Client-Energiesparrechner von Dell Zweck: Mit dem Client-Energiesparrechner von Dell soll ein Tool bereitgestellt werden, durch das der Kunde den Energieverbrauch eines Computers für den Zeitraum eines Jahres sowie die daraus resultierenden Kosten für das Betreiben des Systems berechnen kann. Der Rechner verwendet das Nutzungsprofil des Endbenutzers, die Art des verwendeten Systems und einige Systemkonfigurationsdaten, um den jährlichen Energieverbrauch und die Kosten zu berechnen. Beim Rechner können verschiedene Energiesparfunktionen ausgewählt und die jeweiligen Kosteneinsparungen miteinander verglichen werden. Der Rechner bietet mehrere Optionen an, durch die der Kunde Systemkomponenten konfigurieren und so eine angemessene Anpassung seines derzeitigen Systems an das im Rechner konfigurierte System erreichen kann. Der Rechner soll dem Kunden eine Hochrechnung des jährlichen Energieverbrauchs und der Energiekosten für das in seinem Besitz befindliche oder zum Kauf beabsichtigte System liefern. Der Rechner beinhaltet eine Funktion, die bei Systemen, welche mit Energieverwaltungsoptionen wie Energy Smart ausgerüstet sind, das Timeout zu den Stromsparmodi berücksichtigt. Der Energierechner verwendet die programmierten Timeout-Werte, die mit den ausgewählten Energieverwaltungsoptionen des Benutzers verknüpft sind. Diese Werte werden zur Berechnung des Energieverbrauchs des Systems verwendet, z. B. eine einstündige Mittagspause oder Pausen von 20 Minuten am Vor- und Nachmittag. Auf diese Weise berücksichtigt der Rechner, dass das System während täglicher Pausen in Stromsparmodi wechselt und dadurch der jährliche Energieverbrauch und die Kosten sinken. Dies entspricht einer realistischen Systemnutzung. In Abbildung 2 ist ein System dargestellt, das in den Energiesparmodus wechselt. Allgemeine Beschreibung des Energieverbrauchs bei Computersystemen: Der Energieverbrauch eines modernen Computers kann je nach ausgeführter Anwendung oder Aufgabe stark variieren. Die vom Computer ausgeführte Aufgabe und die Software (sowohl das Betriebssystem als auch die verwendete Anwendung) sind zu jeder Zeit wesentliche Faktoren des aktuellen Energieverbrauchs. Der Online-Energiesparrechner von Dell teilt die möglichen Arbeitslasten eines Computersystems, wie unten beschrieben, in drei Hauptkategorien der aktiven Verwendung und zwei Kategorien des nicht aktiven Betriebs ein: 1. Ruhemodus/Aus Niedrigster Energiezustand, den das System mit eingestecktem Netzkabel erreichen kann. Die ganze Hauptsystemelektronik ist vom Strom getrennt mit Ausnahme der Schaltkreise, die zur Erkennung der Netzschalteraktivierung durch den Benutzer oder von Systemaktivierungsereignissen wie Wake-on-Lan nötig sind. 2. Energiesparmodus Stromsparmodus wie beispielsweise der Suspend-to-RAM- Modus, in dem das System nicht aktiv einen Code ausführt und der Monitor ausgeschaltet ist. Viele Systemkomponenten sind ausgeschaltet mit Ausnahme des Arbeitsspeichers, der zur Erhaltung des Speicherzustands nötigen Schaltkreise und der zur Erkennung von Benutzerinteraktion und Aktivierungsereignissen benötigten 1
Schaltkreise. Das System kann auf Benutzeraktionen reagieren (d. h. Drücken des Betriebsschalters, Maus- oder Tastaturaktivität bzw. eventuelle Netzwerkaktivitäts- Anforderungen) und den Normalbetrieb innerhalb weniger Sekunden fortsetzen. 3. Leerlauf Der Computer läuft, hat normalerweise eine unveränderte Bildschirmanzeige und es findet keine Benutzerinteraktion statt. Das System kann sich auf dem Desktop befinden oder auf einer offenen Anwendung im Leerlauf. 4. Produktivität Der Endbenutzer führt unter Verwendung der standardmäßigen Büroanwendungen typische Büroarbeiten wie beispielsweise E-Mail-Bearbeitung, Dokumentenerstellung oder Surfen im Internet aus. 5. Maximale Leistung Der Endbenutzer führt High-End-Anwendungen, komplexe wissenschaftliche Berechnungen, Modellierung oder 3D-Spiele aus, die das System beanspruchen und ein beträchtliches Ansteigen des Stromverbrauchs verursachen. Die Systeme wechseln zwischen diesen auf der Benutzerinteraktion und/oder Timeout- Bedingungen basierenden Zuständen, wenn das System für Timeouts zu Stromsparmodi konfiguriert ist. Computer-Energieverwaltung Eine der vorteilhaftesten Energiesparmethoden für Computersysteme ist die Verwendung der Computer-Energieverwaltung (CPM, Computer Power Management). Ist CPM auf einem korrekt konfigurierten System aktiviert, so bewirkt es, dass der Computer nach einer bestimmten Zeit der Systeminaktivität in einen Stromsparmodus (Energiesparmodus oder Ruhezustand) wechselt. Nicht für CPM konfigurierte Computer bleiben in einem System-Leerlaufzustand und verbrauchen daher während diesen inaktiven Zeiten mehr Energie. Der Energierechner bietet Granularität bei der Auswahl der Timeout-Werte des Energieverwaltungssystems und gibt genau die Timeouts wieder, die Dell in den ausgelieferten Computersystemen bereitstellt. Kunden, die ihre eigenen Betriebssystem (OS)-Images bereitstellen oder das von Dell normalerweise bereitgestellte Standard-Image ändern, müssen ihre implementierten Timeout- Werte mit den Dell-Werten vergleichen, um festzulegen, welche Einstellungen ihre eigenen Implementierungen am besten wiedergeben. Geschätzter Energieverbrauch: Um den Energieverbrauch eines Computers im Verlauf eines Jahres zu berechnen, muss zuerst beschrieben werden, wie das System während des Jahres verwendet wird. Gemäß unserer Definition setzt sich ein Jahr aus Arbeitstagen und Tagen, an denen nicht gearbeitet wird, zusammen. Daher muss der Benutzer zuerst die in den Berechnungen zu verwendenden typischen Arbeitstage und die Tage, an denen nicht gearbeitet wird, definieren. Die eingegebenen Werte werden dazu verwendet, einen typischen Arbeitstag zu definieren, wie in Abbildung 1 gezeigt. Der Rechner hat standardmäßig pro Tag sieben Stunden für Produktivitätsanwendungen und eine Stunde für Anwendungen mit maximalen Leistungsanforderungen eingestellt. 2
Stromverbrauch Produktivität Maximale Leistung Modell der täglichen Nutzung durch den Benutzer Pause Produktivität Mittagessen Produktivität Maximale Leistung Pause Produktivität Stunden Arbeitsmenge des Arbeitstages Pausenzeiten werden standardmäßig mit 20 Minuten programmiert. 2 pro Tag Die Mittagspause beträgt 1 Stunde. Abbildung 1 Der Stromverbrauch für Produktivitätsanwendungen wird dargestellt, indem der durchschnittliche Stromverbrauch während der Ausführung von SysMark Office Productivity-Benchmarks gemessenen wird. Arbeitslasten mit hohen Leistungsanforderungen werden dargestellt durch den durchschnittlichen Stromverbrauch während der Ausführung von 3DMark-Benchmarks. Abbildung 1 zeigt das typische Profil eines Arbeitstages: Die Zeit ist auf der horizontalen Achse dargestellt. Die Blockhöhe stellt die Systemleistung während dieser Zeitperioden dar. Kurze Pausen und die Mittagspause werden mit feststehender Säulenhöhe dargestellt, weisen tatsächlich jedoch beträchtliche Stromschwankungen im Zeitfenster auf, wenn die Timeout-Werte kurz genug sind. Diese Perioden werden im nächsten Abschnitt eingehender beschrieben. Der aktive Tag wird in eine Sitzung am Morgen und eine Sitzung am Nachmittag mit dazwischen liegender Mittagspause eingeteilt. In die Perioden morgens und nachmittags ist auch eine zwanzigminütige Pause einkalkuliert, wodurch eine weitere Energiereduktion ermöglicht wird. Die Arbeitsperioden am Morgen und am Nachmittag bestehen aus dieser Abfolge: 1. Produktive Arbeitssitzung 2. Arbeitssitzung mit maximalen Leistungsanforderungen 3. Pause 4. Produktive Arbeitssitzung Durch die Pausen am Morgen und am Nachmittag kann das Modell gewisse Vorteile für die kürzeren Timeout-Werte von Energy Star und die Timeout-Werte von Energy Smart widerspiegeln. Wenn Endbenutzer auf die Toilette gehen oder während des Tages verlängerte Lese- oder Gesprächszeiten haben, so wird dies besser berücksichtigt. Wenn die Energieverwaltung im Online-Rechner aktiviert ist, wird das Profil mit den entsprechenden kürzeren, von Dell im BIOS und in den Betriebssystem-Einstellungen implementierten Timeout-Werten für die Berechnungen zum jährlichen Energieverbrauch verwendet. 3
Leerlauf-Timeout zu Stromsparmodi Die aktuellen Betriebssysteme von Microsoft Windows (XP, Vista und Windows 7) bieten nicht nur die Möglichkeit, Stromsparmodi einzugeben, sondern auch zu steuern, wie schnell die Übergänge von den Systemen ausgeführt werden und welche Energiezustände für die Übergänge verwendet werden. In Abbildung 2 unten ist eine typische Übergangsabfolge dargestellt. Energiereduzierungssequenz für Timeout bei Benutzerabwesenheit Stromverbrauch Leerlauf Time Out E.-Spar-Mod. LEERLAUF Ruhemod. T-e-spar Zeit (in Std.) T-ruhe T-abwes Die Zeit, in der der Benutzer abwesend ist, kann irgendwo in diesem Bereich enden. T-e-spar Leerlauf-Timeout bis Energiesparmodus T-ruhe Energiesparmodus-Timeout bis Ruhemodus T-abwes Gesamtzeit, in der der Benutzer abwesend ist Abbildung 2 Systeme ohne aktivierte Energieverwaltung bleiben für die gesamte inaktive Zeitspanne des Systems auf dem Energielevel des Leerlaufs. CPM-fähige Systeme sind typischerweise entsprechend diesem Profil für Übergänge in Stromsparmodi konfiguriert: Sie gehen erst in den Standby- oder Energiesparmodus, wenn der Benutzer am System für eine bestimmte Zeitspanne keine Aktion ausführt (T e-spar ), und wechseln danach in den Ruhe- oder Aus-Modus, wenn das System für eine längere Zeitspanne nicht verwendet wird (T ruhe ). Dell bietet bei allen ausgelieferten Produkten Standardwerte für diese Timeout-Funktionen. Kürzere Timeout-Werte bieten höhere Energieeinsparungen, da sich das System längere Zeit in Stromsparmodi befindet, jedoch auch eventuelle Unannehmlichkeiten, da der Benutzer länger warten muss, bis das System nach seiner Rückkehr wieder einsatzbereit ist. Dell bietet drastischere Einstellungen (d. h. kürzere Timeout-Werte) bei Systemen, die Energy Star- Anforderungen erfüllen, und bei Energy Smart-Plattformen von Dell. 4
In Tabelle 1 unten sind die im Rechner verwendeten Timeout-Werte der Energieverwaltung dargestellt. Keine Standard Energy Smart Energy Star Timeout bis Energiesparmodus (in Std.) Nie 1 0,25 0,25 Timeout bis Ruhemodus (in Std.) Nie Nie 4 18 Monitor-Timeout 0,5 0,5 0,25 0,25 Tabelle 1 Tage, an denen nicht gearbeitet wird, sind je nach Aktivierung oder Nichtaktivierung von CPM für die kompletten 24 Stunden durch den Leerlauf, den Energiesparmodus oder den Ruhemodus dargestellt. Die Anzahl der Arbeitstage pro Jahr ist standardmäßig auf 250 Tage festgelegt. Berechnung des Energieverbrauchs Durch den Ansatz von Dell zur Berechnung des jährlichen Energieverbrauchs soll ein Nutzungsprofil für einen typischen Arbeitstag und ein Nutzungsprofil für einen Tag, an dem nicht gearbeitet wird bzw. an dem keine Verwendung stattfindet, definiert werden. Der Energieverbrauch für jeden dieser Tage soll berechnet werden. Die Addition dieser für ein Jahr geltenden Werte der Arbeitstage und der Tage, an denen nicht gearbeitet wird, ergibt den geschätzten jährlichen Energieverbrauch des Systems. Arbeitstage Der Arbeitstag wird folgendermaßen berechnet entsprechend der Gleichung 1 Gleichung 1 E ARBEITSTAG = E PROD + E MAXLEIST + E MITTAGESSEN + E PAUSE Wobei: E ARBEITSTAG = Gesamter Energieverbrauch während eines typischen Arbeitstags E PROD = Gesamter Energieverbrauch während Produktivitätsanwendungen E MAXLEIST = Gesamter Energieverbrauch während der Ausführung von Anwendungen mit maximalen Leistungsanforderungen E MITTAGESSEN = Gesamter Energieverbrauch während der Mittagspause E PAUSE = Gesamter Energieverbrauch während der Pausen Jede dieser Energieeinheiten wird berechnet, indem man den durchschnittlichen Stromverbrauch des Systems während dieser Periode mit der Gesamtzeit multipliziert, in der das System in diesem Betriebszustand war. Für die Produktivitätsperiode und die Periode mit maximalen Leistungsanforderungen ist dies relativ einfach. Schwieriger wird es bei der Mittagszeit und den Pausenzeiten. Während der Mittagszeit und der Pausenzeiten müssen die Timeouts zu den Stromsparmodi berücksichtigt und mit der Dauer der Pausen-/Mittagsperiode in Bezug gesetzt werden. Wenn die Timeouts sehr kurz sind, bleibt das Gerät im Leerlauf. Wenn sie lange genug sind, findet ein Übergang in den Ruhemodus statt. Energiespar- und Ruhemodi müssen in diesen Berechnungen berücksichtigt werden und werden vom Benutzer über Energieverwaltungsoptionen konfiguriert. Sie sind oben in Tabelle 1 beschrieben. 5
Tage, an denen nicht gearbeitet wird Tage, an denen nicht gearbeitet wird, werden unter der Prämisse berechnet, dass das System sich während der gesamten 24-Stunden-Periode im gleichen Betriebszustand befindet. Der verwendete Betriebszustand ist durch die ausgewählte Energieverwaltungs-Einstellung festgelegt. Ohne Energieverwaltung bleibt das System im Leerlauf. Andere Optionen bewirken, dass sich das System entweder im Energiespar- oder im Ruhemodus befindet, je nach den entsprechenden Timeout-Werten. Messungen und Berechnungen zum Stromverbrauch des Systems Ein wesentliches Problem bei der Erstellung eines Tools wie dieses Rechners ist es, die für die Berechnung des jährlichen Energieverbrauchs notwendigen Daten zu erhalten. Bei fünf Auswahlfeldern und einem Durchschnitt von jeweils fünf Auswahloptionen liegt die Anzahl der möglichen vom Rechner angesprochenen Systemkonfigurationen bei über 3.000 pro Systemgehäuse. Alle diese Optionen unter Verwendung der beschriebenen Benchmark- Anwendungen zu testen, würde mehr als 12.000 Teststunden beanspruchen. Um dieses Testzeit-Dilemma zu umgehen, hat Dell ein mathematisches Modell für den Systemstromverbrauch entwickelt, bei dem Systeme und Auswahloptionen als typische Stromverbrauchswerte dargestellt sind. Diese Daten wurden gesammelt und mit einer ausgewählten Teilmenge der gesamten möglichen Systemkonfigurationen verglichen. Wir gehen davon aus, dass diese Methode die Endbenutzer mit viel mehr relevanten Informationen versorgt, als es bei der Bereitstellung nur weniger Systemkonfigurationen der Fall ist, die möglicherweise nicht mit den gekauften Systemen übereinstimmen, während sie eine leichter zu verwaltende Test-Matrix bieten. Nutzungsbezogene Drop-Down-Menüs Die Drop-Down-Menüs für die Festlegung des täglichen Nutzungsprofils (Produktivitätsanwendungen in Stunden pro Tag, Anwendungen mit maximalen Leistungsanforderungen in Stunden pro Tag, Anzahl der Arbeitstage pro Jahr und Stromkosten) gelten für alle drei Systeme im Anzeigefenster. Konfigurationsoptionen innerhalb eines Systemfensters betreffen nur dieses bestimmte System. Unterschiede bei den Energieeinsparungen Der Energierechner ist ein Tool, das Kunden dabei helfen soll: Den Energieverbrauch bei Client-Produkten zu verstehen Nummerische Werte bereitzustellen, die bei Wärmeladungsberechnungen und bei Berechnungen zu den Gesamtbetriebskosten verwendet werden können Die Auswirkungen der vom Endbenutzer gewählten Systemkonfiguration auf den Energieverbrauch herauszustellen Die Vorteile der Einführung einer Energieverwaltung in Client-Systeme darzulegen Die Vorteile in Bezug auf die jährlichen Energiekosten der energiesparenden Konfigurationsoptionen von Dell aufzuzeigen Der Rechner liefert auf der obigen Methodik basierende Berechnungen, ist in Umfang und Genauigkeit jedoch nicht erschöpfend. Es ist nicht jede mögliche Systemkonfigurationsoption eines von einem Benutzer gekauften Produkts enthalten. Einige der angebotenen Konfigurationsoptionen haben weniger Wahlmöglichkeiten als zum Zeitpunkt des Systemkaufs verfügbar sind. 6
Ein bestimmtes System verbraucht möglicherweise mehr oder weniger Energie als vom Rechner berechnet. Der Grund hierfür sind Abweichungen im Stromverbrauch der einzelnen Komponenten, die das Endprodukt ausmachen. Standardwerte Der Rechner ermöglicht Endbenutzern, das Nutzungsprofil des Produkts zu konfigurieren. Dadurch kann der Endbenutzer die typische Arbeitsbelastung und die jährliche Verwendung des Produkts in seiner Umgebung beschreiben. Der Rechner setzt in viele Felder Standardwerte ein. Diese Standardwerte basieren auf der Benutzererfahrung von Dell und stellen die typische Verwendung unserer Produkte in einer Büroumgebung dar. Die Standardwerte simulieren einen achtstündigen Arbeitstag mit einer einstündigen Pause um die Mittagszeit für das Mittagessen und Pausen am Vor- und am Nachmittag. Die Arbeitsbelastung des Tages wird standardmäßig auf sieben Stunden Büroanwendungen festgesetzt. Dies ist eine Simulation der Tätigkeiten, die Mitarbeiter normalerweise am Computer ausführen (E-Mail- Bearbeitung, Dokumenterstellung, Surfen im Internet, usw.). Eine Stunde für Anwendungen mit hohen Leistungsanforderungen ist enthalten, um Virenüberprüfungen im Hintergrund, Softwareaktualisierungen oder andere periodisch stattfindende, rechenintensive Anwendungen zu simulieren. Das Hinzufügen der Nutzung mit hohen Leistungsanforderungen in die Standardkonfiguration bietet auch Einblick in die jährlichen Energiekosten des Systembetriebsstroms für Anwendungen hoher Leistung. Die Methode zur Festlegung des Arbeitstages dürfte für Endbenutzer verständlicher und leichter zu konfigurieren sein als eine Liste von Systembetriebszuständen und Stunden pro Jahr in jedem dieser Zustände. Die Standardanzahl der Arbeitstage pro Jahr beläuft sich auf 250. Das macht 50 typische Arbeitswochen pro Jahr aus. Tabelle 2 unten zeigt die im Rechner verwendeten Standardwerte. Diese Werte zusammen mit den Timeout-Werten der Energieverwaltung in Tabelle 1 unten werden dazu verwendet, den geschätzten jährlichen Energieverbrauch der Client-Produkte von Dell festzulegen. Standardwerte Stunden pro Tag, an denen Büroanwendungen ausgeführt 7 werden Stunden pro Tag, an denen Anwendungen mit hohen 1 Leistungsanforderungen ausgeführt werden Anzahl der Arbeitstage pro Jahr 250 Stromkosten ($/kwh) 0,10 Tabelle 2 Berechnung der Einsparungen Die geschätzten Energieeinsparungen werden für die Spalten 2 und 3 relativ zur Basiskonfiguration in Spalte 1 des Tools berechnet. (Bitte den vorhergehenden Satz dahingehend klären, welche Tabelle, welches Diagramm oder welche Abbildung für die einzelnen Spalten gemeint ist.) Einsparungen werden berechnet, indem der aktuelle jährliche Energieverbrauch des Systems vom jährlichen Energieverbrauch des Basissystems subtrahiert wird. Die geschätzten jährlichen Einsparungen in lokaler Währung werden dann berechnet, indem der Faktor für die aktuellen Stromkosten auf die berechneten Einsparungen in kwh angewendet wird. (Die Rechtsabteilung geht davon aus, dass dies je nach Region unterschiedlich ist und nicht streng auf Energiekosten und -einsparungen in den USA basiert.) 7
Berechnungen über vermiedene CO 2 -Emissionen und eingesparte PKW-Fahrten werden mittels der Konvertierungsfaktoren aus dem EPA Greenhouse Gas Equivalencies Calculator (Rechner für Treibhausgasäquivalenzen) berechnet. 1 Der Rechner berechnet zuerst die vermiedene Menge an CO 2 -Emissionen auf der Basis der jährlichen Energieeinsparungen unter Verwendung der Gleichung 2 unten. Gleichung 2 7,18 10-4 metrische Tonnen CO 2 /kwh Gleichung 3 beschreibt die Kombination der Konvertierungsfaktoren von der EPA- Website, die zur Bestimmung des Konvertierungsfaktors für eingesparte PKW- Fahrten in Meilen verwendet wird. Gleichung 3 7,18 10-4 metrische Tonnen CO 2 /kwh * 1 / 8,81 10-3 Gallonen Benzin/metrische Tonne CO 2 * 19,7 Meilen pro Gallone für PKW/LKW durchschnittlich = 1,61 vermiedene Meilen pro kwh 1 http://www.epa.gov/cleanenergy/energy-resources/calculator.html 8