Laut IDC verwenden Unternehmen mehr als 60 Prozent ihres IT-Budgets für das Verwalten von IT-Systemen. Darüber hinaus steigen von Jahr zu Jahr die Stromkosten für den Betrieb von IT-Infrastrukturen. Dabei verschlingt nicht nur der Betrieb von Servern Geld, sondern es fallen auch enorme Kosten für die Klimatisierung an. Nichts liegt da näher, als diesen Parameter möglichst zu minimieren. Das erfordert aber neue Technologien in Racks, Servern und Server-Räumen beziehungsweise Rechenzentren.
Auf der Rack-Ebene stellen Unternehmen Lösungen vor, mit denen der IT-Verantwortliche seine Infrastruktur optimal und kostengünstig verwalten kann. Eine zentrale Rolle spielen dabei das automatische Monitoring der vorhandenen IT-Systeme und deren elektrischen Leistungsparameter. Dies vereinfacht zum Beispiel die Inventarisierung dieser Komponenten und hilft dem Administrator, die Rechenleistung optimal auf andere Systeme zu verteilen, um etwa unerwünschte Hotspots zu vermeiden.
Auf der Ebene der Server sind die CPU- und Chipsatz-Hersteller gefragt, um diese Komponenten möglichst energieeffizient zu konzipieren. Mit der neuen Nehalem-Xeon-Architektur für Prozessoren und dem neuen Tylersburg-Chipsatz ist es Intel zum Beispiel gelungen, in diese Richtung einen großen Schritt vorwärts zu kommen. So hat der Hersteller die Energieeffizienz der neuen Systeme um den Faktor 2 gegenüber den Vorgängersystemen gesteigert. Darüber hinaus hat Intel neue Management-Funktionen in den 5520-Chipsatz (Tylersburg-36D) integriert.
In Server-Räumen und Rechenzentren sind enorme Optimierungsmöglichkeiten in Bezug auf IT-Management und Energie vorhanden. So bieten Unternehmen wie Rittal oder APC bereits Management-Lösungen für Rechenzentren an, die die Kontrolle der Energieversorgung zentralisieren und die Verteilung der Rechenleistung über das Rechenzentrum hinaus regeln können. Zusätzlich werden neue Konzepte für die Klimatisierung und die Energieversorgung von Rechnerräumen entwickelt. In unserem Beitrag erläutern wir, welche Technologien aktuell und künftig die Kosten in den Rechenzentren reduzieren können.
Effizientes Power-Management mit intelligenter Power Distribution Unit (PDU)
Im Bereich der Stromversorgung im Rack werden die Lösungen immer ausgefeilter und intelligenter. Typischerweise kommen dabei Power Distribution Units (PDUs) zum Einsatz. Moderne Systeme bieten dabei folgende Vorteile:
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Echtzeit-Stromüberwachung auf PDU-Ebene und Outlet-Ebene
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Stromschalten aus der Ferne auf PDU-Ebene und Outlet-Ebene
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Temperatur- und Feuchtigkeitsmessung im Rack
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Verbessern von Verfügbarkeit und Mitarbeiterproduktivität
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Ermöglichen effizienter Nutzung von Stromressourcen
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Optimieren von Entscheidungen zur Kapazitätsplanung
Intelligente PDUs ermöglichen die Kontrolle über den Strom im Rechenzentrum. Darüber hinaus vereinfachen sie das IT-Management, denn der Zugang auf Stromquellen ist immer schwierig, wenn überladene Server-Schränke mehr und mehr zum Hindernis werden.
Die von der intelligenten PDU erzeugten Informationen können lokal an dem Gerät mithilfe von LED-Ziffern und remote mittels Webbrowser angezeigt werden. Der Anwender kann den Strom in den Leitungen und an jedem Ausgang und sogar den Status der Sicherungsautomaten überwachen. Intelligente PDUs liefern auch dann hochgenaue Informationen, wenn der Strom nicht als reine Sinuskurve dargestellt wird. Der Strom kann sowohl auf PDU-, als auch individuell auf Ausgangsebene geschaltet werden. Ein Gruppieren der Ausgänge ermöglicht dem Administrator die Steuerung mehrerer Ausgänge innerhalb einer einzelnen PDU oder über mehrere PDUs hinweg über eine einzige IP-Adresse.
Dies ist insbesondere dann von Vorteil, wenn Geräte mit mehreren Netzteilen aus- und eingeschaltet werden müssen. Moderne PDUs bieten unter anderem auch eine Vielzahl von unterschiedlichen Umgebungssensoren wie Temperatur- und Luftfeuchtigkeitsfühler. Diese Sensoren informieren den Leiter eines Rechenzentrums über mögliche Hotspots. Darüber hinaus ermöglichen sie es, die Gerätekühlung effizient und in optimaler Weise auszusteuern. Die PDU-Systeme unterstützt SNMP für TRAPs, SETs und GETs. Die Sicherheit wird durch die erforderliche Eingabe von Benutzernamen und Kennwort gewährleistet. Sowohl für die Strom- als auch für die Umgebungsüberwachung können Grenzwerte und Warnmeldungen festgelegt werden, die auf potenzielle Fehler aufmerksam machen, bevor diese zu Ausfällen führen.
Für das sichere Managen sind die PDUs mit einer 256-Bit-AES-Verschlüsselung und sicheren Kennwörtern ausgestattet. Die Systeme nutzen erweiterte Autorisierungsoptionen einschließlich der Berechtigungen für die Ausgangsebene sowie LDAP/S, RADIUS und Active Directory. Darüber hinaus unterstützen die GeräteVerwaltungsschnittstellen wie HTTP, HTTPS, IPMI, SMASH-CLP, SSH, Telnet und SNMP v2 und v3 mit Verschlüsselung sowie vom Benutzer konfigurierbare Ausgangsebenenverzögerungen für kontrolliertes Hoch- und Herunterfahren der Stromversorgung (Power Sequencing). Die PDUs sind in verschiedenen Formfaktoren mit unterschiedlichen Leistungsdaten und mit differenzierten Sicherheitsanforderungen erhältlich.
Klimatisierung, Stromversorgung und Verwaltung von Servern zentralisieren
Bisher haben IT-Verantwortliche die Server-Verwaltung sowie die Überwachung der Klimatisierung und Stromversorgung meist getrennt betrachtet. Doch durch den steigenden Kostendruck müssen künftig alle Parameter auch zentral vorliegen, um die gesamte IT-Infrastruktur in einem Unternehmen detailliert und für alle transparent zu analysieren. Um dies zu ermöglichen, ist eine intelligente Vernetzung der IT-Infrastruktur, der Server und der Applikationen notwendig. Die Lösung bietet nur eine intelligente Monitoring- und Management-Software für Serverräume beziehungsweise fürs Rechenzentrum.
Diese Software beobachtet und steuert die gesamte IT-Infrastruktur und verbindet sich mit den Servern und den Applikationen, die auf den Systemen laufen. Die Software erfasst alle Leistungs- und Verbrauchswerte aller Geräte in der IT-Infrastruktur. Die Leistungsdaten der IT-Infrastruktur – beispielsweise von Klimatisierung und Stromverbrauch – werden ermittelt und den jeweiligen Servern zugeordnet. Die Software „kennt“ die logischen Zusammenhänge zwischen allen Komponenten. Im Kühlkreislauf misst sie beispielsweise den Stromverbrauch der Server, die produzierte Abwärme, die Kälteleistung und den dafür nötigen Stromverbrauch der Kälteerzeuger sowie Vor- und Rücklauftemperatur des Kaltwasserkreislaufs. Auf diese Weise ergibt sich ein Gesamtbild der Ist-Situation bei der Kälteerzeugung und -verteilung und dem dafür nötigen Energieeinsatz für jeden einzelnen Server.
Für die Vernetzung dieser Daten mit den verschiedenen Diensten sorgten Server-Management-Systeme wie Microsoft System Center Operations Manager. Die Verbrauchsmessung bleibt dabei nicht nur auf der oberen IT-Infrastruktur-Ebene, sondern lässt sich bis auf die einzelnen Server beziehungsweise Dienste herunterrechnen.
Auf diese Weise haben Administratoren Kenntnis darüber, welche Server und welche Applikationen wie von der IT-Infrastruktur unterstützt werden. Alle Informationen stehen auf der Oberfläche des Management-Systems zur Verfügung. Ob Angaben zu Sicherheit, Verbrauchswerten oder Effizienz: Wenn eine Störung, wie zum Bespiel eine erhöhte Temperatur, auftritt, weiß der Administrator, welche Server und Applikationen davon betroffen sind. Das ermöglicht ihm ein präventives Eingreifen auf der Applikationsebene. Er kann zum Beispiel eine Anwendung auf einem Server zu einem anderen Rack verschieben. Er kann Frühwarnsysteme implementieren und dadurch Downtimes vermeiden. Bei entsprechender Konfigurierung kann die intelligente Software auch selbstständig eingreifen und bestimmte Aktionen, wie Applikationen, verschieben und automatisiert ausführen.
Inventarisieren von Servern und IT-Komponenten per RFID-Technologie
Um die Rechenkapazität des Rechenzentrums zu bestimmen, müssen Administratoren detaillierte Informationen über Anzahl und Lage der Server besitzen. Die Technologie „Dynamic Rack Control“ zum Beispiel ist eine automatisierte Lösung, die die genaue Position aller Server in einem Rack bestimmen kann. Dabei verwendet das System die Funktechnik Radio Frequency Identification (RFID) und ermöglicht eine genaue Inventarisierung der Komponenten in einem Rechenzentrum in Echtzeit.
Auf jeder Höheneinheit (HE) eines Racks befinden sich drei RFID-Transponder, die den Server beim Einbau in das Rack identifizieren. Der genaue Standort jedes Servers wird Auf diese Weise kontaktlos erfasst und dokumentiert. Auf den passiven RFID-Transpondern lassen sich Kenndaten der im Rack montierten Komponenten speichern. So erhalten die Administratoren neben der Übersicht über freie Kapazitäten auch zusätzliche Informationen, wie etwa über die elektrische Leistung der Geräte im Rack. Das vereinfacht die Kapazitätsplanung in Bezug auf Stromversorgung und Kühlleistung und hilft, eine optimale Bestückung zu erreichen. Mit dieser Technologie lässt sich somit der Aufwand für das Asset-Management im Rechenzentrum reduzieren.
Mit einem zusätzlichen Sensornetzwerk kann der Administrator die Dynamic-Rack-Control-Technologie dazu nutzen, neben den Informationen über die Lage und Anzahl der Server auch Daten über physische Parameter im Rechenzentrum wie Temperatur oder Feuchtigkeit zu erhalten. Über eine Schnittstelle zur Infrastruktur-Management-Software kann der Administrator dann zusammen mit dem Microsoft System Center Operations Manager eine ganzheitliche Betrachtung seiner IT-Infrastruktur in Echtzeit durchführen.
Intelligentes Power-Management in Servern
Intel hat mit der Einführung der Nehalem-Xeon-Prozessor-Familie X5500 auch einen neuen Chipsatz (Codename Tylersburg) vorgestellt. Beide Komponenten stattet der Hersteller mit umfangreichen Power-Management-Features aus. So ist die Server-CPU jetzt in der Lage, einzelne, nicht benötigte Kerne unabhängig voneinander nahezu vollständig abzuschalten. Diesen Stromsparmodus nennt Intel Power-State-C6. Der Nehalem-Prozessor kann einen, zwei oder drei Kerne je nach Workload und CPU-Auslastung abschalten.
Möglich macht dies eine integrierte Power Control Unit im Prozessor. Diese überwacht mittels Temperatur- und Stromsensoren die Auslastung der einzelnen Kerne und regelt entsprechend die Taktfrequenz sowie die Versorgungsspannung dieser Funktionsgruppen. Die Power Contol Unit arbeitet dabei weitgehend autark und nutzt einen speziellen, von Intel entwickelten Algorithmus zur Steuerung der einzelnen CPU-Kerne. Das Verfahren ermöglicht eine maximale Rechenleistung bei reduziertem Stromverbrauch.
Im Tylersburg-Chipsatz integriert Intel ebenfalls eine spezielle Management-Einheit (ME), die aus einem ARC4-RISC-Microcontroller mit entsprechenden Schnittstellen besteht. Dieser Controller unterstützt die Intelligent-Power-Node-Management-Firmware von Intel. Mit dieser Technologie ist es über einen zusätzlichen Baseboard Management Controller (BMC) möglich, überall Sensoren auf dem Server-Mainboard zu platzieren und diese in Echtzeit abzufragen. Mit den so generierten Parametern, wie Temperatur, Stromverbrauch und elektrische Leistungsaufnahme der Komponenten sowie Umdrehungszahl einzelner Lüfter, lässt sich ein Server-System sehr granular aussteuern, sodass es mit höchstmöglicher Energieeffizienz arbeiten kann. Über die Schnittstellen kann das System die Daten zum Beispiel an eine zentrale IT-Management-Software weiterleiten.
Brennstoffzellen und Solarthermie
Dass man mit Sonnenenergie Wärme erzeugen kann, ist kein Geheimnis. Doch aktuelle Technologien nutzen die energiereichen Sonnenstrahlen auch zur Kühlung von Rechenzentren. Möglich machen dies Adsorptionskältemaschinen in Verbindung mit Solarthermie-Kollektoren.
Bei diesem Konzept setzen Adsorptionskältemaschinen in Verbindung mit Solarthermie-Kollektoren die Energie der Sonne in Kaltwasser um, das wiederum der Klimatisierung eines Rechenzentrums dient. In Regionen mit einer hohen Sonneneinstrahlung könnte somit eine ganzjährige Nutzung des Konzepts möglich sein. Die Nutzung regenerativer Energien zur Klimatisierung von Rechenzentren würde Primärenergie einsparen und die CO2-Belastung reduzieren. Weitere Einsparungen könnten durch die Kopplung des Solar-Adsorptions-Konzepts mit einer freien Kühlung möglich sein.
Auf regenerative Energien und Nachhaltigkeit setzende Brennstoffzellen-Hybridsysteme sind zwar noch in der Entwicklungsphase, allerdings sind bereits erste Prototypen im Praxiseinsatz. Neu sind Konzepte zur CO2-freien Energieversorgung von Rechenzentren, die sich aus Brennstoffzelle, Photovoltaik, Windenergie und Elektrolyseur zusammensetzen. Die Weiterentwicklung der betreffenden Einzeltechnologien lassen ein solches Gesamtkonzeptes durchaus realistisch erscheinen.
Einen Fortschritt im Bereich der Brennstoffzellentechnologie versprechen Supercaps, das sind Kondensatoren mit hoher Energiedichte. Bislang mussten Blei-Akkumulatoren die Zeit überbrücken, die eine Brennstoffzelle zum Hochfahren benötigt. Blei-Akkus reagieren jedoch mitunter temperaturempfindlich, müssen mit Memory-Effekten kämpfen und können nur für eine limitierte Anzahl von Lade- und Entladezyklen genutzt werden.
Die Supercaps zeichnen sich dagegen durch eine hohe Stromentnahmefähigkeit, eine hohe Lebensdauer sowie geringen Wartungsbedarf aus. Insbesondere bei Outdoor-Anwendungen – beispielsweise in der Telekommunikation – soll ihr Einsatz vielversprechend sein. Erste Prototypen mit Supercaps befinden sich bereits in der Testphase.
Fazit
Neue Technologien in CPUs und Chipsätzen helfen, die Rechenleistung in Servern optimal unter Energieaspekten einzusetzen beziehungsweise zu nutzen. Das hat Intel mit dem Nehalem-Prozessor und dem Tylersburg-Chipsatz bewiesen.
Aber auch andere technologische Entwicklungen wie intelligente Power Distribution Units (PDU) oder die Nutzung der RFID-Technologie in Racks sparen Kosten. Denn diese Lösungen vereinfachen das IT-Management und unterstützen den Administrator beim Monitoring der IT-Infrastruktur.
Ein wichtiger Aspekt beim IT-Management ist, dass man alle relevanten Komponenten berücksichtigen muss. Das beinhaltet nicht nur die Server oder das Rechenzentrum vor Ort, sondern auch das gesamte Gebäude-Management sowie entfernte Filialen. Erst dann lassen sich ganzheitliche Energiebetrachtungen vornehmen und entsprechend auch die vorhandene Rechenleistung und die Ressourcen effektiv einsetzen.
Zusätzlich schreitet die Entwicklung neuer Klimatisierungs- und Energieversorgungskonzepte weiter voran. So werden zum Beispiel die Entwicklung der Brennstoffzelle verfeinert und Solarthermie für die Kühlung von Rechenzentren erforscht. (hal)