELTWEIT HAT SICH DER STROMVERBRAUCH FÜR SERVER ZWISCHEN 2000 UND 2005 VERDOPPELT. DIE SCHWEIZ, DIE ALS SICHERES LAND MIT EINER SICHEREN STROMVERSOR GUNG GILT, BIETET EINEN ATTRAKTIVEN STANDORT FÜR DATACENTER. Bereits heute zählt sie rund 4000 Rechenzentren. Energieeffizienz ist also auch für unser Land ein Thema von grosser Aktualität. Wie aber lässt sich bestimmen, ob ein Rechenzentrum energieeffizient ist oder nicht? Zur Bestimmung der Gesamt-Energieeffizienz definiert das Centre for Energy Policy and Economics (CEPE) der ETH Zürich zwei Kennzahlen (s. Grafik). C1 bestimmt die Energieeffizienz der zentralen Infrastruktur, während C2 ein Mass für die Energieeffizienz in den Serverräumen Energieeffizienz-Indikator für RZ u U = t I T EQUIPMENT processing, transmission, storage of data auxiliaries, losses co ve me up tr ot CO VE ME UP TR OT DATA CENTER INFRASTRUCT. Indikator für Gesamt- Energieeffizienz: CEE = u/t = U/T * u/t = C1 * C2 C1 = Indikator für Energieeffizienz der zentralen Infrastruktur C2 = Indikator für Energieeffizienz der IKT-Geräte Quelle: Aebischer et al., 2003

11 Indikator für Energieeffizienz 11 ist. In der Praxis kann aber C2 kaum gemessen werden und wird durch Kennzahlen für die Energieeffizienz der verschiedenen Geräte (z.b. Server) und Komponenten (z.b. Netzgeräte) ersetzt. C1 gilt als guter Indikator, vorausgesetzt, dass man nicht nur die momentane elektrische Leistung misst, sondern auch die Energie. Zudem müssen bei einer Energieanalyse verschiedene Komponenten wie etwa die Kälteerzeugung einzeln ausgewiesen werden. Dasselbe Modell wendet auch die «Green Grid»-Organisation auf internationaler Ebene an. Gemäss Studien verbrauchen Rechenzentren rund drei Viertel der Energie für Kühlung, Stromübertragung und -transformation. Nur gerade ein Viertel des Stromverbrauchs beanspruchen die Zentraleinheit, der Speicher sowie die Kommunikation. In den vergangenen Jahrzehnten ging der spezifische Stromverbrauch von Rechenzentren drastisch zurück, zugunsten höherer Rechenleistung. Der Stromverbrauch konnte in den letzten 50 Jahren alle 10 Jahre um den Faktor 100 reduziert werden. Wäre diese Entwicklung nur halb so schnell vorangegangen, würden die Computer in der Schweiz heute 10-mal mehr Strom verbrauchen, als weltweit produziert wird. Sparmöglichkeiten sehen Experten auf allen Ebenen: angefangen bei der Gestaltung der Businessprozesse und der dazu eingesetzten Software über die zu deren Betrieb notwendigen Prozessoren und Hardwaresysteme bis zur Auswahl der Komponenten für Kühlung und Stromversorgung. Die sichere Stromversorgung könnte man effizienter gestalten, und auch durch sparsamere Prozessoren liesse sich viel gewinnen, verbringen diese doch bei vielen Anwendungen die meiste Zeit mit Warten. Ausschliesslich jene Leistung zur Verfügung zu stellen, die auch wirklich gebraucht wird, birgt grosse Potenziale.

12 12 Erfolgsfaktor Mensch Erfolgsfaktor Mensch Wissen und Anreize für energieeffiziente Rechenzentren OBWOHL ENERGIEEFFIZIENZ MITTLERWEILE EIN TOPTHEMA DER IT-BRANCHE UND DER BETREIBER VON RECHENZENT REN IST, BLIEBEN DIE MÖGLICHKEITEN ZUR SENKUNG DES ENERGIEVERBRAUCHS BISLANG WEITGEHEND UNGE NUTZT. Würden die von Vorreitern heute schon erfolgreich angewendeten Effizienzlösungen wie z.b. die Erhöhung der Raumtemperatur in Serverräumen, energieeffiziente Server, konsequente Virtualisierungsstrategien oder intelligente Abwärmenutzung auf alle Rechenzentren übertragen, könnte man den Gesamtenergieverbrauch von Rechenzentren binnen drei Jahren problemlos halbieren. Dies ohne Ausgaben, die über die üblichen Ersatzinvestitionen hinausgehen, und trotz rasant wachsender Rechenleistung. 1 Bewährte technische Lösungen existieren also, kamen bislang aber nur bei wenigen Vorreitern zum Einsatz. Warum? Die Antwort: Es fehlt bei den meisten Entscheidungsträgern entlang der Wertschöpfungskette von Rechenzentren nach wie vor an Wissen um Effizienzlösungen und deren betriebswirtschaftliche Vorteile. Ausserdem haben sich die Entscheidungs 1 Vgl. Fichter, K. (2007): Zukunftsmarkt energieeffiziente Rechenzentren, Berlin (verfügbar unter sowie U.S. Environmental Protection Agency: Report to Congress on Server and Data Center Energy Efficiency, Public Law , August 2, 2007.

13 Erfolgsfaktor Mensch 13 kriterien und Anreizmechanismen bei den Herstellern, Planern und Betreibern von Rechenzentren noch nicht an die sich verändernden Rahmenbedingungen (Energiepreise, politische Programme zur Steigerung der Energieeffizienz usw.) angepasst. Ob fehlendes Wissen oder mangelnde Anreize, beides betrifft den Faktor Mensch, und dieser wurde bis jetzt in diesem Zusammenhang kaum beachtet. Dabei ist er der zentrale Erfolgsfaktor zur Steigerung der Energieeffizienz. Welche Möglichkeiten bestehen, Wissen zu verbreiten und Anreize für Energieeffizienz zu setzen? Verbesserung der Information von Rechenzentrums-Verantwortlichen «Best Practice»-Ansätze für energieeffiziente Lösungen bekannt machen (Broschüren, Konferenzen, Inhouse- Seminare) Energiechecks und Energieaudits: Energieverbräuche messen und analysieren, Verbesserungsmassnahmen entwickeln Energiekosten in die Kostenstellenverantwortung von Rechenzentrums-Managern aufnehmen Energieeffizienz-Benchmarking zwischen vergleichbaren Rechenzentren organisieren (z.b. auf Verbandsebene als anonymisiertes Benchmarking) neue Energiemanagement-Modelle bekannt machen, wie z.b. die des Energie-Contracting für Rechenzentren

14 14 Erfolgsfaktor Mensch verbesserung von Image und Aussendarstellung durch Umstellung der Stromversorgung von Rechenzentren auf Öko-Strom (100 Prozent aus regenerativen Energiequellen) Langfristige Orientierungen und Visionen für Hersteller, Planer und Betreiber schaffen nationales und internationales Energieeffizienz-Monitoring von Rechenzentren als Trenderfassung und als Bezugsgrösse für einzelbetriebliche Optimierungen «Es fehlt bei den meisten Entscheidungsträgern nach wie vor an Wissen um Effizienzlösungen und deren betriebswirtschaftliche Vorteilhaftigkeit.» Klaus Fichter, Direktor, Borderstep Institut für Innovation und Nachhaltigkeit GmbH, Berlin Entwicklung von Branchen-Roadmaps zu innovativen Energieversorgungs-, Kühlungs- und Abwärmenutzungs-Systemen (Zusammenarbeit von Unternehmen, Verbänden, Wissenschaft) Realisierung von Demonstrationsprojekten (Leuchtturmprojekten), um weltweit energieeffiziente Rechenzentren herauszuheben

15 Businessprozesse und Software 15 Businessprozesse und Software als Quellen der Last GESCHICKTES SOFTWARE-ENGINEERING HILFT UNTERNEH MEN KOSTEN ZU REDUZIEREN. WILLKOMMENER NEBEN EFFEKT: MAN BRAUCHT AUCH WENIGER ENERGIE, UM DIE SOFTWARE ZU BETREIBEN. Ein gutes Beispiel dafür ist die Finanzbranche. Dort sorgen Anwendungen für einen hohen Automatisierungsgrad. Banken wollen die Kosten einzelner Transaktionen tief halten und neue Funktionen schnell verfügbar machen. Der relativ geringe Preis von Hardware (Servern) hat dazu geführt, dass Banken für die meisten Web-Anwendungen je einen neuen Server anschaffen konnten. Diese Maschinen sind hinsichtlich ihrer Rechnerleistung für die absoluten «Peak- Workload»-Zeiten ausgelegt (z.b. Abrechnungen am Monatsende) und die übrige Zeit nicht voll ausgelastet. Dadurch entsteht eine aufwendige und CPU-intensive Infrastruktur für eine ineffiziente Serverauslastung. Effizientere Abläufe im Bankengeschäft Dass es auch effizienter geht, zeigt die Dresdner Bank. Zur Ausgestaltung ihres Umsatzverarbeitungs- und Buchungsprozesses

16 16 Businessprozesse und Software hat sie sich für eine sogenannte Information Factory (OSKAR) entschieden, die auf einem Grossrechner der zseries läuft. Dank geschicktem Software-Engineering laufen auf dieser Maschine mehrere unterschiedliche Anwendungen gleichzeitig. Sie ist so besser ausgelastet als mehrere kleinere Server. Ausserdem spart man sich die Verbindungsinfrastruktur, weil die Daten dort verarbeitet werden, wo sie gespeichert sind. «Reduktion der Stückkosten durch intelligentes Software- Engineering steigert nicht nur die Gewinne, sondern trägt auch dazu bei, unsere Umwelt zu erhalten.» Holger Schwarzer, IBM Schweiz Ähnlich dem industriellen Produktionsprozess werden Geldumsatzinformationen auf getrennten Fertigungsstrassen automatisiert und standardisiert verarbeitet. Das bedeutet, dass einfache Standardaufträge (High Volume Low Value) wie Einzelüberweisungen anders und schneller behandelt werden, als aufwendigere Transaktionen (High Value Low Volume), bei denen noch zusätzliche Arbeitsschritte nötig sind (wie zum Beispiel eine Risikobewertung). Fokus auf Performance-Optimierung Ein weiterer Ansatz liegt darin, sich schon beim Design einer Anwendung auf einen möglichst hohen und schnellen Datendurchsatz zu konzentrieren. Je mehr Daten die Anwendung in kürzerer Zeit verarbeiten kann, desto leistungsfähiger ist sie. Im Bankenbereich spielen wegen der hohen Anzahl von Transaktionen schon kleine Verbesserungen beim Durchsatz eine grosse Rolle. In Spitzenzeiten gilt es ein Volumen von etwa 11 Millionen Transaktionen täglich zu verarbeiten. Der Trick bei der Information Factory der Dresdner Bank ist hier, sinnvolle Aufgaben an die Middleware (Datenbank) abzugeben und nur die fachspezifischen Aufgaben in der Anwen

17 Businessprozesse und Software 17 dungslogik zu belassen. Die Bank konnte so die Performance ihrer Anwendung wesentlich steigern. Sie profitiert dreimal: Erstens kann sie die Qualität der Beratungs-, Geschäfts- und Serviceprozesse verbessern, zweitens sinken die IT-Kosten. Und drittens muss die Bank weniger Maschinen betreiben und spart dadurch Energie. Fazit: Durch geschicktes Workload-Management und ein ausgeklügeltes Software-Engineering lässt sich die Rechnerleistung des Grossrechners (zsystems) für unterschiedliche Applikationen einsetzen und optimal nutzen.

18 18 Virtualisierung Virtualisierung als ökologische und effiziente Alternative DIE VIRTUALISIERUNG VON SERVER- UND SPEICHERSYSTE MEN ERLAUBT ES, DIE ZAHL DER PHYSIKALISCH VORHAN DENEN KOMPONENTEN MASSIV ZU REDUZIEREN UND DA DURCH DEN BENÖTIGTEN ENERGIE- UND KÜHLBEDARF HEUTIGER IT-INSTALLATIONEN MARKANT ZU SENKEN. Typische Einsparungen im Energie- und Kühlbedarf von über 80 Prozent sind erreichbar. Eine rasche Einführung der Virtualisierungstechnologie erlaubt dabei nicht nur eine Entlastung der Umwelt bei reduzierten Energiekosten, sondern auch eine bessere Ausnutzung bereits vorhandener Systeme sowie eine Konventionell bzw. virtualisiert 80% 80% Virtualisiertes Rechenzentrum mit IBM Virtualisierung

19 Virtualisierung 19 «Die IBM Virtualisierungstechnologie erlaubt eine vielfach effizientere und ökologisch vernünftigere IT.» René Bersier, IBM Schweiz wesentlich flexiblere IT-Infrastruktur. Diese lässt sich über eine zentrale Steuerungskonsole sehr einfach an sich verändernde Anforderungen anpassen. Durch die überlegte und standardisierte Einführung ergeben sich zudem einfacher wartbare Umgebungen, welche die Betriebskosten zusätzlich nachhaltig senken. Heute sind bereits hoch optimierte Virtualisierungstechnologien auf dem Markt. So gibt es von IBM beispielsweise klassische Mainframes, die mit wenigen Prozessoren Hunderte von logischen Systemen betreiben, sowie POWER-Systeme, die Hunderte von UNIX-Systemen überflüssig machen oder hochskalierbare «System x»-maschinen, welche Dutzende herkömmlicher x86-systeme ablösen. Diese Technologien lassen das Rechenzentrum auf nur noch wenige Maschinen schrumpfen.

20 20 Future Chip-Design Future Chip-Design DIE NEUESTEN DICHT GEPACKTEN SYSTEME ERZEUGEN WÄRMEINSELN ODER HOT SPOTS, WELCHE DIE KÜHLUNGS EFFIZIENZ VON RECHENZENTREN SENKEN, WARMLUFT VON BENACHBARTEN GERÄTEN ANSAUGEN UND DIESE ÜBER HITZEN. Nachdem vor einigen Jahren Wasserkreisläufe aus den Rechenzentren verschwanden, denkt man nun wieder darüber nach, wie man Prozessoren in Rechnern mittels Flüssigkeit kühlen kann. Die Mikrotechnologie hat sich dabei als sehr effizientes Mittel erwiesen. In der Schweiz besteht ein grosses Know-how in diesem Bereich. Im IBM Labor in Rüschlikon forscht man seit drei Jahren an Lösungen, die man in rund fünf Jahren einführen will. Der entscheidende Vorteil von Wasserkühlung gegenüber Luftkühlung ist der hundertmal geringere Platzbedarf des mikrotechnologisch hergestellten Kühlers und die viertausendfach grössere Wärmekapazität des Mediums. Flüssigkühlung ermöglicht eine dichtere Packung der Komponenten und verbessert durch die kürzeren Verbindungen auch die Effizienz. Wassergekühlte Server brauchen 20 bis 40 Prozent weniger Strom, da Wasserpumpen wenig Leistung aufnehmen und die Kältemaschine mit einem besseren Wirkungsgrad arbeiten kann. Der geringere thermische Widerstand erlaubt es, die im Rechenzentrum anfallende Energie mit wenig Aufwand für die Gebäudeheizung weiterzuverwenden.

21 Future Chip-Design 21 Wasserkühlung für Prozessoren. Links: Parallelrückfluss-Architektur mit Querschnitt und Aufsicht des flächenzentrierten Musters von Düsen und Abflüssen. Mitte: 3-D-Ansicht eines hierarchischen Zu- und Abführbaums. Rechts: Rasterelektronenmikroskopische Aufnahme einer dreischichtigen Düsenplatte, die durch Tiefenätzen und Verkleben von drei Siliziumlagen entstand. Die Düsen haben einen Durchmesser von 30 Mikrometern und einen Abstand von 150 Mikrometern. In den Mikrokanalkühlern wird Wasser durch unzählige hierarchisch verzweigte Mikrokanäle, die dünner sind als ein Haar, an die heissen Stellen geführt, sodass die Kühleffizienz bis zu zehnmal besser ist als mit Luftkühlern. Damit kann man leistungsfähigere Prozessoren kühlen oder man kann ein Kühlmittel mit einer höheren Temperatur verwenden. Das IBM Labor arbeitet zudem mit der Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne an einer Kühlung durch Verdampfung von nicht polaren organischen Flüssigkeiten in Mikrokanälen. Mit dieser Technologie entsteht kein elektrisches Problem, sollte die Flüssigkeit einmal auslaufen.

22 22 Standortwahl und Planung Standortwahl und Planung neuer Rechenzentren OBWOHL ES BEREITS IN DEN FRÜHEN 90ER-JAHREN BEI SPIELE FÜR GROSSRECHENZENTREN GAB, DIE ALS AUTO NOME EINHEITEN KONZIPIERT WAREN, LIEGT DIE ENT WICKLUNG DES RECHENZENTRUMS ZUR EIGENSTÄNDIGEN BAUAUFGABE NOCH WEITGEHEND VOR UNS. Selbst die Avantgarde der Rechenzentren ist noch grösstenteils von einer überraschend engen Nachbarschaft zwischen der im Rechenzentrum konzentrierten IT-Infrastruktur einer Institution und einigen ihr vermeintlich (im Finanzsektor) besonders affinen Bürofunktionen oder (in der Automobilindustrie) Fertigungsabläufen gekennzeichnet. Historisch war diese geografische Nähe durch die damaligen technologischen Gegebenheiten bedingt. Diese haben sich durch das Internet als technologischer Basis unserer derzeitigen IT-Infrastruktur weitgehend verändert. Analog zur historischen Entwicklung bei der Generierung und Verteilung von Elektroenergie beschleunigt sich die Trennung von Anwendungs- und Infrastrukturebene auch bei der IT nur auf höherer Stufe. Bei ihrem nächsten Evolutionsschritt werden die heute noch störanfälligen und historisch überkommenen, am Nationalstaat ausgerichteten Energienetze die Struktur des Internets adaptieren.

23 Standortwahl und Planung 23 Das Rechenzentrum im Wandel der Zeit Die Trennung der Ebenen erlaubt die vollständig isolierte Betrachtung des Rechenzentrums als eigenständiges Planungsproblem und öffnet den Pfad zur dringend erforderlichen Effizienzsteigerung. Während man in der Vergangenheit das Rechenzentrum mit einigem Komfort wie ein Kreuzfahrtschiff baute, folgen die neuen IT-Facilities eher dem Modell eines Containerfrachters: Sie sind robust ausgelegt und auf den Einsatzzweck ausgerichtet. Dieses Phänomen zeigt sich übrigens nicht nur im veränderten Dresscode der Mitarbeiter in Rechenzentren, sondern vor allem auch in der geringen Anzahl der dort Beschäftigten. Faktoren für die Standortwahl Die Unabhängigkeit der Infrastrukturebene erlaubt es, sich bei der Wahl des Standortes ausschliesslich an den betriebsnotwendigen Kriterien für die IT-Facility auszurichten. Die Zugänge zu den wichtigen Kommunikationswegen den Glasfasernetzen, über die der Rohstoff Information transportiert wird, und zu den erforderlichen Betriebsstoffen Elektroenergie und Wasser, die man für die Verarbeitung des Rohstoffs Information benötigt, stellen die für die Standortwahl von Rechenzentren dominanten Faktoren dar. Sie werden durch Sicherheitsanforderungen überlagert, die Standorte mit hoher Risikoexposition ebenso rigoros ausschliessen wie Standorte, an denen die Zugänge zu den Kommunikations- und Versorgungsnetzen nicht in zureichender Qualität gegeben sind.

24 24 Standortwahl und Planung Grundsätzlich ist es sinnvoll, Rechenzentren in Infrastrukturnetze einzubetten. Von ihrer Natur her sind Rechenzentren ja schon eigentliche Netzwerkkomponenten. Das Streben nach Autonomie bei der Stromversorgung würde der Gesamtbilanz mit hoher Wahrscheinlichkeit nicht dienen, da ggf. verfügbare regenerative Ressourcen effizienter in einem Minigrid nutzbar sind. Auch ein Rückgriff auf Grundwasserströme zur Deckung des Kühlbedarfs erzeugt eher Konflikte mit anderen Umweltzielen. Als aussichtsreichste Variante für die Minderung des Kühlbedarfs muss man auf die bereits in vielen Rechenzentren übliche Anwendung des Prinzips der «freien Kühlung» zurückgreifen. Effizient nutzbar ist diese nur in Regionen mit niedrigen Jahrestemperaturen. Da Rechenzentren rund um die Uhr in Betrieb stehen, sind sie aufgrund der Temperaturdifferenzen sowohl im Tages- als auch im Jahresverlauf ein idealer Anwendungsfall für diese seit Jahren erprobte Technologie. Das Prinzip «freie Kühlung» schafft Standortvorteile für jene Regionen, welche die dafür erforderlichen klimatischen Voraussetzungen erfüllen. Das durch freie Kühlung gewonnene Kaltwasser ist universell verwendbar: für die traditionelle Umluftkühlung über den Doppelboden, für den Einsatz in geschlossenen Racks (Closely Coupled Cooling) bis zur Nutzung von «Chip Level Evaporation Heat Exchanger»-Technologien, bei denen die von den Chips abgegebene Wärme auf direktem Wege über Wasser abgeführt wird, um sie Dritten zur Verfügung zu stellen. In Zukunft könnte so auch die Nähe von möglichen Abnehmern dieser Abwärme-Energie ein Kriterium für die Standortwahl für ein neues Rechenzentrum sein.

25 Standortwahl und Planung 25 Die autonome IT-Facility des 21. Jahrhunderts Als autonome Einheit konzipiert, muss eine IT-Facility über die gesamte Ver- und Entsorgungskette verfügen, die für den kontinuierlichen Betrieb der IT-Infrastruktur erforderlich ist. Damit vergrössern sich künftig die Flächen der technischen Anlagen im Verhältnis zu den von ihnen versorgten IT-Infrastrukturflächen. Mit dieser Entwicklung erfährt das Bild des Containerschiffes eine Korrektur, denn die autonome IT-Facility des 21. Jahrhunderts ist nicht nur auf das Verhältnis von «Nutzlast» zu «Antriebsaufwand» beschränkt eigentlich doch wohl eher mit einer modernen Fregatte als mit dem ruhig dahinziehenden Containerfrachter vergleichbar! Die veränderte Gewichtung hängt direkt mit der Anpassung der IT an die sich rasch verändernden Realitäten zusammen. Diese fordern, dass IT-Services selbst unter ungünstigsten Bedingungen bereitgestellt werden. Somit rückt die IT immer mehr auf die Ebene jener Infrastrukturen, die für den Wohlstand und die Lebensfähigkeit der Gesellschaft unentbehrlich sind. Risikoreduktion durch bauliche Massnahmen Aus dieser Stellung heraus erwachsen höhere Anforderungen an die Fähigkeiten zur Risikobegrenzung, die unmittelbar auf die bauliche Eigenart der neuen IT-Facilities durchschlagen. Sicherheitsinduzierte Planungsentwürfe profitieren von der hohen Schadensresistenz, die man durch den Einsatz bewährter

26 26 Standortwahl und Planung Baustoffe wie Stahlbeton und Mauerwerk erreicht. Sicherheitsanforderungen sind in erstaunlichem Umfang absolut kompatibel mit Anforderungen an die Nutzung von Baustoffen mit hohem Nachhaltigkeitswert: Zum Beispiel lassen sich PVC-Beläge durch Linoleum oder textile Beläge ersetzen. Anstelle von PVC-haltigen Kabeln kommen halogenfreie zum Einsatz, anstelle leicht entflammbarer und brennbarer Dämmstoffe verwendet man Mineralwolle, und Fassaden werden aus Keramik anstatt mit Aluminium gebaut. Präferenz: Unterirdische Bauwerke Auch die gelegentlich kontrovers diskutierte Vorliebe für die Anordnung der IT-Infrastruktur-Flächen und der zu ihrem kontinuierlichen Betrieb erforderlichen technischen Anlagen in weitgehend unterirdischen Bauwerken ist keineswegs ausschliesslich auf «Bunkermentalität» zurückzuführen. Es sind vor allem pragmatische Erwägungen, die bei der unterirdischen Anordnung eine Rolle spielen. So ist zum Beispiel eine gleichmässige klimatische Umgebung wichtig, während das Vorhandensein von Tageslicht oder natürlicher Belüftung nebensächlich ist. Entscheidend sind jedoch vor allem auch die städtebaulichen Vorzüge, die man damit erzielt. Selbst bauliche Anlagen von beträchtlicher Grösse lassen sich bei weitgehend unterirdischer Bauweise in die oft strukturlose urbane Gestalt gewerblich genutzter Gebiete leicht integrieren und ermöglichen es im Zuge umfangreicherer Entwicklungsmassnahmen, die oberirdischen Flächen Nutzungen zuzuführen, die Tageslicht und natürliche Belüftung eher zu schätzen vermögen als Computer.

27 Stromproduktion, -anschluss, -verteilung 27 Stromproduktion, -anschluss und -verteilung Ausgangssituation DER ELEKTRISCHE ENERGIEBEDARF EINES RECHENZENT RUMS SETZT SICH AUS DEM BEDARF DER IT SOWIE DER ÜB RIGEN VERBRAUCHER ZUSAMMEN. Während in den IT-Servern eine Umwandlung von Wechselstrom (AC) in Gleichstrom (DC) erfolgt, können die übrigen Verbraucher im Allgemeinen nur mit Wechselstrom bzw. Drehstrom sinnvoll betrieben werden. Der Leistungsbedarf eines Rechenzentrums erreicht häufig den Megawattbereich. Die Stromkosten stellen einen erheblichen Anteil der Betriebskosten dar, weshalb die Verlustleistungen minimiert werden müssen. Dafür ist es notwendig, den Verbrauch oder auch die Verluste aller Anlagenteile im Auge zu behalten, da diese gerade im Teillastbereich als häufigstem Betriebsfall oftmals nicht bekannt sind. Für die IT-Verbraucher ist eine unterbrechungsfreie Stromversorgung (USV) erforderlich, während für viele sonstige Verbraucher Kurzzeitunterbrechungen möglich sind.

28 28 Stromproduktion, -anschluss, -verteilung Heutiger Stand Gewöhnlich besteht ein Anschluss an das Mittelspannungsnetz eines Energieversorgers. Die Transformatoren speisen die Niederspannungsanlagen und das AC-Verteilnetz versorgt die Verbraucher. Die Umwandlung in DC erfolgt erst in den Netzteilen der Server. Diesel Lieferung MS AC Anschluss NS AC Verteilnetz AC Sonstiges IT DC Stat. USV Abb. 1a DC Lieferung MS AC Anschluss NS AC Verteilnetz AC Sonstiges IT DC Dyn. USV Abb. 1b DC Quelle: Suiselectra Ingenieurunternehmung AG Die Abbildungen 1a bzw. 1b zeigen den derzeit üblichen Stand der Energieversorgung von Rechenzentren. Die unterbrechungsfreie Stromversorgung (USV) lässt sich über statische (Abb. 1a) oder dynamische Anlagen (Abb. 1b) realisieren. Das AC-Netz versorgt die statischen Anlagen, welche wieder in dieses zurückspeisen, d.h., es ist eine zweimalige Energieumwandlung erforderlich. Zur Langzeitversorgung ist im Allgemeinen ein zusätzliches Dieselaggregat notwendig. Bei dynamischen USV-Anlagen läuft eine elektrodynamische Maschine (Motor/Generator) netzparallel mit. Ein kinetisches Modul überbrückt Kurzzeitunterbrechungen so lange, bis das integrierte Dieselaggregat startet.

29 Stromproduktion, -anschluss, -verteilung 29 Erster Ansatz Die derzeitige Systemarchitektur könnte man wie folgt verändern: Die Versorgung der IT-Verbraucher erfolgt direkt vom DC- Ausgang der statischen USV-Anlage. Hierfür wären ein eigenes DC-Verteilnetz und Server mit DC-Eingängen erforderlich. Die DC-Architektur könnte man modular errichten und anpassen. Die zweimalige Umwandlung DC/AC und AC/DC würde damit entfallen. Vorraussetzung sind Räume für die Batterieanlagen in unmittelbarer Nähe der IT-Räume, um die höheren Leitungsverluste im DC-Netz gering zu halten. Im AC-Bereich wäre die Versorgung im gleichen Umfang wie bisher zu errichten, lediglich das AC-Verteilnetz würde sich wesentlich reduzieren (Abb. 2). Diesel Lieferung MS AC Anschluss NS AC Verteilnetz Sonstiges Abb. 2 Stat. USV DC Verteilnetz IT DC DC Quelle: Suiselectra Ingenieurunternehmung AG Traditionelle Versorgung mit reduziertem AC-Verteilnetz Zweiter Ansatz Konsequent weitergedacht, würde dies zu einer völligen Trennung der AC- und DC-Versorgung wie in Abbildung 3 dargestellt führen.

30 30 Stromproduktion, -anschluss, -verteilung Diesel Lieferung Anschluss Verteilnetz Sonstiges Lieferung DC Stat. USV DC Verteilnetz DC IT DC Abb. 3 Quelle: Suiselectra Ingenieurunternehmung AG Vollständige Trennung der AC-/DC-Versorgung Die DC-Versorgung könnte durch alternative Energieträger wie z.b. Brennstoffzellen erfolgen. Auch hier wäre die Systemarchitektur inklusive der DC-Erzeugung modular erricht- und anpassbar. Sämtliche AC/DC-Umwandlungen würden entfallen. Im AC-Bereich würden sich die Versorgungsanlagen wesentlich reduzieren. In Abhängigkeit vom Leistungsbedarf und Aufbau der sonstigen Verbraucher wäre bei entsprechenden Eigenerzeugungsanlagen sogar eine völlige Unabhängigkeit vom öffentlichen Netz denkbar. Ausblick Ein Kosten- und Machbarkeitsvergleich einer DC-Lösung gegenüber der herkömmlichen AC-Systemarchitektur kann nur am konkreten Objekt mit konkreten Kennzahlen erfolgen. Eine konsequente DC-Lösung erscheint für die Zukunft denkbar, wenn sich erstens die Kosten der DC-Anlagenteile durch grössere Verbreitung denen der AC annähern und zweitens die DC-Erzeugung so weit ausgereift und erprobt ist, dass die gleiche Ausfallsicherheit gewährleistet ist. Bei der Reduzierung der Verlustleistungen insbesondere im Teillastbetrieb scheint die Grenze sowohl im statischen wie

31 Stromproduktion, -anschluss, -verteilung 31 «Die Herausforderung an die Stromversorgung eines Rechenzentrums liegt in der Minimierung der Verlustleistung all ihrer Komponenten.» Matthias Doss, Suiselectra Ingenieurunternehmung AG, Basel auch im dynamischen USV-Konzept noch nicht erreicht. Deren Verbesserung kommt eine entscheidende Rolle zu. Künftig wird sich jene Technologie am Markt durchsetzen, welche eine solche Verbesserung zu realisieren vermag. Ebenso ist dem Verteilnetz mehr Aufmerksamkeit zu widmen. Die Leitungslängen lassen sich oftmals bereits durch verbesserte Gebäudestrukturen reduzieren. Höhere Investitionskosten für grössere Leitungsquerschnitte sind geringeren Betriebskosten gegenüberzustellen, um optimale Gesamtkosten (TCO = Total Cost of Ownership) zu erzielen. Höchstverfügbar und trotzdem grün? Die Verfügbarkeit lässt sich durch Redundanzen in der Systemauslegung erhöhen. Die wichtigsten Qualitätsparameter in der Stromversorgung sind Stromausfall, Spannungseinbruch, Über- und Unterspannung, Spannungsstoss, Störspannung, Schaltspitze, Frequenzabweichung, harmonische Oberschwingung, kapazitive und früher auch induktive Last, Neutralleiterbelastung sowie elektromagnetische Belastung. Wie lassen sich all diese Parameter mit der Forderung nach Nachhaltigkeit in Einklang bringen? Obwohl es keine Patentlösung gibt, sollten folgende drei Ansatzpunkte Beachtung finden: Kinetische Energiespeicher Der Einsatz von USV-Anlagen (unterbrechungsfreie Stromversorgung) ist ohne Zweifel fester Bestandteil einer Systemauslegung. Doch weshalb verwendet man immer noch die alte klassische Batterie? Sie nimmt Platz weg und schmälert den

32 32 Stromproduktion, -anschluss, -verteilung Wirkungsgrad. Ausserdem muss sie alle 5 bis 8 Jahre ausgetauscht werden. Ab 750 kva empfiehlt es sich, den Einsatz einer dynamischen USV-Anlage zu erwägen. Platzbedarf und Verlustleistung zählen hier als Argumente. Zumindest sollte man den Einsatz von kinetischen Energiespeichern als Alternative zur Batterie eingehend prüfen. Statische Schalter Im Millisekundenbereich kann man mithilfe von statischen Schaltern auch asynchrone Netze schalten. Völlig neue Schaltbilder lassen damit hohe Redundanzanforderungen Wirklichkeit werden. Leistungsauslegung «Auf die Verknüpfung der Lösungen und deren Möglichkeiten kommt es an!» Jörg Schanze, IBM Schweiz Es erfordert hohes planerisches Können, um eine Lösung zu entwickeln, bei der die Leistung des Systems mit den Leistungsanforderungen im Gleichgewicht steht. Denn die tatsächliche Leistung muss auch eine notwendige Leistungsreserve für mögliche Ausfälle zur Verfügung stellen können. Dies lässt sich mit Modulsätzen und mit Umschaltvarianten verwirklichen. Wo man früher die gesamte Kapazität des Systems verdoppelt hat (100 Prozent für Normallast, 100 Prozent für Redundanz), ist man so mit 3 Modulen mit je 50 Prozent der Leistung flexibler und grundsätzlich genauso sicher wie bisher.

33 Klimatisierung 33 Kälte-Wärme-Management Aufbau Energiekreislauf FÜR DIE KLIMATISIERUNG DER IT-BEREICHE IST ES STAND DER TECHNIK, DIE ERFORDERLICHE KÄLTELEISTUNG MIT ELEKTROMOTORISCHER KOMPRESSIONSTECHNIK ZU ER ZEUGEN. DIE ABWÄRME WIRD AN DIE AUSSENLUFT ABGE GEBEN. Dabei werden aus 1 kw elektrischem Strom ca. 3 kw Kälte erzeugt. Insbesondere bei den kleinen und mittleren Liegenschaften ist dies gängige Praxis. Eine Halbierung des Energie-Einsatzes (d.h. 1 kw elektrischer Strom erzeugt 6 kw Kälte) ist durch konsequenten Einsatz der am Markt in ausreichender Anzahl verfügbaren Technologien möglich. Diese sind: Einsatz von freier Kühlung Diese Technologie nutzt die klimatischen Rahmenbedingungen. Kälte wird nur während etwa zwei Dritteln des Jahres mit elektrischer Kompression erzeugt. Während etwa eines Drittels des Jahres, in den kalten Wintermonaten, erreicht man die Kälte hingegen indirekt mit «kalter Aussenluft». In den nachfolgenden Prinzipschaubildern ist die Sommer-/Winter-Situation dargestellt.

34 34 Klimatisierung Einsatz modernster Kompressionstechnik Standardmässig setzt man Kolben-Kompressionstechnik für die Kälteerzeugung ein. Durch den Einsatz von Turbo-Verdichtungsprozessen, auch für kleine Leistungsbereiche, lassen sich die Leistungsziffern (Wirkungsgrad) nahezu verdoppeln. Kälteanlage mit elektromotorischem Kompressor Kompressor Verdampfer Kondensator 45/40 C Sommerbetrieb: Rückkühlwerk Winterbetrieb: Freie Kühlung Expansionsventil EDV-Raum Umluftkühlgerät direkt gekühlte Racks Klimakaltwasser 10/15 C Quelle: Henne & Walter, Ingenieurbüro für technische Gebäudesysteme Prinzipschema der EDV-Klimatechnik mit freier Kühlung für den Sommerbetrieb Kälteanlage mit elektromotorischem Kompressor Kompressor Verdampfer Kondensator Sommerbetrieb: Rückkühlwerk Winterbetrieb: Freie Kühlung Expansionsventil Umluftkühlgerät EDV-Raum direkt gekühlte Racks Klimakaltwasser 10/15 C Klimakaltwasser 10/15 C Quelle: Henne & Walter, Ingenieurbüro für technische Gebäudesysteme Prinzipschema der EDV-Klimatechnik mit freier Kühlung für den Winterbetrieb

35 Klimatisierung 35 Mit dem ersten Schritt, dem Einsatz von modernsten verfügbaren Kältetechnologien, lässt sich gegenüber dem heutigen Standardeinsatz der Energiebedarf für die Kälteerzeugung beinah halbieren. Diese Technologien sind deshalb als Stand der Technik zu definieren. Eine darüber hinausgehende Effizienzsteigerung ist durch die Einbindung von erneuerbaren Energien (Sonne, Wind, Erdreich) möglich. Weil Rechenzentren jederzeit (24 Stunden / 365 Tage pro Jahr) verfügbar sein sollen, kommen die sporadisch zur Verfügung stehenden erneuerbaren Energien als alleinige Energieversorgung nicht infrage. Sie können lediglich eine unterstützende Funktion übernehmen. Ein weiterer technologischer und ökologischer Ansatz ist die Nutzung der «Abfallwärme» eines Kältekreislaufes. Die schon beschriebene Kompressionstechnik basiert darauf, dass mit möglichst kleinem elektrischen Energie-Einsatz Kälte erzeugt und die im Kreisprozess anfallende Abwärme an die Luft oder an das Wasser abgegeben wird. Diese Abwärme kann man jetzt z.b. über Erdsonden in das Erdreich einspeichern und dann direkt oder indirekt für die Niedertemperatur-Beheizung von Gebäuden nutzen. Ein derartiger Ansatz setzt jedoch eine ganzheitliche Planung für grosse Liegenschaften voraus. Das heisst, es muss im Verhältnis zu der Grösse der IT-Anlagen ein äquivalenter Wärmebedarf von Büro-/Wohnflächen gegeben sein. Zudem müssen die Beheizungssysteme dieser Flächen für Niedertemperatur ausgelegt werden. Ein derartiges System wird deshalb keine Standardlösung sein können, sondern auf Einzelfälle beschränkt bleiben.

36 36 Klimatisierung Zusammenfassung / Ausblick Der eingangs beschriebene «erste Schritt» der Einsatz schon heute verfügbarer Technologien ist der wichtigste. Damit lässt sich mit relativ geringem wirtschaftlichem Aufwand die höchstmögliche Effizienzsteigerung erreichen. Der Fokus muss deshalb auf den optimalen Einsatz der energiesparenden Technologien gerichtet bleiben, die sich in einem fortwährenden Optimierungsprozess befinden. Als Ergänzung dazu kann man dann Systeme mit erneuerbaren Energien kombinieren.

37 Racksystem-Lösungen 37 Energieoptimierte Racksystem-Lösungen AUCH WENN MAN LÄNGERFRISTIG AUF DIE FLÜSSIGKÜH LUNG SETZT, UM DER HITZEENTWICKLUNG IN RECHEN ZENTREN ZU BEGEGNEN, SO BIETEN SICH HEUTE AUCH EN ERGIESPARENDE LÖSUNGEN IM KLIMABEREICH AN. In der Schweiz sind Lösungen mit Luftkühlung in hohen Leistungsbereichen von über 20 kw pro Rack zwar noch nicht weiter aktiv, doch will man sie in naher Zukunft auch bei uns vermehrt einführen. «Die Kosten für Stromversorgung und Kühlung werden auf mehr als ein Drittel des IT-Budgets ansteigen.» Robert Frances Group, Januar 2006 Die sogenannte Integrated Rack Solution (IRS) von IBM ermöglicht, die Vermischung von warmer und kalter Luft weitgehend zu vermeiden. Gleichzeitig sind die Stromverkabelung sowie die Netzwerkverkabelung bereits bei der Entwicklung in die Rack-Units integriert. Die Kabelstränge, die unter dem Doppelboden verlaufen, konnte man damit stark reduzieren. Neben dem Kostenvorteil erreicht man als positiven Nebeneffekt auch eine Einschränkung der Luftverwirbelungen im Doppelbodenbereich. Weitere Vorteile liegen in einer besseren Platzausnutzung, kürzeren Installationszeiten sowie einem einfacheren Management von Server-Farm-Projekten. Es handelt sich somit um eine sofort einsetzbare Lösung.

38 38 Racksystem-Lösungen Cold Aisle und Hot Aisle «Der Energieverbrauch von Rechenzentren verdoppelt sich alle 18 Monate.» Robert Frances Group, Februar 2007 Während bei der traditionellen Kühlung die kalte Luft durch die perforierten Fliesen an den Server gelangt, wird sie bei der IRS-High-Density-Variante den Servern direkt unter Druck zugeführt. Die Luft befindet sich nur im sogenannten Cold Aisle und vermischt sich somit nicht mit der warmen Luft ganz im Gegensatz zur traditionellen Kühlung, bei der sich die wärmere Luft ungehindert im Rechenzentrum ausbreiten kann. Ausserdem sind die Wege zwischen dem Hot Aisle und der Klimaanlage relativ kurz, sodass die Heissluft nur einen kurzen Weg bis zur Klimaanlage zurücklegen muss. Mit IRS High-Density erreicht man eine erhöhte Kühleffizienz der Racks wie auch des gesamten Rechenzentrums: Die Auslastung der Kühleinheiten erhöht sich um 50 Prozent auf 180 kw. Bei der traditionellen Variante liegt bei einer Auslastung von 50 Prozent der Energieverbrauch (und damit die CO2-Emmissionen) für die gleiche Kühlleistung bis zu 4-mal höher.

39 Monitoring, Optimieren, Verrechnen 39 Monitoring, Optimieren und Verrechnen DER ENERGIEFLUSS VON DER STROMEINSPEISUNG ÜBER DIE TECHNISCHE INFRASTRUKTUR BIS HIN ZU DEN RECHENEIN HEITEN IST VIELFÄLTIG UND KOMPLEX. TROTZDEM LÄSST SICH DER ENERGIEVERBRAUCH OPTIMIEREN. Dazu muss man die Wärmezirkulation, den Wirkungsgrad der Kühlung, den Verbrauch der einzelnen Systeme und deren Regelmechanismen transparent darstellen, interpretieren und beeinflussen können. Zusätzlich sind die Rahmenbedingungen wie Temperaturen in den Rackeinheiten und ökologische Vorgaben zu berücksichtigen. Ein durchgängig strukturiertes Messkonzept bildet die Grundlage für den Einsatz von IT-Lösungen. Alle kritischen Messgrössen müssen als zeitlicher Verlauf in einem zentralen Datenpool verfügbar sein. Aussagekräftige Kennzahlen lassen sich erstellen, sofern man auch Bezugsgrössen wie beispielsweise installierte Rechenleistung pro Quadratmeter mit aufzeichnet.

40 40 Monitoring, Optimieren, Verrechnen Optimaler Gesamtwirkungsgrad der Systeme Zur Optimierung des Energieverbrauchs sind direkte bidirektionale Datenschnittstellen zu den wichtigsten Regelwerken notwendig wie beispielsweise die Steuerungen von Kühl-/Kälteanlagen, Lüftungsanlagen und Abwärmenutzungen. Änderungen von Regelparametern (Sollwerten) müssen manuell, automatisch aufgrund von aufgezeichneten Werten und zeitgesteuert erfolgen können. Die Kunst besteht darin, einen optimalen Gesamtwirkungsgrad verschiedener sich beeinflussender Systeme zu erreichen. r Quelle: OPIT AG Beispiel der Systemarchitektur mit MESA und Maximo aus dem Facility-Management der Migros Ostschweiz

41 Monitoring, Optimieren, Verrechnen 41 In Zukunft wird die verbrauchs- und anteilsabhängige Abrechnung für einzelne Rack- oder Recheneinheiten an Bedeutung gewinnen. Dazu müssen die belegte Fläche und der Energieverbrauch der Endgeräte für jedes Abrechnungsintervall bekannt sein. Über berechnete Verteilschlüssel lassen sich dann Energiekosten auf die einzelnen Einheiten bzw. Kunden umlegen. «Das Schild Licht aus im Keller genügt bei Weitem nicht mehr. Energiemanagement heisst heute: die Verbraucher kennen, analysieren und deren Verbrauch laufend optimieren.» Patrick Mosberger, Leiter Informatik, Genossenschaft Migros Ostschweiz Auf dem Markt stehen viele Software-Applikationen für die Energiebewirtschaftung zur Verfügung. Heterogene Systemarchitekturen führen zu aufwendigen Datenstrukturen und komplexen Schnittstellen. Ziel sollte sein, einen durchgängigen Datenfluss von den Messwerten bis hin zur Finanzbuchhaltung zu erreichen. Ähnliche Aufgabenstellungen hat man im Bereich des Facility- Managements beispielsweise bei grossen Einkaufszentren sowie bei Flughafenarealen bereits gelöst. Diese Erfahrungen lassen sich auch bei der Optimierung des Energieverbrauchs von Rechenzentren anwenden.

42 42 Betriebskonzept Rechenzentrums-Betriebskonzept NUR DURCH KONSEQUENTES ÜBERWACHEN, VERBESSERN VON PROZESSABLÄUFEN UND MESSEN VON KLAR DEFI NIERTEN RECHENZENTREN-LEISTUNGSWERTEN LASSEN SICH DER STROMVERBRAUCH UND DIE MIT IHM VERBUN DENEN KOSTEN UNTER KONTROLLE HALTEN. IBM Strategic Outsourcing Delivery setzt dabei im Bereich Rechenzentrum- Infrastruktur-Management auf das von IBM entwickelte «Enterprise Operation Prozess (EOP)»-Modell. Das EOP-Modell ist mit den «IT-Infrastructure Library (ITIL)»-Prozessen vergleichbar. Ein darin enthaltener wichtiger Prozess ist das Capacity-Management. Prozess «Capacity-Management» Nebst Ressourcen wie beispielsweise Hardware und IT-Fachpersonen ist das Rechenzentrum ein wichtiger Bereich, der zu verwalten ist. Das Capacity-Management wird daher zum integrierenden Bestandteil der «IT Service Delivery»-Prozesskette. Eine Zusammenarbeit mit den IT-Service-Dienstleistungserbringern (System-Service-Providern, z.b. UNIX, WINTEL, zseries usw.) wie auch mit den IT-Leistungsbeziehern mit all ihren Anforderungen ist daher notwendig.

43 Betriebskonzept 43 Definierte Überwachungspunkte im Prozessablauf sind Kälteverbrauchsentwicklung, Stromverbrauch sowie die HW-Flächenbelegung. Rechenzentrum-Strategie, Hardware-Installationsplanung und Life-Cycle-Management sind hier weiter eng miteinander verbunden und garantieren am Ende eine optimale Rechenzentrum-Flächenbewirtschaftung. Im Prozess eingeschlossen sind auch die oft nicht im IT- Departement anzutreffenden Facility-Management-Fachleute. Eine neue Hardware-Installation ist erst abgeschlossen, wenn auch der Elektriker sowie der Kältetechniker seine Freigabe für den Betrieb erteilt hat. Dass hier eine Maschine warme Luft in die Ansaugrichtung einer weiteren bläst, wird im Vorfeld einer Server-Inbetriebnahme vermieden. IT-Hardware-Techniker und Elektroinstallateure stellen zudem sicher, dass die Stromphasenauslastung optimal ausgeglichen ist. Fehler in diesem Bereich können zu unerwarteten Mehrkosten im Betrieb oder in extremen Fällen gar zu einem nicht vorhersehbaren Ausfall von Rechenzentren führen. Bedarfsplanung Nebst allen infrastrukturellen Optimierungsmassnahmen werden heute Rechenzentrumsflächen sehr effizient bewirtschaftet. Dies fängt bei der Planung der zur Verfügung stehenden RZ-Leistung (Watt pro Quadratmeter) an und reicht bis zur stetigen Kontrolle der Strom-Kipplast-Situation mittels Echtzeit- Überwachung.

44 44 Betriebskonzept Kalt-/Warmgänge zwischen den installierten Hardware-Racks (siehe Abbildung) sowie das Vermeiden von unnötigen oder ungenutzten Kabeln im Doppelboden (Strom, Netzwerk) tragen weiter zur Minimierung des Stromverbrauchs bei. Bei Aus- oder Neubauten von Rechenzentren schliesst man anzustrebende Stromeffizienz-Werte als Richtgrössen in den Planungsprozess mit ein. Wunsch und Ziel liegen heute aufgrund der politischen, finanziellen und technischen Rahmenbedingungen aber leider noch allzu oft weit auseinander. Kalt- und Warmgänge zwischen Hardware-Racks minimieren den Stromverbrauch.

45 Betriebskonzept 45 Server-Konsolidierung und -Optimierung Ein konkretes «IBM Hardware»-Beispiel aus der Praxis im Zeitraum von 2002 bis 2007 zeigt folgende Entwicklung: Anzahl IBM zseries CPUs Leistung in MIPS Verbrauch in Watt per MIPS RZ-Fläche in cm 2 per MIPS Schritt 1: Schritt 2: Schritt 3: Totalverbrauch in kw Zusammenfassung Um einen aktiven Beitrag zum grünen Rechenzentrum leisten zu können, ist ein konsequenter Aufbau einer gemeinsam genutzten Rechnerlandschaft notwendig. Dabei helfen implementierte Betriebsstandards und -prozesse, um auch auf die neusten Technologien setzen zu können. Im aktuellen Beispiel konnte man so die Energiekosten um 40 Prozent und die Stellfläche um 50 Prozent verringern.