Strom stand in Rechenzentren und Serverräumen bislang meist einfach zur Verfügung – das Geld dafür spielte kaum eine Rolle. Mit steigenden Energie-preisen entwickeln sich die Ausgaben für Strom jedoch zu einem relevanten Faktor für die Kalkulation von Rechenzentren und Serverräumen.

Zurzeit liegen die Kosten um 1 kW für ein Jahr zu betreiben zwischen 1.000,– und 3.000,– Euro – je nachdem, ob globale TCO Betrachtung oder nicht. Be-rechnet man die Kosten über einen Zeitraum von zehn Jahren, kann durchaus ein Betrag von 30.000,– Euro bei 3 kW pro Rack bis 200.000,– Euro bei 20 kW pro Rack zu Stande kommen. Ein guter Grund, nach Einsparmöglichkeiten zu suchen – und das auf breiter Ebene: Schließlich verbrauchen Rechenzentren und Serverräume Schätzungen zufolge zwischen 2 und 5 Prozent der weltweit produzierten elektrischen Leistung. Wer es schafft diesen Wert zu verringern, spart nicht nur viel Geld sondern erspart auch der Umwelt eine Menge Belas-tung.

Verheizt statt genutzt

Der Energiefresser in Rechenzentren und Serverräumen ist schnell gefunden: Die aufgenommene elektrische Leistung wird zu nahezu 100 Prozent in Wärme umgewandelt. Die Definition des Wirkungsgrads von Rechenzentren und Ser-verräumen ist einfach: Die Effizienz eines Gerätes/Systems wird durch den An-teil der elektrischen Nutzleistung zur konsumierten elektrischen Leistung be-stimmt. Der An-teil der nutzbaren Leistung zur Gesamtleistung wird üblicher-weise als Prozentzahl dargestellt. „Nutzbar“ ist, was als das gewünschte Ergeb-nis für ein bestimmtes System erachtet wird. Das hängt nicht nur von der Art des Systems ab, sondern auch vom Kontext der Verwendung. Beispielsweise kann bei einer Glühbirne, die fünf Prozent Licht und 95 Prozent Wärme abgibt, von einem Wirkungsgrad von fünf Prozent als Glühbirne oder einem Wirkungs-grad von 95 Prozent als Heizkörper gesprochen werden, abhängig davon, ob sie als Lichtquelle oder Wärmequelle in einem Raum verwendet wird. Als „Nutz-produkt“ gilt somit alles, was unter den jeweiligen Umständen für das System Sinn ergibt. Im konkreten Fall bedeutet dies, dass Rechenzentren und Server-räume als elektrische Systeme modelliert werden müssen, deren „Gesamtleis-tung“ der Stromverbrauch vom Versorgungsnetz ist und deren „nutzbares Er-gebnis“ die Strommenge ist, die für die Datenverarbeitung bereitgestellt, das heißt, die tatsächlich an die IT-Geräte geliefert wird.

Optimaler Wirkungsgrad

Im Idealfall hätten Rechenzentren und Serverräume einen Wirkungsgrad von 100 Prozent. Dann würde die gesamte zugeführte Energie die IT-Geräte errei-chen. Diese müssen jedoch angemessen untergebracht, mit Strom versorgt, gekühlt und geschützt werden, damit eine ordnungsgemäße Datenverarbeitung möglich ist. In der Praxis wird die elektrische Energie auch von anderen Gerä-ten, die für den Betrieb von Rechenzentren und Serverräumen notwendig sind, verbraucht. Stromverbraucher sind zum Beispiel Transformatoren, unterbre-chungsfreie Stromversorgungen (USV), Verkabelung oder Lüfter. Einige dieser Geräte sind mit den IT-Geräten in Reihe geschaltet, hängen also am selben Strompfad, der sie mit Strom versorgt. Andere Geräte wie die Beleuchtung, Lüfter und Kompressoren sind mit den IT-Geräten parallel geschaltet, da sie zusätzliche Unterstützungsfunktionen in den Rechenzentren oder Serverräu-men übernehmen. Schnell wird klar, dass all diese „unterstützenden“ Syste-me – NCPI (physikalische Infrastruktur für hochverfügbare Netzwerke) ge-nannt – „Verlust“ produzieren, denn sie dienen nicht dazu, Daten zu verarbei-ten, sondern haben lediglich unterstützende Funktionen.

Wirkungsgrade effektiv steigern

Betrachtet man die NCPI-Komponenten, lässt sich deren Wirkungsgrad stei-gern durch:

• Lösungsorientierte Betrachtungsweise auf Basis eines gesamt technischen, technologischen also auch wirtschaftlichen Ansatzes.

• Die Dimensionierung der NCPI-Komponenten wird besser an die tatsächliche IT-Last angepasst, um einen optimalen Wirkungsgrad der Komponenten zu er-reichen.

• Neue Technologien zur Verringerung des Strombedarfs für NCPI-Komponen-ten werden entwickelt.

Der Wirkungsgrad von Rechenzentren und Serverräumen ergibt sich aus der Summe der Stromverbrauchsdaten aller IT-Geräte dividiert durch die Gesamt-leistungsaufnahme des Rechenzentrums oder Server-raums. In der Praxis ver-lassen sich viele IT-Verantwortliche jedoch bei großen Komponenten wie USV und Klimaanlagen auf die Herstellerangaben zum Wirkungsgrad. Hier sollten in jedem Fall auch die Teillastwirkungsgrade bzw. die auftretenden Verluste abge-fragt werden, um eine korrekte Beurteilung zu ermöglichen. Fehler in Modellen zur Wirkungsgradermittlung beruhen auf mehreren Ursachen: Zunächst gehen viele Planungen für Rechenzentren oder Serverräume von der Annahme aus, der Wirkungsgrad von Stromversorgungs- und Kühlanlagen sei konstant und unabhängig von der IT-Last. Tatsächlich jedoch ist bei sehr geringen Lasten der Wirkungsgrad fast Null. Schon durch die Steuerlogik von Geräten, die unab-hängig von der Last einen konstanten Strombedarf hat, kommt es zu Leerlauf-verlusten. Werden diese Geräte dann mit niedriger Last betrieben – wie dies bei den meisten Rechenzentren der Fall ist – ist der Anteil dieses Verlustes be-sonders hoch und der Wirkungsgrad bleibt niedrig. In der theoretischen Pla-nung werden die Stromversorgungs- und Kühlkomponenten nahezu mit der projektierten Auslastung betrieben. Dass dies in der Praxis nicht funktioniert hat mehrere Gründe:

• Die IT-Last des Rechenzentrums (Auslastungsgrad) liegt weit unter der Nenn-leistung der versorgenden NCPI-Geräte.

• Die versorgende Infrastruktur wurde absichtlich überdimensioniert, um einen Sicherheitsspielraum z.B. für Erweiterungen zu erhalten.

• Die Komponente wurde im Verbund mit gleichen oder ähnlichen Komponen-ten in einer hochverfügbaren, redundanten N+1- oder 2N-Konfiguration ge-nutzt.

• Die Komponente wurde überdimensioniert, um eine höhere Lastflexibilität zu erhalten.

Eine weitere wichtige Fehlerquelle bei der Modellierung des Wirkungsgrads von Rechenzentren und Serverräumen besteht in der Annahme, dass die Abwärme von Stromversorgungs- und Klimaanlagen (Wirkungsgradverlust) lediglich ei-nen unbedeutenden Anteil an der IT-Last ausmacht und daher ignoriert werden kann. Tatsache ist jedoch, dass kein Unterschied zwischen der Abwärme der Stromversorgungs- und Klimaanlagen in einem Rechenzentrum oder Server-raum und der Abwärme der IT-Geräte besteht. In beiden Fällen muss die Ab-wärme von einem Kühlsystem abgeleitet werden. Dies bedeutet eine zusätzli-che Belastung für das Kühlsystem. Daraus ergibt sich die Notwendigkeit einer Überdimensionierung mit den daraus resultierenden zusätzlichen Wirkungsgrad-verlusten. Um diese Verluste korrekt quantifizieren zu können, muss die Kühl-last sowohl die IT-Geräte als auch sämtliche Stromversorgungs- und Kühlvor-richtungen berücksichtigen, die sich in dem klimatisierten Bereich befinden.

Das effizientere Modell

Wer die Fallstricke und Denkfehler kennt, mit denen Rechenzentren und Ser-verräume häufig konzipiert und betrieben werden, kann diese leicht vermeiden und Lösungen mit höherer Effizienz entwickeln. Dabei sind folgende Punkte zu beachten:

• Die Modellierung der Komponenten muss unter Einbeziehung des Leerlauf-verlustes erfolgen.

• Die Minderauslastung aufgrund von N+1- oder 2N-Architekturen wird mit ein-bezogen.

• Die Kühllast ist die Summe der Abwärme-Daten der IT-Systeme und der in-ternen Stromversorgungs- und Kühleinheiten.

• Für eine gegebene Installation in Rechenzentren oder Serverräumen wird der Wirkungsgrad als eine Funktion der Last grafisch dargestellt, wobei vorausge-setzt wird, dass typische Rechenzentren und Serverräume weiter unter ihrer Nennleistung betrieben werden.

Die praktische Umsetzung des Modells ist einfach und sieht folgendermaßen aus: Zunächst gilt es die durchschnittliche Überdimensionierung für jede Art von Stromversorgungs- oder Kühlkomponente zu ermitteln. Dabei sind die Fak-toren Lastflexibilität und Redundanz zu berücksichtigen. Dann sind für jede Komponentenart die Betriebsverluste zu ermitteln – unter Berücksichtigung von Eingangsleistung, Anteil an der Gesamtleistung für die Komponentenart auf Basis von Überdimensionierung und Leerlaufverlust. Des Weiteren ist der Verlust zu ermitteln, der aufgrund der Kühlung von Stromversorgungs- und Kli-maanlagen im Rechenzentrum oder Serverraum durch das Kühlsystem anfällt. Anschließend werden alle Verluste addiert und als eine Funktion der IT-Last be-rechnet und dargestellt.

Optimierung durch korrekte Dimensionierung

Der mangelnde Wirkungsgrad von Rechenzentren lässt sich primär auf die Überdimensionierung und auf veraltete USV-Technologien zurückführen. Da-raus ergibt sich, dass skalierbare, an die IT-Last anpassbare Lösungen ein spürbares Potenzial für die Verringerung von unnötigem Stromverbrauch und übermäßigen Kosten bieten. Besonders wirksam ist die korrekte Dimensionie-rung zusammen mit der Virtualisierung der IT-Geräte und einer deutlich ver-besserten Warmluftführung zwischen den IT-Geräten und den Kühl- und Klima-anlagen und damit erzielbarer Trennung zwischen Warm- und Kaltluft. Was da-raus folgt, sind sehr hohe Einsparmöglichkeiten, die sich auf der Stromrech-nung deutlich bemerkbar machen.

Andreas Veltkamp

Diesen Artikel finden Sie auch in der Ausgabe Juli/August 2008 des it security.