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18.02.2008

Fitness-Programm für das Datenzentrum

Joseph Reger
Green IT wird wohl der Begriff des Jahres 2008. Und nicht ohne Grund: Die Energieeffizienz im Rechenzentrum muss dringend verbessert werden.

Energie in jeder Form verteuert sich dramatisch. Das geht auch an den Rechenzentren (RZs) nicht spurlos vorbei. Laut Statistischem Bundesamt haben sich die Strompreise für Unternehmenskunden von Anfang 2000 bis Anfang 2007 fast verdoppelt - von 6,88 Cent auf 10,69 Cent pro Kilowattstunde zum 1. Januar 2007. Und das vergangene Jahr hat einen Ölrekordpreis nach dem anderen gesehen. Tendenz: steigend.

Hier lesen Sie ...

wie sich die Energiepreise entwickeln;

welche schwerwiegenden Probleme auf alle Rechenzentren zukommen;

wie man in vier Schritten ein ökologisches Rechenzentrum schafft.

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Eine der wichtigsten Herausforderungen im RZ-Betrieb ist es also, den Energieverbrauch drastisch zu reduzieren. Immerhin braucht ein voll mit aktueller Server-Technologie bestücktes Rack mit Kühlung etwa so viel Strom wie 50 deutsche Haushalte. Daran sind nicht nur die Kosten problematisch. Ohne bessere Energieeffizienz lassen sich viele RZs gar nicht mehr betreiben. Denn die Data-Center sehen sich in der Regel mit zwei grundlegenden Problemen konfrontiert: Die immer höhere Rechnerdichte lässt die RZs an die technischen Grenzen von Energiezufuhr und Wärmeabfuhr gelangen. Gleichzeitig wird der Platz knapp, um neue Anforderungen der Business-Seite mit entsprechender Kapazität im RZ abzudecken.

So stellten zum Beispiel die Marktforscher von Gartner bei einer Umfrage unter amerikanischen RZ-Verantwortlichen im Herbst 2007 fest, dass über 70 Prozent der US-Data-Center bis 2011 mit erheblichen Problemen beim Energieverbrauch, bei den verfügbaren Flächen und damit auch bei den Betriebskosten rechnen müssen.

Die meisten Rechenzentren wurden vor zehn oder mehr Jahren geplant. Damals ging man von einem Energiebedarf von rund 1000 Watt pro Quadratmeter aus. Die heutige IT, die mit Blade-Servern und eng bestückten Racks extreme Packungsdichte aufweist, benötigt jedoch bereits bis zu 8000 Watt pro Quadratmeter. Ähnlich problematisch sieht es bei der Kühlung aus - auch moderne RZs können meist nur maximal 1500 Watt Abwärme pro Quadratmeter abführen.

Green IT heißt mehr Effizienz und ist eine Notwendigkeit

Green IT ist also kein grünes Mäntelchen, sondern eine handfeste kaufmännische und technische Notwendigkeit, wenn Anwender eine zeitgemäße IT betreiben wollen. Um die Effizienz innerhalb des Data Centers zu verbessern, bieten sich vier Instrumente an, die allesamt bereits am Markt verfügbar sind: Virtualisierung, modernere Hardware, neue Kühlkonzepte und die Verwertung der unvermeidlichen Abwärme.

Der erste Schritt zur besseren Nutzung der vorhandenen Ressourcen ist die Virtualisierung. Hier ist bereits viel geschehen. Laut einer Studie der Experton Group nutzen heute 57 Prozent aller Unternehmen Server-Virtualisierung. Betrachtet man nur das Enterprise-Segment, sind es sogar schon über 70 Prozent. IT-Organisationen, die noch keine Erfahrungen mit Virtualisierungstechnologien gemacht haben, sollten also ohne weitere Verzögerung beginnen.

Die Virtualisierung von Servern und von Storage steigert die Effizienz, indem sie die Auslastung kräftig steigert: Ein Server benötigt im Leerlauf nur unwesentlich weniger Strom als unter Volllast. Durch die allgemein übliche Nutzung dedizierter Standard-Server liegt die Auslastung der meisten Maschinen aber nur bei 15 Prozent oder weniger. Werden nun vier dedizierte Server auf einem System virtualisiert, kann der Energiebedarf um etwa zwei Drittel reduziert werden, ohne dass die Leistung sinkt. Rechnet man noch die Kostenersparnis bei der Hardware, den geringeren Platzbedarf und die eingesparte Abwärme hinzu, wird sich eine Virtualisierungslösung innerhalb kürzester Zeit rentieren. Zudem gewinnt das Rechenzentrum merklich an Flexibilität und kann die Verfügbarkeit der einzelnen logischen Server verbessern, da die vorhandenen Ressourcen genauer nach Bedarf genutzt werden. Die dynamischen IT-Lösungen von Fujitsu-Siemens Computers beweisen dies in zahlreichen praktischen Einsätzen.

Nichts als heiße Luft, die man nicht wirklich benötigt ...

Ein weiterer Schritt hin zu mehr Effizienz ist die Verbesserung der Kühlung und der Wärmeabfuhr. Die heute übliche Methode von Cool Aisle und Hot Aisle, bei der die Racks immer Rücken an Rücken gestellt werden, damit sich kalte Zuluft an der Vorderseite und warme Abluft an der Rack-Rückseite optimal ausgleichen, stößt an ihre technischen Grenzen. Denn zum einen sind immer größere Klimaanlagen zur Kühlung notwendig, zum anderen sorgen Verwirbelungen oder Luftstaus für heiße Zonen, die unter Umständen die Lebensdauer der Hardware reduzieren können. Und um eine Wärmeleistung von 1000 Watt abzuführen, werden bei einer Temperaturdifferenz von zehn Grad über 300 Kubikmeter Luft pro Stunde benötigt. Mehr als 10 000 Watt pro Quadratmeter lassen sich mit konventioneller Klimatechnik nicht abführen.

Kühlsysteme mit leichten Haken

Dezentrale Kühlsysteme, bei denen den Racks dedizierte mobile Klimaanlagen zugewiesen werden, vereinfachen zwar die Raumkühlung, benötigen aber einen erheblichen Teil der verfügbaren Stellfläche. Zudem ist dieser Ansatz sehr teuer und damit nur punktuell praktikabel. Grundsätzlich werden die RZs nicht umhinkommen, mittelfristig mit Wasser zu kühlen (Wasser kühlt und wärmt viel wirksamer als Luft). Bislang unterblieb dies, weil undichte Stellen in wasserführenden Leitungen eines CPU-Kühlers die Hardware gefährden würden. Diese Probleme sind jedoch lösbar: Nicht der Prozessor und andere Bauteile werden mit einem flüssigen Kühlmedium bedacht, sondern das Rack an sich. Die im Rack entstehende Hitze wird einfach über einen Wärmetauscher im Gehäuse an das Kühlwasser abgegeben. So kann das Medium am tiefsten Punkt des Racks montiert und auch bei einer undichten Stelle ein Wasserschaden an der Elektronik vermieden werden. Mit dieser Technik ist es möglich, bis zu 20 000 Watt Wärme aus dem Rack abzuführen. Die Server selbst bleiben konventionell luftgekühlt, das Wasser zur Rack-Kühlung kommt aus der Kaltwasserversorgung des Gebäudes. Die Luft zirkuliert im Rack, die Raumklimaanlage wird entlastet.

Alte Hardware ist nicht energieeffizient

Der dritte Schritt auf dem Weg zum grünen und damit kostengünstigen RZ ist moderne Hardware. Ältere Server und Speichersysteme gehen recht verschwenderisch mit dem Strom um. In diesem Bereich wurden deutliche Fortschritte erzielt, etwa beim Wirkungsgrad der Netzteile. Während billige und ältere Netzteile bis zu 40 Prozent der aufgenommenen Energie nutzlos als Wärme wieder abgeben, liegen die aktuellen Geräte bei einem Wirkungsgrad von 80 bis 90 Prozent. Durch den Einsatz von Blade-Servern anstelle der Rack-Systeme kann weiter Energie eingespart werden: Hier werden zentrale Komponenten wie Stromversorgung oder Netzwerk-Interfaces im Chassis von allen Einschub-Servern genutzt. Die Zahl dieser Komponenten ist also deutlich niedriger als bei Rack-Servern - und damit auch unter dem Strich der Energieverlust. Durch die bessere Auslastung der zentral bereitgestellten Bauteile, durch energiesparende Technologien und weitere Hardwaremaßnahmen lässt sich der Energiehunger der Server bei gleicher Leistung um bis zu 50 Prozent reduzieren. Zudem brauchen Blades weniger Platz als Rack-Server.

Problemkind unterbrechungsfreie Stromversorgung

Nicht nur Server benötigen oft mehr Energie als nötig. So weisen zum Beispiel ältere unterbrechungsfreie Stromversorgungen (USVs) in der Regel einen weniger guten Wirkungsgrad auf. Aber auch Speichersubsysteme können Energiefresser sein: 3,5-Zoll-Festplatten brauchen deutlich mehr elektrische Leistung als 2,5-Zoll-Platten, schwache Auslastungen senken auch beim Storage den Energiebedarf nur unwesentlich.

... es sei denn, heiße Luft heizt Büros

Auch umweltfreundliche Gebäudetechnik lohnt sich. Einige Möglichkeiten sind nicht neu, etwa optimale Luftführung im RZ durch Cold Aisle/Hot Aisle. Allerdings wird dieser Ansatz oft dadurch in seiner Wirksamkeit gemindert, dass zu viele oder nicht sauber verlegte Kabelstränge im Hohlboden die Kaltluftzufuhr behindern oder auch die Raumtemperatur zu kalt gewählt wird. Hier lässt sich mit einfachen Mitteln sparen. Doch muss das Ziel im Bereich der Gebäudetechnik nicht nur sein, die Abwärme möglichst effektiv abzuführen. Im Idealfall wird diese genutzt, um zum Beispiel angrenzende Bürogebäude zu heizen. Dazu müssen RZ und Büros jedoch nah beieinander liegen. Die Technologien dafür sind vorhanden und sollten auf ihre Anwendbarkeit hin untersucht werden. Bei der Neuplanung eines Rechenzentrums ist das heute ein Muss.

Vier Schritte zur Green IT - mit Virtualisierung beginnen

Diese vier Maßnahmen sind auch aus der Sicht von Marktbeobachtern wichtig, um den künftigen Anforderungen im RZ-Betrieb gerecht zu werden. So rät die Experton Group, zunächst das Thema Virtualisierung anzugehen. Ebenfalls bereits heute könne die Kühlung der Racks und Räume verbessert werden, etwa mit wassergekühlten Schränken. Als dritten Schritt empfehlen die Berater die Anschaffung effizienterer Hardware - nicht im Rahmen der normalen Beschaffungszyklen, sondern forciert. Allerdings muss vorher der Energiebedarf der alten und der neuen Systeme klar belegbar sein. Um die Energieaufnahme von Servern vergleichen zu können, stehen seit kurzem herstellerunabhängige Benchmarks bereit. Der vierte Schritt zur Effizienzoptimierung ist die Nutzung der Abwärme, wo es möglich und wirtschaftlich sinnvoll ist.

Um das RZ für die kommenden Jahre fit zu machen, darf das Thema Green IT nicht in punktuellen Projekten stecken bleiben, sondern muss in einen strategischen Rahmen mit klaren Zielen und validen Zahlen eingebettet werden. Diese Strategie beginnt damit, die Ist-Situation aufzunehmen. Allerdings: Welcher RZ-Leiter kennt die eigenen Stromkosten oder den aktuellen Energiebedarf der einzelnen Systeme? Doch ohne dieses Wissen sind keine belastbaren Aussagen möglich, welche Maßnahmen zur Effizienzsteigerung sinnvoll sind und welcher RoI zu erwarten ist. Hier gilt es, einen Bewusstseinswandel im Unternehmen einzuleiten. Die Initiative dazu muss aus dem Büro des CIO und von der RZ-Leitung kommen. Und dem Business-Management sollte klar sein, dass auch das Rechenzentrum signifikant zu den Energiekosten und damit zur CO2-Bilanz des gesamten Unternehmens beiträgt. (jm)