Energieverbrauch von Rechenzentren Trends, Effizienzpotenziale, Handlungsbedarfe

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1 Energieverbrauch von Rechenzentren Trends, Effizienzpotenziale, Handlungsbedarfe PD Dr. Klaus Fichter Borderstep Institut für Innovation und Nachhaltigkeit, Berlin Carl von Ossietzky Universität Oldenburg Arbeitskreis Richtlinienkonformes Design für WEEE / RoHS / EuP 14. AK-Treffen, , Berlin 01

2 Inhalt Basistrends und Basisdaten Basistrends: Steigende Computerleistung und steigender Energieverbrauch der IKT Basisdaten: Anzahl und Arten von Rechenzentren Was ist das Problem? Zentrale Treiber für das Thema Energieeffizienz von Rechenzentren Energieverbrauch von Rechenzentren: Trends und Szenarien Wie lässt sich die Energieeffizienz von Rechenzentren bestimmen? Erfassungsebenen Indikatoren Was passiert schon und was ist in Zukunft zu tun? Initiativen Handlungsbedarf 02

3 Basistrend 1: Rasante Zunahme der Computerleistung (Faktor 100 in 10 Jahren) und Leistung pro Watt (Faktor 20) 03

4 Basistrend 2: Steigender Energieverbrauch der IKT Insbesondere der IKT-Infrastruktur Stromverbrauch IKT (Endgeräte und Infrastruktur) in Deutschland (Cremer et al. 2003) 2001: 38 TWh (8% des Stromverbrauchs) 2010: 55 TWh (11% des Stromverbrauchs) Zunahme insb. bei IKT-Infrastruktur (UMTS-Netze, Server, Router etc.) Größter Stromverbraucher sind Rechenzentren 80% aller Server stehen in Rechenzentren CO 2 -Emissionen 2004 in Deutschland IKT: 28 Mio. t CO 2 (durch Stromverbrauch) Luftverkehr: 22 Mio. t CO 2 04 Quelle: Cremer et al. 2003, 27

5 Basistrend 3: Energiekosten werden immer wichtiger Weltweite jährliche Ausgaben für Server und Energie in RZ Spending (US$B) $120 $100 $80 $60 $40 New Server Spending Power and Cooling Installed Base (M Units) $ $ IDC Presentation, The Impact of Power and Cooling on Data Center Infrastructure, Doc #201722, May

6 Basisdaten Anzahl Rechenzentren Anzahl Rechenzentren 2007 Anzahl installierter Server 2007 Durchschnittliche Anzahl von Servern pro Rechenzentrum Deutschland ( [1] ) 32 EU ( [2] ) 23 Weltweit ( [3] ) 11 [1] Die Anzahl in Deutschland installierter Server wurde auf Basis von EITO (2007, 232) errechnet. Dabei wurde die Anzahl verkaufter Server ( shipments ) mit 4 multipliziert, was dem gängigen Verhältnis der Anzahl von shipments zur Anzahl installierter Server entspricht (vgl. Koomey 2007, 21). [2] Die Anzahl in der EU installierter Server wurde auf Basis von EITO (2007, 230) errechnet. Dabei wurde die Anzahl verkaufter Server ( shipments ) mit 4 multipliziert, was dem gängigen Verhältnis der Anzahl von shipments zur Anzahl installierter Server entspricht (vgl. Koomey 2007, 21). [3] Vgl. IDC

7 Basisdaten Verteilung von Servern nach Raumtypen in den USA % of servers installed in: Server class Server closets Server rooms Localized Data centers Mid-tier Enterprise -class Total Volume 17% 20% 17% 15% 30% 100% Mid-range 0% 5% 16% 14% 65% 100% High-end 0% 0% 16% 14% 71% 100% Quelle: U.S. EPA 2007, 35 auf Basis von Bailey et al und IDC

8 Relevanz der Energieeffizienz von Rechenzentren: Treiber 1: Steigende Energiedichte Server/Racks Source: IDC, The Impact of Power and Cooling on Data Center Infrastructure 08

9 Relevanz der Energieeffizienz von Rechenzentren: Treiber 1: Steigende Energiedichte in Rechenzentren 09

10 Cent Relevanz der Energieeffizienz von Rechenzentren: Treiber 2: Steigende Energiepreise Stromkosten für Industriekunden in Europa cents / KWh 9 8,5 8 7,5 7 6, Year Quelle: eurostat.ec.europa.eu 010

11 Weltweiter Stromverbrauch in Mrd. kwh/ Jahr Anzahl installierter Server weltweit in Mio. Trends: Energieverbrauch von Rechenzentren weltweit In 2005: ca. 1% des weltweiten Stromverbrauchs + 76 % Szenario "Business-as-usual" % Quelle: Koomey 2007, IDC

12 Trends: Stromverbrauch von Rechenzentren in den USA In 2006: ca. 1,5% des gesamten Stromverbrauchs Quelle: Report to Congress on Server and Data Center Energy Efficiency Public Law , U.S. Environmental Protection Agency, ENERGY 012 STAR Program, 2 August 2007, 26

13 TWh/Jahr Trends: Stromverbrauch von Rechenzentren in Deutschland In 2006: ca. 1,5% des gesamten Stromverbrauchs ,67 TWh entsprechen der Jahrestromproduktion von 3 Kohlekraftwerken (je 600 MW el ) 10 8,67 TWh 8 der 1,5-fachen Jahrestromproduktion des AKW Brunsbüttel 6 4 3,98 TWh 2 dem Jahrestromverbrauch von 2,5 Mio. deutschen Haushalten Quelle: Fichter/Borderstep

14 TWh/Jahr Szenarien Energieverbrauch von Rechenzentren in Deutschland ,88 TWh Szenario Aktuelle Effizienz-Trends 10 8,67 TWh ,98 TWh 6,16 TWh 4,48 TWh Szenario Best- Practice Szenario State-of-theart Quelle: Fichter/Borderstep

15 Stromkosten in Mio. Trends: Stromkosten von Rechenzentren in Deutschland In 2006: 867 Mio Mio Mio Quelle: Fichter/Borderstep

16 Stromkosten in Mio. Zukunftsmarkt energieeffiziente Rechenzentren: Betreibersicht Energiekosten von Rechenzentren in Deutschland Mio. Szenario Aktuelle Effizienz-Trends Mio. 801 Mio. Szenario Best- Practice Mio. Szenario State-of-theart Mio Quelle: Fichter/Borderstep

17 Energieeffizienz von Rechenzentren: Betrachtungsebene Komponenten Servereffizienz, z.b. SPEC Power and Performance -Standard Standard Performance Evaluation Corporation (SPEC): SPEC: Non-profit-Organisation von Computerhändlern, Systemintegratoren, Wissenschaft usw. SPEC Power and Performance ist ein Messtandard zur Bestimmung und Vergleich der Energieeffizienz von Servern, die mit Java Server-Anwendungen laufen Stromversorgung (EU Code of Conduct UPS) Kühlung (American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers ASHRAE TC 9.9) 017

18 Energieeffizienz von Rechenzentren: Betrachtungsebene IT- Landschaft IT- Landschaft Erhöhung der Serverauslastung durch Konsolidierung (Virtualisierung etc.) Hardware-Software-Effizienz 018

19 Energieeffizienz von Rechenzentren: Betrachtungsebene Rechenzentrum Energieeffizienz der zentralen Infrastruktur (Aebischer 1996, Aebischer et al. 2003) Green Grid: Power Usage Effectiveness (PUE) PUE = Verhältnis von Gesamtenergielast des Rechenzentrums zu IT-Nutzlast PUE-Wert liegt oft bei ca. 3, der Idealwert = 1,0, d.h. 100% der Energie werden von der IT genutzt EU Code of Conduct on Data Centres (Draft version, April 2008): Data centre infrastructure efficiency (Kehrwert von PUE in Prozent) Data Center Performance Efficiency = Useful work / Total Facility Power 019

20 Energieeffizienz von Rechenzentren: Betrachtungsebene Endfunktionen Energieverbrauch durch Internet- bzw. Servernutzung pro z.b. Google-Anfrage: 4 Wh pro Suchanfrage`* (= 2,5 g CO 2 **) ebay-auktion: 30 Wh pro Auktion * (1 Woche) (= 18 g CO 2 **) Second Life-Avatar: 195 kwh pro Jahr * (= 120 kg CO 2 **) Büroangestelltem*** bei Thin client & server based computing: 162 kwh pro Jahr **** (= 99 kg CO 2 **) * Quelle: Kersten, R. (2007): Zur CO2-Bilanz des Internets, vgl. ** Bei deutschem Strommix; ***Typ Medium User, Data entry worker, 220 Arbeitstage pro Jahr, 35 Nutzer pro Server; **** Eigene Berechnungen auf Basis von Fraunhofer UMSICHT (2008): Ökologischer Vergleich von PC und Thin client Arbeitsplätzen 2008, Oberhausen. Energieverbrauch für Thin client und anteiliger Servernutzung. 020

21 Energieeffizienz von Rechenzentren Initiativen Brancheninitiativen Green Grid ( Climate Savers Computing Initiative Initiative 80 Plus ( BITKOM Leitfaden energieeffiziente RZ Uptime Institute: DC-Tracking SPEC Power and Performance ASHRAE TÜV/Dekra: Energiezertifizierung von RZ Etc. Forschungsinitiativen Politische Initiativen EU Code of Conduct on Data Centres ( ) EPA Study on Datacenter Energy Efficiency (2007) EPA: Data Collection Initiative to Develop an ENERGY STAR Rating for Data Centers (2008) IEA: Energy efficient Set-top boxes & digital networks Etc. E-Server (Intelligent Energy Europe) LBNL: DC Benchmarking Das grüne Rechenzentrum (ETH, IBM, ZKB) Unternehmensinitiativen (Bsp.) Big Green and Green IT Power (IBM) NODE-Nachwuchsforscherpreis (Schnabel) Strato AG: Energieeffizienz, 100% Öko-Strom Etc. Borderstep: Best Practice energieeffiziente Rechenzentren Etc. 021

22 Handlungsbedarf Ansatzpunkt Energie-Zertifizierungen von Rechenzentren TÜV und IBM sowie DEKRA und IBM unterzeichnen Vereinbarung zur Energie-Zertifizierung von Rechenzentren (CeBIT März 2008) eco Verband der deutschen Internetwirtschaft e.v. plant Aufnahme von Energieeffizienz-Kriterien in eco Datacenter Star Audit (Mitteilung März 2008) TÜV Saarland Gruppe tekit Consult Bonn GmbH zertifiziert seit April

23 Handlungsbedarf Ansatzpunkt Energie-Zertifizierungen von Rechenzentren 023

24 Handlungsbedarf Ansatzpunkt Best Practice-Informationen Internationale Best Practice-Broschüre Energieeffiziente Rechenzentren Auftraggeber Bundesumweltministerium (Deutschland) Erstellung durch Borderstep Institut In Kooperation mit dem Branchenverband BITKOM e.v Wird ab November 2008 in englischer und deutscher Sprache vorliegen Dokumentation von Best Practice-Beispielen (Europa, USA, ev. Asien) Story Die Organisation Auslöser und Gründe für Verbesserungsmaßnahmen Prozess und maßgebliche Akteure Welche konkreten Maßnahmen wurden ergriffen? Welche Ergebnisse wurden erzeitl? (Daten) Fazit: Lessons learnt Wie geht es in Zukunft weiter?. Fakten Betreiber und Ort des Rechenzentrums Fläche in qm Serveranzahl Funktion des Rechenzentrums: Durchschnittliche Serverauslastung in 2007 Energieeffizienz in 2007: PUE-Wert Kennzahl zu Vorher-nachher-Vergleich www-adresse 024

25 Fazit und Handlungsbedarf Fazit Rebound-Effekte Low hanging fruits Steigerung Energieeffizienz von Rechenzentren: Kein Innovations-, sondern ein Diffusionsproblem! Ausgewählte Handlungsbedarfe Verbesserung der Information von RZ-Betreibern: z.b. Best Practice, Cebit 2009 Energiezertifizierung von Rechenzentren, verpflichtend ab einer bestimmten Größe Leuchtturmprojekte: z.b. Faktor 100 oder Das grüne Rechenzentrum (ETH, IBM; ZKB) Branchenroadmaps für energieeffiziente Systemlösungen z.b. Thin client & server based computing Verbesserung der Datenbasis: (inter-)nationales Energieeffizienzmonitoring von Rechenzentren Literatur: Fichter, K. (2007): Zukunftsmarkt energieeffiziente Rechenzentren, Berlin Kostenlos verfügbar unter 025

26 Praxisbeispiel: SUN Microsystems, Santa Clara, Kalifornien 026

27 Trends: Anteil Stromverbrauch nach Serverklassen in 2006 Volume-Server für 80% des Stromverbrauchs verantwortlich 100% 9,1 % 80% 12,2 % 10,2 % 4,7 % High-end > $ Mid-Range $ EU 15 plus Schweiz 60% Volume $ 40% 40,0 % Volume $ Volume $ 20% 23,8 % Volume <3.000 $ 0% Quelle: The efficient Servers Consortium: Energy efficient servers in Europe, Part I, Draft-Version, October 2007, p. 13 f

28 Energieeffizienz von Rechenzentren: Messreihe LBNL: Rechenzentren in den USA Quelle: EPA 2007, 21 basierend auf Greenberg et al. 2006, LBNL