2008 zl Green IT Gruene IT Dell Netzteile für das grüne Rechenzentrum

Hier geht es nicht um Peanuts: Netzteile tragen bis zu einem Fünftel des Energieverbrauchs von Servern in Rechenzentren bei. Durch ein besseres Design kann der Wirkungsgrad deutlich gesteigert und der Energiebedarf gesenkt werden. In Kombination führt dies zu niedrigeren Total Costs of Ownership.

Steigende Energiekosten für Server und Kühlung lassen in vielen Rechenzentren und nicht zuletzt bei den IT-Controllern die Alarmglocken schrillen. Würde sich der Trend der letzten Jahre fortsetzen, stiege der Stromverbrauch von Servern bis 2010 um 40 Prozent. Ein sparsamer Umgang mit Energie ist in der IT daher eine Notwendigkeit. Speziell in Rechenzentren mit ihren Dutzenden von Servern ergeben sich große Einsparpotenziale – nicht zuletzt wegen einer mangelhaften Effizienz einzelner Systemkomponenten.

Laut Dell-Analysen im eigenen Data Center entfällt der größte Anteil am Energieverbrauch auf die IT-Anlagen (41 Prozent), gefolgt von Belüftung, Heizung, Klimatisierung (31 Prozent) und schließlich den Leitungsverlusten (28 Prozent). Anders betrachtet: Nur 41 Prozent der zugeführten Energie wird für den Betrieb des IT-Equipments eingesetzt, die restlichen 59 Prozent für andere Zwecke. Der Wirkungsgrad von 41 Prozent ist auf den ersten Blick nicht hoch. Verglichen mit anderen Studien aus den USA, bei denen ein Effizienzgrad von 30 Prozent ermittelt wurde, ist dies jedoch durchaus beachtlich. So bringt es beispielsweise ein mit Kohle betriebenes Wärmekraftwerk auf einen Wirkungsgrad zwischen 25 und 45 Prozent.

Beim IT-Equipment sind die Server (63 Prozent) die größten Energieverbraucher. Es folgen Storagesysteme (22 Prozent) und Kommunikationseinrichtungen (15 Prozent). Innerhalb der Server weisen die CPUs mit 31 Prozent den größten Energieverbrauch auf. Den nächst größeren Einzelposten bilden die Netzteile mit immerhin 20 Prozent. Der wichtigste Punkt dieser Bestandsaufnahme: Wer den gesamten Energieverbrauch im Rechenzentrum reduzieren will, muss durchaus bei den einzelnen Faktoren ansetzen. Dies gilt beispielsweise für Netzteile.

Bislang war es gängige Praxis, ein völlig gleichartiges Netzteildesign für die unterschiedlichsten Serverkonfigurationen und -modelle einzusetzen. Im Vordergrund stand hier der Einkaufspreis, auf Energieeffizienz wurde weniger geachtet. Netzteile wurden in großen Mengen beschafft und die Einsparungen haben sich in der Regel positiv im Preis der Server niedergeschlagen.

Die noch immer weit verbreiteten Design-Guidelines sehen vor, dass Netzteile eine Vielzahl von Konfigurationen und Belastungsanforderungen unterstützen können. Ein Dell PowerEdge 2950 lässt sich so mit unterschiedlichen CPUs, Hauptspeichermodulen und Festplatten konfigurieren, dass sich bei der Energieaufnahme eine Differenz von bis zu 480 W ergibt. In der minimalen Konfiguration beträgt der Energieverbrauch 60 W, in der maximalen 540 W.

Was das obere Leistungsspektrum angeht, gelten die Werte für den Energieverbrauch nicht nur für Dell. Selbst dann, wenn man unterschiedliche Lieferanten einzelner Komponenten berücksichtigt, zeigt sich, dass sich die veröffentlichten Angaben anderer Serverhersteller nicht sehr stark von den Dell-Werten unterscheiden. Die Optimierung des Energieverbrauchs ist demnach eine Sache aller Hersteller und nicht nur die eines einzelnen Anbieters.

Statt viele Systeme über eine Kamm zu scheren, kommt es nun darauf an, Netzteile so flexibel als möglich zu designen und einzusetzen. Wo die Effizienz von Netzteilen zur Disposition steht, hilft die Analogie mit dem Verbrennungsmotor in einem Auto weiter. Ähnlich wie ein Auto, das auch beim Stopp an einer Ampel Benzin verbraucht, benötigt auch ein Netzteil immer eine gewisse Stromzufuhr, um betriebsbereit zu sein. Bei höheren Anforderungen nimmt auch die Effizienz zu. Genauer: Der Energieverlust wird gemessen am gesamten Energieverbrauch prozentual geringer, wobei sich die höhere Effizienz als Verhältnis des Energieverbrauchs zum Energieverlust ergibt. Arbeitet ein Netzteil unterhalb einer hohen Auslastung – etwa in einem nur minimal konfigurierten oder gerade untätigen Server – ist der Energieverlust prozentual berechnet höher und die Effizienz nimmt ab. Näher erläutert werden diese Zusammenhänge im Kasten »Redundanz und die Folgen für den Energieverbrauch«.

Damit man hier bessere Werte erzielt, arbeitet Dell in diesem Zusammenhang mit einer Reihe von Netzteilherstellern wie Artesyn Technologies, Delta Electronics oder Astec Power zusammen. So lassen sich etwa durch neue Materialzusammensetzungen für Bauteile, geänderte logische Schaltkreise oder auch Transistoren mit einem geringeren Widerstandsverlust auch die Energieverluste verringern. Das mittelfristige Ziel: Die Netzteile erreichen eine Effizienz von 80 Prozent. Bis 2010 soll dieser Wert noch einmal um einige Prozentpunkte auf dann mehr als 90 Prozent gesteigert werden.

Um diese Vorgaben in die Realität zu erreichen, haben sich in den USA Vertreter der IT-Industrie und Umweltschutzorganisationen zusammengetan und die Climate Savers Computing Initiative (www.climatesaverscomputing.org) angekündigt. Technologisch gesehen wird man recht bald in der Lage sein, eine Effizienz von 90 Prozent zu erzielen. Da bislang die Materialien für Schaltkreise doch noch recht teuer sind, wird sich das allerdings auch in höheren Preisen für innovative Netzteile niederschlagen. Unter der Annahme weiter steigender Stromkosten sollten sich jedoch die anfänglich höheren Investitionskosten neuer Netzteile im Laufe der Zeit dennoch amortisieren – mit Hilfe weiterer stromsparender Komponenten ergeben sich in Folge dementsprechend rückläufige Total Cost of Ownership. Das gilt natürlich um so mehr, wenn weitere Serverkomponenten in die Betrachtung einbezogen werden, etwa stromsparende Prozessoren, Chipsets oder auch Festplatten. So verbrauchen beispielsweise 2,5-Zoll-SAS-Platten rund 30 Prozent weniger Strom als gängige SCSI-Laufwerke.

Redundanz und die Folgen für den Energieverbrauch

Server für den Rechenzentrumsbetrieb mit redundanten Netzteilen zu konfigurieren gehört längst zur gängigen Praxis: Fällt das eine Stromversorgungsgerät aus, kann auf das andere umgeschaltet werden. Wichtig ist dies dort, wo es auf eine hohe Verfügbarkeit von Standard-Servern ankommt. Diese Redundanz hat jedoch direkte Auswirkungen auf den Energieverbrauch. Da die Netzteile bei einer niedrigeren Auslastung weniger effizient arbeiten, reduziert sich infolge einer gemeinsamen Nutzung des vorhandenen Potenzials der kombinierte Wirkungsgrad. In einer Situation, in der 200 W benötigt werden, könnte ein für 800 W ausgestattetes Netzteil die gesamten 200 W alleine »schultern«. Das entspricht einem Viertel seiner Kapazität. Kommt ein zweites identisches Stromversorgungsgerät dazu, werden die 200 W gleichmäßig aufgeteilt. Demnach arbeiten beide Systeme dann mit 12,5 Prozent ihrer Kapazität. Messergebnissen von Dell zufolge beträgt der Wirkungsgrad bei einer 25-prozentigen Auslastung und einem einzelnen Netzteil rund 80 Prozent, bei einer 12,5-prozentigen Auslastung zweier Systeme sinkt der Wirkungsgrad (die Effizienz) dagegen auf nur noch 60 Prozent – und dies bei einem höheren Energiebedarf. Auch wenn Laborumgebungen, in denen Dell diese Werte ermittelt hat, nicht unbedingt die Realität in den Rechenzentren widerspiegeln, haben sich der Trend und die Größenordnung des zusätzlichen Energieverbrauchs dennoch im Echtzeitbetrieb bei Anwendern bestätigt. Hohe Verfügbarkeit bei redundanten Netzteilen geht also zu Kosten des Energieverbrauchs. Im Einzelfall ist sicherlich abzuwägen, welches der beiden Ziele Vorrang hat.

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