Der CO2-Ausstoß der Informations- und Telekommunikationstechnologie-Branche wird mit dem Niveau des weltweiten Flugverkehrs verglichen, der immerhin ca. 2% des weltweiten CO2-Ausstoßes ausmacht. Um diese Belastung kompensieren zu können, müssten 60 Milliarden Bäume gepflanzt werden. Zehn Terawatt, soviel Energie verbrauchten alle deutschen Server- und Rechenzentren im Jahr 2008 (Franz, et al., 2009).
Der stetig ansteigende Speicherplatzbedarf und der zunehmende Leistungsverbrauch immer leistungsfähigerer IT-Systeme führen zu einem deutlichen Anstieg der Strom- und damit der Betriebskosten.
Bis zum Jahr 2004 waren die Anschaffungskosten und die Betriebskosten aneinander gekoppelt. Seit dem Jahr 2004 sind die Betriebskosten entkoppelt und stiegen seitdem jährlich um mehr als 20 Prozent an. Ohne Zweifel steht fest, dass die Rechenleistung weiterhin steigen wird und mit ihr auch der Energieverbrauch.
Der mittlere Leistungsbedarf betrug im Jahr 2001 durchschnittlich 100 Watt pro Server, im Jahr 2006 waren es schon 400 Watt. Die Anzahl der installierten Server hat sich vom Jahr 2000 bis 2005 verdoppelt (Koomey, 2007). Neuerdings wird die hohe Energiedichte durch die so genannte Blade-Center-Technologie verursacht, die bis zu 30 kWatt pro Rack ausmachen kann.
Die Weltwirtschaftskrise brachte neue Herausforderungen mit sich, wie Maßnahmen zur Kosteneinsparung und Erhöhung der betrieblichen Effizienz. Noch nie waren die Rechenzentrumsmanager so sehr gezwungen, ihnen zur Verfügung stehende Budgets möglichst effizient zu nutzen. Laut einer Umfrage des Aperture Research Institute (ARI), prognostizieren mehr als die Hälfte der befragten Manager eine Stagnation des ihnen zur Verfügung stehenden Budgets (Aperture Research Institute, 2009). Das hat den indirekten Vorteil, dass das Bestreben nach Lösungen, welche laufende Betriebskosten senken sollen, umso größer ist. Durch den geringeren Stromverbauch sinken die Betriebsausgaben.
Aufgrund der fehlenden Messtechnik in Rechenzentren lässt sich nicht genau feststellen, wo der heißeste Serverschrank steht und ob die Umgebungstemperaturverläufe im Sollwertbereich liegen. Das erschwert nicht nur den Klimatechnikingenieuren, Maßnahmen für einen optimalen Betrieb zu finden, sondern auch den Rechenzentrumsbetreibern einen optimalen Betrieb für das Klimaprogramm zu fahren.
Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung
1.1 Einführung in das Thema
1.2 Ziele der Diplomarbeit
2 Grundlagen
2.1 Das Rechenzentrum und seine Infrastruktur
2.1.1 Empfehlungen, Normen und Richtlinien
2.1.2 Roh- und Innenausbau
2.1.3 Die Stromversorgung
2.1.3.1 Elektrische Energieversorgung
2.1.3.2 Unterbrechungsfreie Stromversorgung (USV)
2.1.4 Sicherheits- und Brandmeldetechnik
2.2 IT-Technik
2.2.1 Serverschrank
2.2.2 Leistungsverbrauch der IT-Infrastruktur
2.2.3 Server
2.2.4 Storage
2.2.5 Network
2.2.6 Thin-Clients
2.3 Einsparpotentiale im Rechenzentrum
2.3.1 Klima- und Lüftungsanlage
2.3.2 Optimierung auf der IT-Ebene
2.3.2.1 Leistungsfähigere IT
2.3.2.2 Virtualisierung
2.3.2.3 Cloud Computing
2.3.2.4 Power Capping
3 Managementsysteme der IT
3.1 Kapitelaufbau
3.2 Konfigurationssoftware für die EDV-Ausstattung
3.2.1 Die Funktionalität des Programms
3.2.2 Begriffserklärung zu den Programmparametern
3.2.3 Vorstellung der drei unterschiedlichen Tools von HP
3.2.4 Praxisbeispiel anhand des HP Power Calculators
3.2.5 SPECpower_ssj2008
3.2.6 Weitere Konfigurationsprogramme
3.3 Integriertes Systemmonitoring
3.3.1 Funktionsbeschreibung
3.3.2 Herstellerabhängige Überwachung der Server
3.4 Energieüberwachungssysteme
3.4.1 Allgemeine Beschreibung
3.4.2 Messstellenverteilung
3.4.3 Vorstellung der Messgeräte nach Messstellen
3.5 Management-Software
3.5.1 Konzepte und Anforderungen
3.5.2 Kurzvorstellung ausgewählter Management-Software
3.5.3 Merkmalübersicht
4 Bewertung bestehender Messsysteme
4.1 Gegenüberstellung
4.2 Kostenvergleich für ein Demorechenzentrum
5 Lösung zur Optimierung des Energiebedarfs
5.1 Allgemeine Vorgaben des Rechenzentrums
5.2 Analyse aus klimatechnischer Sicht
5.3 Möglichkeiten der Luftmengenanpassung
6 Zusammenfassung
6.1 Allgemeine Schlussfolgerung aus der Arbeit
Zielsetzung & Themen
Diese Arbeit zielt darauf ab, bestehende Messsysteme zur Erfassung des Energieverbrauchs in Rechenzentren zu identifizieren und einer fachlichen sowie wirtschaftlichen Bewertung zu unterziehen. Durch die Analyse der Ist-Situation und den Einsatz geeigneter Überwachungstechnologien sollen konkrete Optimierungslösungen für den Energiebedarf, insbesondere unter klimatechnischen Aspekten, abgeleitet und implementiert werden.
- Analyse der Energieeffizienz-Infrastruktur im Rechenzentrum
- Einsatz von Konfigurations- und Management-Software zur Verbrauchsplanung
- Methodik der Messstellenverteilung für ein präzises Energiemonitoring
- Bewertung verschiedener Messsysteme nach Betreiberanforderungen und Kosten
- Praktische Implementierung von Luftmengenanpassungen zur Optimierung der Kühlung
Auszug aus dem Buch
2.1.1 Empfehlungen, Normen und Richtlinien
Zahlreiche Empfehlungen, Normen und Richtlinien unterstützen den Ingenieur bei der Planung und Umsetzung von Rechenzentren. Eine Auswahl hierüber gibt die untere Übersicht:
I. Kriterien für die Verfügbarkeit und Sicherheit
• TIA-942 (Telecommunications Infrastructure Standard for Data Centers) herausgegeben von Uptime Institute: Die Komponenten von TIA-942 sind: Flächenaufteilung und RZ Layout, Kabelführung, mehrstufige Sicherheit und Verfügbarkeit
• BSI (Bundesamt für Sicherheit und Informationstechnik): Hochverfügbarkeitskompendium 2009 mit sechs Stufen
II. Parameter für die Energieeffizienz
• TÜV Rheinland: Kriterienkatalog zum Nachweis eines energieeffizienten Rechenzentrums. Es wird darauf geprüft, ob geeignete Instrumente zum Analysieren und Überwachen vorhanden sind und ob der festgelegte Energieeffizienzgrad erreicht worden ist.
• EU (Europäische Union) – Code of Conduct on Data Centers Energy Efficiency V1.0.; ist darauf ausgerichtet, den Energiehaushalt durch das Monitoring und Einsatz effizienter Infrastruktur in Rechenzentren zu senken
III. Klima- und Lüftungstechnik
• Ashrae (American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers) ist ein Berufsverband in den USA. Es veröffentlicht unter anderem auch Normen und Richtlinien im Bereich Klimatechnik, auf die in Bauordnungen Bezug genommen wird
• VDI (Verein Deutscher Ingenieure) 2054: enthält Empfehlungen, die beim Erstellen von raumlufttechnischen Anlagen für die Datenverarbeitungsräume zu beachten sind
Zu Punkt I: Die Verfügbarkeit eines Rechenzentrums ist als äußerst wichtig einzustufen, da ein Server bereits nach 30 ms ohne Strom ausfällt. Jede Ausgefallstunde kostet den RZ-Betreibern, je nach Branche, bis zu 400.000 US-Dollar (AMR Research Schätzung). Die Verfügbarkeit lässt sich anhand der Zeit, in der ein System tatsächlich betriebsbereit ist, mit der Gleichung (2.2) berechnen.
Zusammenfassung der Kapitel
1 Einleitung: Diese Einleitung beleuchtet den steigenden Energieverbrauch in Rechenzentren sowie die Notwendigkeit von Messsystemen zur Kostensenkung.
2 Grundlagen: Hier werden die essenziellen Komponenten eines Rechenzentrums, von der Stromversorgung bis zur Klimatechnik, sowie aktuelle Einsparpotenziale dargestellt.
3 Managementsysteme der IT: Dieses Kapitel detailliert Konfigurationssoftware, Systemmonitoring und spezifische Energieüberwachungssysteme für die IT-Infrastruktur.
4 Bewertung bestehender Messsysteme: Eine vergleichende Analyse der vorgestellten Messsysteme hinsichtlich ihrer Funktionalität, Genauigkeit und Wirtschaftlichkeit wird hier durchgeführt.
5 Lösung zur Optimierung des Energiebedarfs: Basierend auf einem Demorechenzentrum werden konkrete Möglichkeiten zur Luftmengenanpassung und energieeffizienten Kühlung erarbeitet.
6 Zusammenfassung: Das Fazit fasst die zentralen Erkenntnisse über die Notwendigkeit präziser Messdaten und Optimierungsprozesse zur Steigerung der Energieeffizienz zusammen.
Schlüsselwörter
Energiemonitoring, Rechenzentrum, IT-Infrastruktur, Energieeffizienz, Power Usage Effectiveness (PUE), Klimatechnik, Servervirtualisierung, Power Capping, IPMI, Messsysteme, Lastmanagement, Luftvolumenstrom, Betriebskosten, Nachhaltigkeit, Konfigurationssoftware
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Arbeit grundsätzlich?
Die Diplomarbeit befasst sich mit der Analyse, Überwachung und Optimierung des Energieverbrauchs in Rechenzentren durch den gezielten Einsatz von Monitoring-Systemen.
Welches sind die zentralen Themenfelder der Untersuchung?
Die Arbeit behandelt die Infrastruktur von Rechenzentren, IT-Konfigurationstools, Energiemessstellen, Management-Software sowie klimatechnische Optimierungsmaßnahmen.
Was ist das primäre Ziel oder die Forschungsfrage?
Das Ziel ist es, auf dem Markt verfügbare Messsysteme zu identifizieren, diese fachlich zu bewerten und basierend darauf Optimierungslösungen zur Senkung des Energiebedarfs zu erarbeiten.
Welche wissenschaftliche Methode wird primär verwendet?
Es werden Literaturanalysen, der Vergleich technischer Spezifikationen, eigene Praxistests an Serverhardware sowie Wirtschaftlichkeitsberechnungen für verschiedene Szenarien angewandt.
Was wird im Hauptteil der Arbeit behandelt?
Der Hauptteil gliedert sich in die theoretischen Grundlagen des Rechenzentrumsbetriebs, die detaillierte Vorstellung und Bewertung verschiedener Hard- und Softwarelösungen zum Monitoring sowie ein konkretes Fallbeispiel zur Optimierung.
Welche Schlüsselwörter charakterisieren die Arbeit am besten?
Die wichtigsten Begriffe umfassen Energiemonitoring, PUE-Wert, IT-Virtualisierung, Power Capping, klimatechnische Effizienz und Messstellenverteilung.
Wie unterscheidet sich "Basic Power Capping" von "Dynamic Power Capping"?
Das Basic Power Capping agiert langsamer (Intervall alle 5-30 Sekunden) und wird über das System-BIOS gesteuert, während Dynamic Power Capping durch eine direkte Hardware-Verbindung zum Prozessor extrem schnell (<0,5 Sekunden) reagieren kann.
Welche Rolle spielt die "Kaltgangeinhausung" für die Energieeffizienz?
Durch die bauliche Abschottung wird die Vermischung von warmer Abluft und kühler Zuluft verhindert, was eine deutlich effizientere Kühlung der IT-Geräte ermöglicht und die Energieaufnahme der Klimaanlagen reduziert.
Warum ist das "Integrierte Systemmonitoring" (IPMI) so relevant für Administratoren?
IPMI ermöglicht den Fernzugriff auf Serverdaten wie Temperatur und Spannung sowie deren Steuerung, selbst wenn das Betriebssystem abgestürzt ist oder der Server ausgeschaltet wurde.
- Citar trabajo
- Dipl.-Ing. (FH) Vitalij Warkentin (Autor), 2010, Energiemonitoring und Optimierung des Energiebedarfs im Rechenzentrum, Múnich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/158017
