Energieverbrauch und Energieeffizienz von Rechenzentren Entwicklungen und Messkonzepte

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1 Energieverbrauch und Energieeffizienz von Rechenzentren Entwicklungen und Messkonzepte Dr. Bernard Aebischer, CEPE, ETH Zürich Fachdialog Zukunftsmarkt grüne Rechenzentren, BMU, Berlin, Inhalt Energieverbrauch RZ: heute und Entwicklung Wozu wird die Energie im RZ genutzt Energieeffizienz RZ: Definition, Mass ( metrics ) Indikator, Anwendungen Literaturhinweise 2 2

2 Inhalt Energieverbrauch RZ Wozu wird die Energie im RZ genutzt Energieeffizienz RZ Literaturhinweise 3 3 Energieverbrauch Rechenzentren (ohne Infrast.) Anteil Landesverbrauch: 0.1% - 1% 1.3%: Grossrechner, 1988, Schweiz (Spreng/Aebischer, 1990) 0.7%: Grossrechner/Server, 1999, Schweiz (Aebischer et al., 2002) 0.3%: Grossrechner, Server, 2000, USA (Roth et al., 2002) 0.8%: Server, 2001, Deutschland (Cremer et al., 2003) 0.6%: Server, 2005, USA (Koomey, 2007 Energieverbrauch regional/lokal: 1% -10% z.b. Kanton Genf (Aebischer et al., 2003) 20 MW Data Center = Personen 4 4

3 Anteil Rechenzentren an IKT im DL-Sektor Quelle: encontrol/cepe, Entwicklung der Energienachfrage Server und RZ Servers Deutschland: Cremer et al. (2003) 2004/ %, 2010/ % USA, weltweit: Koomey (2007) 2005/ % (USA), +110% (weltweit) Data Centres Steigende Bedeutung der Infrastruktur «Outsourcing»?; «Services not servers» (Virtualisierung)? Wird die Schweiz ein interessanter Standort für Data Centres von global tätigen Firmen?! 6 6

4 Inhalt Energieverbrauch RZ Wozu wird die Energie im RZ genutzt Energieeffizienz RZ Literaturhinweise 7 7 Energiefluss eines RZ (4 MW) 50% Kälteproduktion, Wärmeabfuhr 100 % Strombezug des Rechenzentrums aus dem öffentlichen Netz 2% Transformations- 2% verluste Leitungsverluste 17% Kältemaschinen 25% Strom-Übertragung und -Transformation, inkl. USV 30% Lüftung, Pumpen, Licht, Diverses; 28% für Bedarf Grossrechner, 2% für Bürobedarf 25% Zentraleinheit (Z), Speicher (S) and Kommunikation (T) 6% Verluste unterbrechungsfreie Stromversorgung Umformungs- 7% verluste } 11% Netzteil- verluste Quelle: Spreng/Aebischer, % 10% 6% Z S K Z: Zentraleinheit S: Speicher K: Kommunikation 8

5 Grob-Aufteilung Stromverbrauch Data Centre (LBNL, Messung) und Fein-Aufteilung Computer Load (CEPE, typisch) Computer Loads 63% Wärmeab.; 14% andere; 7% P+S+K; 36% Wärmeab.; 21% andere; 5% P+S+K; 26% UPS Losses 6% Stromver sorgung; 43% Computer Loads 38% Stromver sorgung; 47% UPS Losses 12.6% Lighting 2% HVAC - Chiller and Pumps 13.4% HVAC - Air Movement 9% Lighting 2% HVAC 54% 9 9 Aufteilung Stromverbrauch Server Quelle: Aebischer et al.,

6 Inhalt Energieverbrauch RZ: heute und Entwicklung Wozu wird die Energie im RZ genutzt Energieeffizienz RZ Literaturhinweise Energieeffizienz RZ Idealvorstellung für Mass/Indikator der Energieeffizienz Energie pro Dienstleistung (nicht Energie pro Rechenleistung!!!) Benchmarking: gut-schlecht Technische, betriebliche Massnahmen Best practice /Zielwerte freiwillige Vereinbarungen, Vorschriften Probleme Definition und/oder Messung der (Energie-)Dienstleistung Technischer Fortschritt zu schnell, Lebenszyklus zu kurz 12 12

7 Relative Entwicklung des spezifischen Strombedarfs von Computergenerationen 1E+00 1E-01 1E-02 1E-03 1E-04 1E-05 1E-06 1E-07 1E-08 ZUSE Z4 ERMETH CDC 1604 CDC 6400/6500 IBM 370/168 PC Cray 13 1E-09 1E Quelle: Aebischer/Mutzner/Spreng, 1994, und Aebischer/Bradke/Kaeslin, 2000 MUSIC 13 Was tun? Optimierung der Infrastruktur (Elektrizitätsversorgung, Wärmeabfuhr, Massnahmen Zuverlässigkeit ) und des Betriebs Konzept von Indikatoren für den Kanton Genf (2003) 14 14

8 u U = t I T 15 Energieeffizienz-Indikator für RZ (Konzept Genf) co processing, transmission, storage of data auxiliaries, losses CO VE ME UP ve me up tr ot... TR OT... DATA CENTRE - EQUIPMENT INFRASTRUCT. Quelle: Aebischer et al., 2003, Aebischer, 2007 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 Infrastruktur der IKT- Geräte 15 C1 ist ein guter Indikator vorausgesetzt, dass ein gutes Messkonzept angewendet wird C1 in 1994 und 1995 in 14 Rechenzentren in der Schweiz (Quelle: Bänninger (1996) in Aebischer (1996)) 16

9 Zielwerte für C1 (freiwillige Vereinbarungen) Bau- und Betriebsbewilligung mit Zielwert für C1 (Witterungsverhältnisse Genf): 0.65 neue RZ 0.55 bestehende RZ Monitoring, Benchmarking, event. Anpassung der Zielwerte Falls Zielwerte nicht erreicht detaillierte technische Spezifikationen ( Peitsche!) Zusätzliche Metriken und/oder technische Anforderungen für Untersysteme der zentralen Infrastruktur, z.b. Kühlen (Ashrae TC 9.9), Stromversorgung (CoC UPS) c2 ist kein guter Indikator weil c2 nicht gemessen werden kann Alternativen? Effizienzindikatoren für Netzgeräte (Power Supples), Wärmeabfuhr, Zuverlässigkeitsmassnahmen,? zu komplex? z.b. wie DC-DC Wandler ausserhalb der Netzgeräte berücksichtigen? Qualitätslabel für IT-Geräte und/oder CoC mit Geräteherstellern (z.b. Server)!? 18 18

10 Problem: 1 Server -> 1000 IT-Geräte Wie kann die Energieeffizienz der folgenden Aufgaben definiert/gemessen werden: Konfiguration der Racks (inklusive Redundanz von Netzgeräten und lokaler USV) and Nutzung/Einsatz der Geräte (insbesondere Kapazitätsauslastung)? Information/Ausbildung ( z. B. Merkblätter BFE) Demonstaration von best practice CoC mit ausgewählten Betreibern von vielen Rechenzentren!? Quellen/Literatur (1) Aebischer, Energieverbrauch und Energieeffizienz in Rechenzentren. Präsentation am 4. Rechenzentrum-Thementag der IBM Schweiz, 25. April Aebischer B., Eubank H. and Tschudi W. (2004). Energy Efficiency Indicators for Data Centers, Proceedings of the International Conference on "Improving Energy Efficiency in Commercial Buildings, IEECB 04", Frankfurt, April. Aebischer et al., Energy- and Eco-Efficiency of Data Centres. Report commissioned by the Canton of Geneva, Geneva, Switzerland Aebischer et al., CO 2 -Reduktionspotential Erdgas. Projektphase 1: Referenzszenario. Studie im Auftrag und in Zusammenarbeit mit der Schweizerischen Gasindustrie. Zürich Aebischer B., Bradke H. und Kaeslin H., Energie und Informationstechnik. Energiesparer oder Energiefresser?. Bulletin der ETH Zürich, Nr. 276 (January), sortfield=seite&-op=eq&heftnummer=276&-max= &-recid=120&-find= Aebischer B., 1996 Rationellere Energieverwendung beim Einsatz von Computern. Proceedings der Fachtagung SIWORK '96 "Workstations und ihre Anwendungen". Zürich Mai vdf-verlag (ISBN: ) Aebischer B., Mutzner J. und Spreng D, Strombedarfsentwicklung im Dienstleistungssektor. Bulletin SEV/VSE 16/94 Cremer et al., Der Einfluss moderner Gerätegenerationen der Informations- und Kommunikationstechnik auf den Energieverbrauch in Deutschland bis zum Jahr Möglichkeiten zur Erhöhung der Energieeffizienz und der Energieeinsparung in diesen Bereichen, Studie von FhG-ISI und CEPE im Auftrag des Bundesminis-teriums für Wirtschaft und Arbeit, Karlsruhe/Zürich

11 Quellen/Literatur (2) Encontrol/CEPE, Stromverbrauch der IKT im Dienstleistungssektor in der Schweiz. Interner Zwischenbericht. Koomey J.G., ESTIMATING TOTAL POWER CONSUMPTION BY SERVERS IN THE U.S. AND THE WORLD, Stanford/Berkeley Roth et al., Energy Consumption by Office and Telecommunications Equipment in Commercial Buildings. Volume I: Energy Consumption Baseline. RMI (edt.), Design Recommendations for High-Performance Data Centers, Spreng D. und Aebischer B., Computer als Stromverbraucher. Schweizer Ingenieur und Architekt, Nr. 50 Dezember 21 21