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Der Energie-Stern

Bernhard Haluschak ist als Redakteur bei der IDG Business Media GmbH tätig. Der Dipl. Ing. FH der Elektrotechnik / Informationsverarbeitung blickt auf langjährige Erfahrungen im Server-, Storage- und Netzwerk-Umfeld und im Bereich neuer Technologien zurück. Vor seiner Fachredakteurslaufbahn arbeitete er in Entwicklungslabors, in der Qualitätssicherung sowie als Laboringenieur in namhaften Unternehmen.
Am 20. Juli 2007 traten die neuen Richtlinien des "Energy Star" für PCs und Notebooks in Kraft. Die Auflagen in Sachen Leistungsaufnahme und Energieeffizienz haben sich damit deutlich verschärft.

Von Bernhard Haluschak, tecChannel.de

Im Juni 2007 haben sich Intel, Google sowie die Environmental Protection Agency zur "Climate Savers Computing"-Initiative zusammengeschlossen. Mit dabei sind weitere namhafte Hersteller wie Dell, Microsoft, Hewlett-Packard, IBM sowie AMD und Sun. Nach Angaben der Initiative vergeuden PCs die Hälfte der Energie, die sie verbrauchen. Computer seien für rund zwei Prozent des weltweiten Stromverbrauchs verantwortlich.

Die Hersteller der Initiative gehen die Verpflichtung ein, Systeme und Komponenten zu produzieren, die neuen Stromsparzielen entsprechen. Die bisherigen Regelungen des Energy Star bezüglich der Leistungsaufnahme von PCs ließen sich mehr oder minder problemlos erfüllen und galten daher eher als lax. Dort fand sich lediglich eine Begrenzung für die Leistungsaufnahme im Ruhezustand.

Für den "Energy Star 4.0" ist der 20. Juli der entscheidende Stichtag. Alle betroffenen Produkte, die nach diesem Datum hergestellt werden, müssen die neuen Richtlinien erfüllen, wenn sie sich mit dem Energy Star schmücken wollen.

Energy Star

Der Energy Star wurde bereits 1992 durch das US-amerikanische Umweltbundesamt EPA (Environmental Protection Agency) in Kooperation mit dem US-Department of Energy ins Leben gerufen. In den USA beschränkt sich der Energy Star keineswegs auf IT-Produkte, sondern berücksichtigt insbesondere auch Haushaltsgeräte.

Der Energy Star gehört bei vielen gewerblichen und behördlichen Ausschreibungen zum Pflichtprogramm. Zwar legen große Unternehmen inzwischen auch selbst Hand an und evaluieren zu beschaffende Systeme hinsichtlich der Leistungsaufnahme. Gerade kleine und mittlere Unternehmen verlassen sich jedoch diesbezüglich auf die entsprechenden Auszeichnungen. Primär betreffen die Richtlinien damit die professionell eingesetzten Systeme.

Betriebsmodi

Bisher bezogen sich die Angaben des Energy Star lediglich auf die Leistungsaufnahme im Ruhezustand. Die dort bisher verlangten Grenzwerte standen in Relation zur Ausgangsnennleistung des Netzteils. So lag der Grenzwert für Systeme mit einem 400-Watt-Netzteil (Nennleistung) bei zehn Prozent der maximalen kontinuierlichen Ausgangsleistung. Die neuen Richtlinien berücksichtigen auch den Idle-Zustand, sprich, der Rechner läuft einfach vor sich hin. Damit passen sich die Richtlinien der Praxis an, denn dieser Zustand dürfte im Alltag eine relevante Größe erreichen.

Mit der Einführung des Energy Star 4.0 unterscheiden die Richtlinien nun zwischen drei Betriebsmodi: Idle, Sleep und Stand-by.

Idle: In diesem Fall ist das Betriebssystem vollständig geladen, ebenso alle Tools oder Applikationen, die der Hersteller automatisch lädt. Das System befindet sich nicht im Sleep-Mode. Dies korrespondiert mit den ACPI-Zuständen S0/G0, sprich ein vollständig aktives System. Der Anwender kann auf alle Systemkomponenten in Echtzeit zugreifen.

Sleep: ein Stromsparmodus, den das System automatisch nach einer vorgegebenen Zeit erreicht oder der sich manuell anwählen lässt. Der Sleep-Mode korreliert in Systemen mit ACPI-Unterstützung mit dem S3 (suspend to ram-)Zustand.

Stand-by: der Modus mit der geringsten Leistungsaufnahme, der den ACPI-Zuständen S4 beziehungsweise S5 entspricht.

Daneben beinhaltet der Energy Star, dass die Systeme mit bestimmten Voreinstellungen hinsichtlich der Stromsparfunktionen auszuliefern sind. So sollte sich das Display nach spätestens 15 Minuten der Inaktivität in den Stromsparmodus versetzen. Das Gesamtsystem sollte nach 30 Minuten der Inaktivität in den Stromsparschlummer fallen. Und die Gbit-Netzwerkkarte sollte auf eine niedrigere Geschwindigkeit herunterschalten, wenn der Sleep-Mode aktiv ist.

Notebooks

Bei Notebooks unterscheiden die Richtlinien zwei Kategorien. Kategorie B muss mit einer diskreten Grafik und einem dezidierten Grafikspeicher von mindestens 128 MB ausgestattet sein. Kategorie A umfasst alle anderen Notebooks und damit auch die Business-Notebooks mit integrierter Grafik. Portable Rechner dieser Kategorie dürfen im Idle-Modus maximal 14 Watt aufnehmen, denen der Kategorie B sind bis zu 22 Watt gestattet. Im Sleep-Modus dürfen Notebooks beider Klassen maximal 1,7 Watt zu sich nehmen, im Stand-by-Modus liegt die Grenze bei 1,0 Watt. Ursprünglich waren für den Maximalwert der B-Notebooks 20 Watt vorgesehen, damit war die Anzahl der Geräte, die den Test nicht bestehen, offensichtlich zu hoch gewesen. Unterstützt das jeweilige System Wake On LAN (WOL) und ist dieses aktiviert, dürfen sowohl im Stand-by- als auch im Sleep-Modus je 0,7 Watt mehr konsumiert werden.

Die maximalen 14 Watt der Kategorie lassen sich durchaus mit einem kräftig motorisierten Gerät erreichen. Ein Notebook mit Core 2 Duo mit 2,16 GHz, 2 GB DDR2-SDRAM, 100-GB-Festplatte und 1.400er-Auflösung bleibt knapp unter der genannten Marke. Allein die Beschränkung auf eine interne Grafiklösung ist allerdings noch kein Garant für die Pflichterfüllung, zahlreiche entsprechende Geräte bewegen sich im Idle-Modus zwischen 15 und 30 Watt. Sind endkundenorientierte Extras wie integrierte TV-Tuner vorhanden, stehen die Chancen für die Einhaltung der maximal 14 Watt schlecht.

Die 22 Watt für die Geräte mit diskreter Grafik sind mit komplett ausgestatteten Multimedia-Notebooks kaum zu erreichen. Entsprechende Notebooks der aktuellen Plattformen konsumieren gut und gerne an die 30 Watt im Idle-Betrieb. Unproblematischer ist offenbar die Einhaltung der Stand-by- und Sleep-Grenzen; hier dürften nur Ausreißer die gesteckten Ziele nicht erreichen.

Desktop

Für Desktop-Rechner existieren mit den neuen Richtlinien drei Kategorien. In Kategorie A fallen alle Systeme, die nicht den beiden folgenden Klassen zuzuordnen sind. Rechner der Kategorie B müssen einen Multi-Core-Prozessor mitbringen oder mehr als einen physikalischen Prozessor und darüber hinaus mit mindestens 1 GB Arbeitsspeicher aufwarten.

Etwas komplexer sind die Rahmenbedingungen für ein Gerät der Kategorie C. Hinsichtlich des Prozessors unterscheidet sich diese nicht von Systemen der Kategorie B. Aber für ein Gerät dieser Klasse ist eine diskrete Grafik mit mindestens 128 MB Speicher Voraussetzung. Außerdem müssen zwei der drei folgenden Bedingungen erfüllt sein:

mindestens 2 GB Arbeitsspeicher;

TV-Tuner oder Video Capture mit HD-Unterstützung;

mindestens zwei Festplatten

Die maximal erlaubte Leistungsaufnahme im Idle-Betrieb für die einzelnen Kategorien staffeln sich wie folgt: 50 Watt (Kategorie A), 65 Watt (Kategorie B) und 95 Watt für die Kategorie C. In Sachen Wake on LAN (WOL) gelten die identischen Voraussetzungen wie bei Notebooks, sprich, es dürfen 0,7 Watt bei Stand-by und Sleep hinzukommen.

Damit dürfte es für PC-Systeme deutlich schwieriger werden, die erforderlichen Rahmenbedingungen einzuhalten. In Kategorie A werden die beispielsweise mit mobilen CPUs motorisierten Small-Form-Factor-Systeme leichtes Spiel haben. Im professionellen Umfeld dürften viele Systeme der Kategorie B anzutreffen sein. Insbesondere Rechner der Kategorie C werden mit den Grenzwerten zu kämpfen haben. Konfigurationen dieser Machart passieren in der Regel auch im Idle-Betrieb problemlos die 100-Watt-Marke.

Desktop-Server

In den Energy-Star-4.0-Richtlinien sind nur Server definiert, die an Desktop-PCs "angelehnt" sind. Die-se Geräte beinhalten typischerweise Desktop-Komponenten in einem Tower-Gehäuse, werden aber ausschließlich als Host-Rechner für andere Computer oder Applikationen eingesetzt. Andere Server wie etwa für Midrange-Anwendungen oder Blade-Systeme deckt die Spezifikation noch nicht ab.

Die Rechner müssen explizit als Server konzipiert sein (Class B) und der Euronorm EN55022:1998 entsprechen. Dazu zählt, dass nur ein Prozessorsockel auf dem Mainboard vorgeschrieben ist. Zusätzlich müssen alle relevanten Komponenten ähnlich wie bei einem Desktop-PC wie Prozessor, Storage und Netzwerk in einem Gehäuse Platz finden.

Darüber hinaus muss ein entsprechender "Desktop-Server" alle Kriterien für hohe Zuverlässigkeit und Hochverfügbarkeit erfüllen. Das ist in erster Linie eine garantierte Betriebszeit von 24 Stunden pro Tag und sieben Tage pro Woche bei einer sehr geringen Downtime, die aber in den Regularien nicht näher spezifiziert ist. Für die Standard-Server-Applikationen sind industrieweit anerkannte Betriebssysteme wie Windows NT, Windows 2003 Server, Mac OS X Server, OS/400, Linux oder Unix vorgeschrieben.

Um die Energy-Star-4.0-Vorgaben hinsichtlich des Energieverbrauchs zu erfüllen, muss ein "Desktop-Server" die gleichen Richtwerte für die elektrische Leistungsaufnahme einhalten wie ein Desktop-Rechner.

Workstation

Eine weitere Kategorie von Rechnersystemen in den Energy-Star-4.0-Richtlinien bilden die Workstations. Diese müssen ausdrücklich als Workstation-Systeme gekennzeichnet sein. Zusätzlich dürfen sie eine Ausfallzeit (MTBF) von 15.000 Stunden nicht unterschreiten. Die Mean Time Between Failure besagt, dass ein Systemfehler erst nach einer vom Hersteller garantierten Zeit auftreten darf. Zusätzlich müssen diese Systeme mit einem fehlertoleranten Hauptspeicher ausgestattet sein, der nach dem ECC-Verfahren arbeitet und/oder gepufferte Speicherbausteine besitzt.

Darüber hinaus muss eine Workstation, um Energy-Star 4.0-konform zu sein, drei von den sechs folgenden Merkmalen erfüllen:

Das Netzteil muss High-End-Grafikkarten unterstützen. So muss es zum Beispiel einen 6-pin-Power-Connector für PCI-Express-Grafikkarten besitzen.

Das Mainboard muss mit mindestens einem PCI-Express-Slot ausgestattet sein, der mehr als x4-Lanes besitzt und/oder über einen PCI-X-Steckplatz verfügt.

Das System darf nicht die Uniform-Memory-Access-Architektur (UMA) bei Grafikanwendungen unterstützen.

Der Rechner muss über mindestens fünf Steckplätze verfügen (PCI, PCIe oder PCI-X).

Die Workstation muss wenigstens zwei physikalisch getrennte CPUs unterstützen (Zwei- oder Mehr-Sockel-Systeme).

Das System muss von mindestens zwei unabhängigen Softwarelieferanten (ISV) zertifiziert sein.

Anders als bei Desktop-PCs/Servern oder Notebooks schreiben die Energy-Star-4.0-Richtlinien keine "feste" elektrische Leistungsaufnahme vor, sondern definieren einen sogenannten Typical-Electricity-Consumption-Wert P(TEC). Dieser dient als Richteinheit und setzt sich aus den gewichteten Verhältnissen der verschiedenen Betriebsmodi nach der folgenden Formel zusammen:

P(TEC) = 0,1 x P(Stand-by) + 0,2 x P(Sleep) + 0,7 x P(Idle)

Damit eine Workstation die Energy-Star-4.0-Vorgaben erfüllt, wird der P(TEC)-Wert mit dem prozentual bewerteten Budget der elektrischen Gesamtleistung inklusive der Anzahl der Festplatten des Systems verglichen. Dabei muss die Energiebilanz der Workstation die folgende Anforderung erfüllen:

P(TEC) kleiner gleich 0,35 x [P(max) + (Anzahl der Festplatten x 5) Watt]

Der Wert P(max) ist die maximal gemessene elektrische Leistung des Gesamtsystems unter fest definierten Testbedingungen.

Mehr Energieeffizienz mit 80-Plus-Netzteilen

Ein wichtiger Bestandteil der Energy-Star-4.0-Richtlinien ist der neu ins Leben gerufene 80-Plus-Standard. Dieser bezieht sich speziell auf die im Computer eingesetzten Netzteile. Die neuen Spezifikationen für die Stromversorgung fordern neben einem hohen Wirkungsgrad auch eine bessere Stromqualität der Geräte. Erfüllen die Netzteile die strengen Reglements, können sie sich mit dem entsprechenden Logo schmücken.

Der Wirkungsgrad wird aus dem Quotienten der Ausgangswirkleistung zur Eingangswirkleistung gebildet. Je höher dieser Faktor (idealerweise 1 oder 100 Prozent), desto besser ist das Netzteil beziehungsweise der Wirkungsgrad. Je kleiner der Wirkungsgrad, desto mehr elektrische Energie setzt das Netzteil in nutzlose Wärmeenergie um. Die bisherigen handelsüblichen Netzteile arbeiten mit einem Wirkungsgrad von zirka 60 bis 70 Prozent bei 50 Prozent Auslastung. Der Wirkungsgrad verschlechtert sich, wenn das Netzteil abseits des prozentualen Richtwerts arbeitet.

Die 80-Plus-Verordnung schreibt bei internen Desktop-Netzteilen vor, dass bei 20, 50 und 100 Prozent elektrischer Auslastung des Energiespenders der Wirkungsgrad von 80 Prozent nicht unterschritten werden darf. Um eine 80-Plus-Zertifizierung für ein Netzteil zu bekommen, müssen die Hersteller diese Werte messtechnisch von der 80plus.org überprüfen lassen. Die Prüfdaten werden in einem Prüfprotokoll festgehalten und auf der Webseite www. 80plus.org veröffentlicht.

Im Vergleich zu den bisherigen internen Desktop-Netzteilen ist ein Wirkungsgrad von 80 Prozent nur durch exakte Regelkreise im Schaltnetzteil und durch sehr eng tolerierte Bauteile zu verwirklichen. Diese Maßnahmen erhöhen entsprechend die Herstellungskosten für ein solches effizientes Netzteil.

Hohe Qualität mit Nutzeffekt

Der Wirkungsgrad von 80 Prozent hat mehrere positive Nebeneffekte. In erster Linie erzeugt das Netzteil im Vergleich zu herkömmlichen Netzteilen weniger nutzlose Energie bei gleicher Wirkleistung. Daraus resultieren für den Anwender dauerhaft geringere Stromkosten. Darüber hinaus kann der PC-Hersteller oder Anwender gegebenenfalls ein Netzteil einsetzen, das eine geringere Nennleistung besitzt.

Ein weiterer Vorteil des hohen Wirkungsgrades ist die geringere Hitzeentwicklung im Netzteil. Das wirkt sich unter anderem lebensverlängernd auf die elektrischen Bauteile sowie auf die mechanischen Komponenten aus. Neben dem Wirkungsgrad spielen Verzerrungen der Spannung bei Netzteilen eine große Rolle. Diese treten dann in Erscheinung, wenn das Schaltnetzteil "unsauber" arbeitet. Dadurch werden Oberschwingungsströme erzeugt, die die Netzspannung verzerren. Dies führt verstärkt zu Störungen bei den Verbrauchern und erhöht die elektrischen Verluste im Netzteil. Zusätzlich müssen die nachgeschalteten Verbraucher mit diesen Problemen fertig werden.

Diese unerwünschten Verzerrungen der Spannung lassen sich nur mit höherer Spannungsfestigkeit der Bauteile, wie Kondensatoren und Halbleiter, sowie durch die Verwendung von entsprechenden Filtern kompensieren. Das ist in der Regel mit einem höheren Kostenaufwand für das Netzteil verbunden.

Auch der sogenannte Power Factor (PF) oder Leistungsfaktor eines Netzteils berücksichtigen die 80-Plus-Spezifikationen. Der Power Factor ist das Verhältnis von Wirkleistung (P) in Watt zur Scheinleistung (S) in VA. Die 80plus.org schreibt für ein entsprechendes 80-Plus-Netzteil einen Power Factor größer 0,9 bei einer Auslastung des Geräts von 100 Prozent vor.

Ausblick

Die konkreten Auswirkungen auf den Markt dürften sich zunächst im professionellen Bereich niederschlagen. Hier gehört der Energy Star in der Regel zu den Minimalanforderungen. Und auch andere Richtlinien wie etwa der "Blaue Engel" beziehen sich in ihren Richtwerten teils auf den Energy Star.

Die zweite Stufe des Energy Star 4.0 startet im Januar 2009. Neben neuen, noch festzulegenden Grenzwerten wird die zweite Stufe weitere Aspekte berücksichtigen, etwa feinere Abstufungen für Desktop-Systeme. Für Desktop-Server gelten dann auch Begrenzungen hinsichtlich der Leistungsaufnahme im Sleep-Modus. TÖ