Mit ganzheitlichem Management zu energieeffizienterer IKT / 18.07.2014

Green IT: Rechenzentren können die Hälfte des Stroms sparen

Modular aufgebautes, standardisiertes Rechenzentrum „RiMatrix S“ im Container: Das neue Klimatisierungskonzept wurde im Zusammenhang mit dem Projekt AC4DC entwickelt. © Rittal

Ohne Einschränkungen für die Nutzer kann ein Rechenzentrum mit einem um die Hälfte reduzierten Stromverbrauch betrieben werden. Das ist erreichbar durch eine ganzheitliche Konzeption und Steuerung aller Bausteine des Systems. Zu diesem Ergebnis kamen die Experten, die im Ende Juli abgeschlossenen Forschungsprojekt AC4DC (Adapative Computing for Green Data Centers) Methoden zur Optimierung des Energieverbrauchs von Rechenzentren untersuchten.

Auf der AC4DC- Abschlussveranstaltung erklärte Projektkoordinator Bernd Hanstein vom Anlagenhersteller Rittal: „Die ganzheitliche Betrachtung zeigt, dass ein Rechenzentrum bis zu 50 Prozent Energie einsparen kann – und damit auch erheblich zur Senkung des CO2-Austoßes und der Kosten beitragen kann. Rechenzentren müssen dabei so optimiert werden, dass nicht nur die IT-Dienstleistungen bedarfsgerecht bereitgestellt werden. Auch die dafür notwendigen Ressourcen müssen energieeffizienter betrieben werden.“
Bis zur Hälfte der Energie kann eingespart werden, wenn alle Bausteine des Systems Rechenzentrum optimal aufeinander abgestimmt werden. Das schließt die bedarfsorientierte Dimensionierung und Softwarekonfiguration der Server, Speicher und Netzwerkgeräte sowie der Kühlsysteme und Stromabsicherung ein.

Rechenzentren sind Stromfresser

Rechenzentren zählen in der Informations- und Kommunikationstechnik (IKT) zu den größten Stromverbrauchern. Gemäß einer Untersuchung des Borderstep-Instituts verbrauchten die etwa 2,4 Millionen Server in Deutschland im Jahr 2012 rund 9,4 Terawattstunden Strom. Das entspricht etwa der Stromproduktion von vier mittelgroßen Kohlekraftwerken.

Trotz Effizienzverbesserungen wächst der Energiebedarf im IKT-Bereich, denn der Datenverkehr steigt weltweit weiter rapide an. In seiner aktuellen Schätzung stellt der IT-Konzern Cisco fest, dass sich der weltweite IP-Verkehr in den letzten 5 Jahren mehr als verfünffacht hat. Für die Zeit von 2013 bis 2018 wird eine jährliche Steigerung um 21 % vorhergesagt.
Um den steigenden Bedarf an IT-Leistung zu decken, werden zusätzliche Rechenzentren benötigt. Diese sollen durch moderne Technik und ganzheitliches Management so effizient wie möglich funktionieren.

Als Ursache für den hohen Strombedarf von Rechenzentren nannten die Forscher vor allem eine immer höhere Leistungsdichte, isoliert optimierte Einzelsysteme sowie ungenutzte Kapazitäten. Auf der Suche nach Einsparmöglichkeiten analysierten sie Endgeräte, Rechenzentren einzeln und im Verbund als Gesamtsystem. Ihr Ziel: Den Energieverbrauch und die Kosten für den Betrieb eines IKT-Systems aus Nutzern, Endgeräten (PCs), Rechenzentren, Datennetzen und Energieversorgern ganzheitlich zu optimieren. Sie nutzten dafür neu entwickelte Methoden, um Rechenlast, Infrastruktur und Daten zu managen - sowohl innerhalb eines Rechenzentrums als auch rechenzentrums-übergreifend und unter Einbeziehung der Kapazitäten von Endgeräten.

Übergreifendes Managementkonzept erschließt hohes Einsparpotenzial

Die neuen ganzheitlichen Konzepte wurden prototypisch implementiert und bei Rechenzentrumsbetreibern, z. B. beim Zweckverband Kommunale Datenverarbeitung Oldenburg(KDO),   getestet. Das Optimierungskonzept berücksichtigte Nutzerverhalten, ökonomische Anforderungen, standortbezogene Parameter sowie Energie- und Materialeinsparpotenziale. Die Methoden zielen dabei auf die Server, deren Verbindungsstrukturen, die Datenspeicher, die Klimatisierung und die Energiespeicherung in den Rechenzentren sowie auf Arbeitsplatzrechnern in angeschlossenen öffentlichen und privaten Verwaltungen ab. Diese Bereiche machen zusammen etwa 23% des Energiebedarfs der IKT in Deutschland aus, das entspricht 13 Terawattstunden pro Jahr.

Last- und Powermanagement

Gegenüberstellung des Energieverbrauchs eines nicht optimierten Rechenzentrums mit dem durch Einsatz eines Last- und Powermanagements erreichbaren Wert. © OFFIS

 

Das neu entwickelte Last- und Powermanagement (LPM) für Server und Dienste passt die Zahl der aktiven physikalischen Server an den tatsächlichen Ressourcenbedarf der Dienste an. Es steuert zum Beispiel die Live-Migration von Diensten und das Abschalten nicht benötigter Server. Kenntnis des Nutzerverhaltens erleichtert es, immer die benötigten Ressourcen (Server) vorhalten zu können.

Für die Nutzung eines LPM müssen die Server in einer virtualisierten Umgebung betrieben werden und die Dienste in virtuelle Maschinen (VM) gekapselt sein. Durch Live Migration lassen sich VM unterbrechungsfrei zwischen Servern verschieben, das ermöglicht ein dynamisches Management von Diensten. In einer Testumgebung aus acht Blade-Servern auf denen VM betrieben wurden, konnten – verglichen mit dem nicht-optimierten Betrieb - 57 % der für den Server-Betrieb benötigten Energie eingespart werden.

Die Bausteine der standortbezogenen Optimierung:

  • Effiziente unterbrechungsfreie Stromversorgung (USV), Kälteerzeugung und EC-Lüfter im Klimasystem
  • Strömungstechnisch optimierte Rohrleitungssysteme und Komponenten-Anordnung
  • Hohe Vorlauftemperaturen
  • Ganzheitliche Regelung

Rechenzentren-übergreifende Optimierung

Neben der Optimierung eines einzelnen Rechenzentrums untersuchten die beteiligten Firmen auch, wie ein RZ-Verbund möglichst energie- und gesamtkostensparend betrieben werden kann. Unter anderem entwickelten sie eine neue, modulare RZ-Architektur mit spezieller Berücksichtigung der Klimatisierung. Eine automatische Regelung stellt den optimalen Arbeitspunkt der RZ-Infrastruktur ein.

Einsparungen durch dezentrales Cloud-Backup

Mit einem neu entwickelten Verfahren können nicht genutzte lokale Speicherbereiche – z.B. von Desktop-Rechnern – in Ergänzung mit externem Cloud-Storage als Backup-Archive genutzt werden. Dafür werden die zu speichernden Dateien in der Größe normiert, verschlüsselt, redundant codiert und auf verschiedene Speicherorte abgelegt.

Die neu entwickelten Tools zur Nutzung lokaler Festplattenkapazitäten als Backup-Archiv für KMUs werden z.Zt. in einer Pilot-Anwendung an der Universität Paderborn getestet.

AC4DC ist eines von zehn Projekten des Technologieprogramms „IT2Green – Energieeffiziente IKT für Mittelstand, Verwaltung und Wohnen“ des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie. Auf Grundlage der Forschungsergebnisse in den Projekten wurde der Green IT-Leitfaden “Energieeffiziente IKT in der Praxis“ entwickelt. Er zeigt, wie sich Energiespar-Maßnahmen in Rechenzentren und an Büroarbeitsplätzen umsetzen lassen.
Bei Green IT hat die Bundesverwaltung Maßstäbe gesetzt: Sie hat von 2008 bis 2013 den Energieverbrauch ihrer IT um 40 Prozent reduziert.

Mehr zum Projekt

Verbundprojekt: AC4DC - Adaptive Computing for Green Data Centers

Abschlussbericht ist erhältlich als externer Download von der TIB Hannover.

Projektleitung

Rittal GmbH & Co. KG -Forschung und Grundlagenentwicklung
Bernd Hanstein,
Tel. 02772 505-0

Projektbeteiligte:

Geschäftsmodelle:
Borderstep Institut für Innovation und Nachhaltigkeit gemeinnützige GmbH 

Softwareentwicklung:
OFFIS e. V. -Forschungsbereich Energie -Gruppe EEI

Erprobung:
Zweckverband Kommunale Datenverarbeitung Oldenburg(KDO)

Integration:
BTC IT Services GmbH

Methodenentwicklung:
Universität Paderborn – Fakultät für Elektrotechnik, Informatik und Mathematik – Fachgruppe Entwurf paralleler Systeme

Laufzeit:

2011 – 2014

Förderkennzeichen:

01ME11047-51