Rund 23 Prozent der IT-bedingten CO2-Emissionen werden laut Gartner durch Server und Kühlsysteme verursacht. Allein in Deutschland lag der Stromverbrauch aller 50.000 eingerichteten Server-Räume und Data Center nach einer Untersuchung des Borderstep-Instituts im Jahr 2008 bei 10,1 Milliarden Kilowattstunden. Zum Vergleich: Dies entspricht der jährlichen Gesamtleistung von vier mittelgroßen Kraftwerken.
Ohne umfassende Maßnahmen für mehr Energieeffizienz wird der Stromverbrauch von Servern und IT-Infrastrukturen im Rechenzentrum (RZ) weiter wachsen. Es gilt daher, neue Wege in der Stromversorgung von Geräten und der Klimatisierung von Räumen zu beschreiten. Gleichzeitig hilft der Umstieg auf "grüne" IT-Technologien wie die Server-Virtualisierung, den Energiebedarf trotz weiter steigender Rechen- und Speicherleistung erheblich zu senken. Allein für den Server-Betrieb lässt sich durch Virtualisierung ein um bis zu 80 Prozent geringerer Energieverbrauch erzielen.
Mehr zum Thema Energiesparen
Unternehmen, die ihr bestehendes Rechenzentrum nach Energieeffizienz-Kriterien umbauen wollen, sollten dabei schrittweise vorgehen. In Zeiten härteren Kosten- und Wettbewerbsdrucks stehen sie letztlich auch vor der Herausforderung, den Umbau wirtschaftlich und budgetverträglich zu gestalten. Die folgenden neun Punkte können dabei als Checkliste dienen.
1. Bestandsaufnahme: Aktives Asset-Management betreiben
Voraussetzung für jede Modernisierung und Effizienz-Optimierung ist eine Bestandsaufnahme aller RZ-Assets. Die Betreiber müssen alle Geräte und Systeme, Hard- wie Software lückenlos erfassen und dokumentieren. Ohne ein solches aktives Asset Management lassen sich Wartungs- und Lizenzkosten nicht kontrollieren. Zudem ginge die Übersicht über die verschiedenen Betriebssystemversionen verloren. Dadurch würde sich der Aufwand für die Einspielung von neuen Releases und Updates deutlich erhöhen.
Im Übrigen stellt sich oft erst bei einer solchen Bestandsaufnahme heraus, dass Lizenzgebühren für Software gezahlt werden, die gar nicht (mehr) eingesetzt wird und längst zur "Schrankware" verkommen ist. Dies gilt ebenso für Hardware: Es tauchen im Zuge der Bestandsaufnahme Geräte auf, die nicht mehr in Betrieb sind, aber Kosten verursachen und Platz wegnehmen. Auch an diesen Stellen lassen sich also Einsparpotenziale erschließen. Last, but not least müssen neben den IT-Assets Räume und Racks ebenso erfasst und dokumentiert werden wie Stromversorgung, Klimatisierung und Kühlungskonzepte.
2. Make or buy: Option Outsourcing prüfen
Ist die Bestandsaufnahme im Data Center vollzogen, sollte das Unternehmen prüfen, ob als Alternative zum weiteren Eigenbetrieb auch ein Komplett- oder Teil-Outsourcing von RZ-Services an einen spezialisierten Dienstleister in Frage kommt. In der Regel können diese ihren Kunden langfristig flexiblere und energieeffizientere RZ-Dienste zu geringeren Kosten anbieten, die sich zudem über einen längeren Zeitraum verteilen.
Darüber hinaus haben Unternehmen so die Möglichkeit, sich auf ihr Kerngeschäft und die Modellierung von entsprechenden Geschäftsprozessen zu konzentrieren. Die Verantwortung für Beschaffung und Technik sowie die energieeffiziente Umstrukturierung, Optimierung und Neukonzeptionierung des RZ liegt dann beim Dienstleister, der über entsprechende Consulting- und Outsourcing-Kapazitäten verfügen muss.
3. Ziel: Standardisierung von Hard- und Software
Ob Outsourcing-Dienstleister oder unternehmenseigenes Rechenzentrum: Ein Ziel des aktiven Asset-Managements muss es immer sein, im Rechenzentrum eine standardisierte IT-Landschaft mit einheitlichen Lizenzen und einheitlichen Versionen zu etablieren. Dies gilt vor allem für die Betriebssysteme der Server, betrifft aber auch die Lizenzen der Anwendungssoftware. Es empfiehlt sich, im Sinne eines effizienteren Betriebs nicht mehr benötigte Daten und Applikationen umstandslos zu löschen beziehungsweise zu deinstallieren. Erfahrungen zeigen, dass in Rechenzentren bis zu einem Drittel aller Applikationen nicht mehr gebraucht werden!
Weiterhin gilt es zu bedenken, dass die durchschnittliche Laufzeit eines Servers im RZ rund 36 Monate beträgt. Es herrscht also eine relativ hohe Gerätefluktuation, die häufig zu wachsenden heterogenen Umgebungen führt. Diese sollten dokumentiert und weitestmöglich bereinigt werden.
Nachdem Lizenzen, Versionen, Hard- und Software auf diese Weise begradigt und vereinheitlicht worden sind, kann das RZ den Schritt zu einer standardisierten Bereitstellung von Servern beziehungsweise Modulen gehen. Formuliert beispielsweise ein Fachbereich eine Anforderung nach einem Server mit einer bestimmten Qualität und Rechenleistung, erhält er von der RZ-Administration einige standardisierte Module, auch "Produktionsblöcke" genannt, zur Auswahl. So lässt sich ein höherer Automationsgrad in der Bereitstellung erreichen und die Administration wesentlich vereinfachen. Grundsätzlich sollten Unternehmen immer eine RZ-Struktur anstreben, die flexibel skalierbar und modular ist.
4. Hard- und Software-Beschaffung: Folgekosten im Blick behalten
Beim Einkauf von Hard- und Software können die Verantwortlichen mit vorausschauenden Investitionen bereits Punkte in Sachen Energieeffizienz sammeln. Denn wie das Beispiel des EU-weiten Herstellungsverbots für Glühlampen zeigt, ist davon auszugehen, dass jederzeit gesetzliche Vorgaben für die Drosselung des Stromverbrauchs in Rechenzentren beschlossen werden können.
Grundsätzlich sollten RZ-Betreiber bei der Beschaffung neuer IT-Ausrüstung darauf achten, möglichst schlank dimensionierte und verbrauchsarme Geräte einzukaufen, die nicht nur die funktionalen betrieblichen Anforderungen erfüllen, sondern auch einen Beitrag zur Energieeffizienz leisten. So ist bei manchen Servern im Niedrigpreis-Segment der Stromverbrauch am Ende ihrer 36-monatigen Laufzeit höher als die Anfangsinvestition. Mit "Green IT" hat dies nichts zu tun.
Effizienz und Sparpotenziale bieten beispielsweise die zu Archivierungszwecken verwendeten Storage-Systeme im Data Center: 2,5-Zoll-Festplatten verbrauchen erheblich weniger Strom als die 3,5’-Zoll-Baureihe. Zur dauerhaften Sicherung von Daten lassen sich zudem Magnetbänder oder WORM-Medien (Write Once Read Many) verwenden, die als Speichersystem so genannte Jukeboxen nutzen.
Schließlich empfiehlt es sich, auch vor der Entscheidung für neue Anwendungssoftware deren Bedarf an Hardware-Ressourcen und die daraus folgenden Energiekosten mit einzukalkulieren. Je nach dem, welche Applikation auf einem Server läuft, ist dessen CPU nur zu 5 bis 15 Prozent ausgelastet. Gleichwohl benötigt der Prozessor dafür dieselbe Menge Strom wie unter Volllast-Betrieb. Erst die für dieses Jahr angekündigten neuen Intel-CPUs sollen über die Fähigkeit verfügen, einzelne Cores in einen verbrauchsarmen, so genannten Schlafmodus zu schalten. Herkömmliche Prozessoren verbrauchen hingegen unabhängig von ihrer Auslastung weiterhin dieselbe Menge Strom.
Laut Erhebungen der Experton Group lassen sich durch den Einsatz von energieeffizienter Hardware in Rechenzentren Einsparpotenziale von 20 bis 30 Prozent erzielen. Aufgeschlüsselt nach den einzelnen Betriebsbereichen ergeben sich folgende Zahlen:
-
Verbesserte Netzteile: 25 Prozent
-
Stromsparende CPUs: 5-10 Prozent
-
Effizientere Lüfter: 10-15 Prozent
-
Gleichstrom durch Rack-basierte Systeme: 10-15 Prozent
-
Optimierte Kühlungsströme: 5-10 Prozent
5. Bessere Auslastung: Virtualisierung von Servern
Um Hardware noch weiter zu optimieren, muss man sie reduzieren. Dies geschieht durch die Einrichtung mehrerer virtueller Server auf einem physikalischen Gerät. Die Einführung einer solchen Schicht zur Virtualisierung erhöht zunächst einmal die Komplexität, da damit eine zusätzliche Software administriert und gewartet werden muss. Der Nutzen dieser Anschaffung erschließt sich nur, wenn zuvor wie beschrieben Hard- und Software standardisiert und optimiert worden sind, so dass das RZ Server-Kapazitäten hochgradig automatisiert zur Verfügung stellen kann. Auf diese Weise lassen sich virtuelle Server im laufenden Betrieb von einer physikalischen Maschine in eine andere verlagern und der Auslastungsgrad der Geräte insgesamt deutlich verbessern.
Weiter gilt es beim Einsatz von Virtualisierungssoftware zu beachten, welche Anforderungen die Anwendungssoftware an die Maschinen beziehungsweise die Virtualisierungsschicht stellt. So ist etwa bei Applikationen mit hohem Input/Output-Anteil wie Datenbanken, Lotus Notes, Exchange oder auch SAP immer von Fall zu Fall zu entscheiden, ob und wie Virtualisierungstechnologien sinnvoll eingesetzt werden können. Anders liegt der Fall bei den kleinen verteilten Maschinen wie Print- und Web-Servern. Diese sind im normalen Betrieb nicht ausgelastet und lassen sich ohne weiteres auf größeren Maschinen virtualisieren.
Unter dem Strich sind die Fortschritte durch virtualisierte Umgebungen erheblich. Die durchschnittliche Auslastung der Server lässt sich von 20 Prozent auf 75 Prozent und in einzelnen Fällen bis 85 Prozent steigern. Im reinen Server-Betrieb ist so eine Senkung des Energieverbrauchs um bis zu 80 Prozent möglich.
6. Klimatisierung: Das passende Kühlkonzept finden
Mit der Virtualisierung erschließt sich die Möglichkeit, durch eine optimierte Auslastung die Menge aller Stromabnehmer deutlich zu reduzieren. Dazu zählen neben den Rechnern auch die flankierenden Geräte zur Stromversorgung und Kühlung. Allerdings gilt es dabei zu berücksichtigen, dass die zunehmende Leistungsstärke und Prozessorverdichtung in den Rechnern nicht nur ihren Stromverbrauch erhöht, sondern auch zu mehr Abwärme führt. Diese muss ebenfalls gekühlt beziehungsweise abgeführt werden, was wiederum mehr Stromleistung erfordert.
Daher führt kein Weg an einem schlüssigen Konzept für den Kühlungs- und Klimatisierungskreislauf vorbei. Hierfür müssen die zirkulierenden Luftmengen in den Räumen - Abwärme wie Kühlungsströme - berechnet sowie neue Warm- und Kaltgänge eingerichtet werden. Diese Gänge sollten eingehaust sein, das heißt hermetisch voneinander abgeschottet, um Verwirbelungen zu verhindern. Eine konstante Messung der Temperatur in den Strömen ist in jedem Fall erforderlich, um auf die festgestellte Menge und Temperatur der Abwärme angemessen und schnell mit Kühlungsmaßnahmen reagieren zu können.
Neben der bekannten Luftkühlung kommt inzwischen auch wieder das Prinzip der Wasserkühlung zum Einsatz. Sie eignet sich insbesondere dafür, so genannte Hotspots zu entschärfen, die in Server-Schränken entstehen können. So gelten etwa Blade-Server als anfällig dafür, Zonen an der Hardware zu bilden, die zur Überhitzung neigen. Um solche Probleme zu lösen, installiert man beispielsweise zwischen je zwei Racks ein so genanntes Liquid Cooled Rack (LCR) mit Luft/Wasser-Wärmetauscher-Modulen, welche die Luft auf eine konstante Raumtemperatur herunterkühlen und den IT-Komponenten zuführen.
In der Praxis wird häufig eine Kombination aus Luft- und Wasserkühlung die beste Lösung für die spezifischen Anforderungen eines bestimmten Data Center sein. Um dabei die Kühlungsstruktur zu vereinfachen und übersichtlicher zu gestalten, ist es auch denkbar, die wassergekühlten Racks in eigens für sie ausgelegte, dedizierte Räume zu packen. Zu beachten bleibt, dass die Einführung von Flüssigkeitskühlung mit Investitionskosten und gegebenenfalls Umbauaufwand verbunden ist, falls neue Leitungen verlegt werden müssen.
Last, but not least ist es sinnvoll und energieeffizient, die im RZ-Betrieb entstehende Abwärme im Winter zur Heizung von Büroräumen einzusetzen. Dafür stehen bewährte Technologien wie Wärmepumpe und Wärmeaustauscher bereit. Laut der Experton Group hat inzwischen fast jedes fünfte Unternehmen in Deutschland damit begonnen, Abwärme zu nutzen.
7. Strom: Verbrauch planen, Versorgung sichern
Angesichts der weiter steigenden Leistungsdichte sollten Fachleute und Entscheider im Rechenzentrum auch die Richtwerte für den Stromverbrauch pro Quadratmeter RZ-Fläche realistisch planen. Die Ansetzung von Verbrauchswerten zwischen 500 und 800 Watt pro Quadratmeter Fläche hat sich in der Praxis als zu optimistisch erwiesen. Derzeit ist von einem Richtwert zwischen 1200 und 1500 auszugehen. Bis 2011 beziffert Gartner den Bedarf auf 3000 Watt pro Quadratmeter.
Mittels Virtualisierung lässt sich die Zahl der Stromabnehmer erheblich reduzieren und der Auslastungsgrad der Maschinen deutlich erhöhen. Dennoch dürfen die Entscheider die verbrauchsbedingten Umstellungen und Umgestaltungen bei der Stromzufuhr bis hin zur Unterbrechungsfreien Stromversorgung (USV) nicht auf die leichte Schulter nehmen. Sie müssen beispielsweise auch prüfen, ob die lokalen Stadtwerke die benötigten Strommengen überhaupt liefern können. Hinzu kommt, dass unter Umständen weitere Stromleitungen genehmigt und neu verlegt werden müssen. Schließlich benötigt ein dieselbetriebenes Notstromaggregat ein redundantes, flächendeckendes Leitungssystem.
8. Die richtige Dimension: Räume und Racks
Die zunehmende Leistungsdichte pro Quadratmeter Server-Raum und die damit verbundenen erhöhten Mengen an Abwärme haben auch Auswirkungen auf Räume und Racks. Gegebenenfalls müssen im Zuge von Umbauten und Sanierungen infolge erhöhten Kühlungsbedarfs auch die Doppelböden, auf denen die 19-Zoll-Schränke stehen, höher gelegt werden. Die Erhöhung kann jedoch an bauliche Grenzen wie zu niedrige Decken stoßen. Hinzu kommt, dass bei Umbauten anfallende Schweißarbeiten sich meist nur in leeren Räumen und keinesfalls bei laufendem Betrieb durchführen lassen.
Grundsätzlich helfen kleinere Räume, die Klimatisierung wirtschaftlich auf Systeme und Geräte abzustimmen. Auch hierbei dürfen die Entscheider allerdings die Kosten der Stromversorgung nicht aus den Augen verlieren. Ein durchdachtes Raumkonzept muss daher beide Seiten der Medaille berücksichtigen.
9. Überwachen und verbessern: Rechner, Klima, USV
Schließlich und endlich ist den RZ-Verantwortlichen zu empfehlen, ein umfassendes Monitoring einzuführen. Dies gilt sowohl für den virtualisierten Rechner-Pool als auch für Stromversorgung, Kühlsysteme und USV. Alle Kreisläufe müssen überwacht werden, um bei Bedarf steuernd eingreifen zu können. Je besser Monitoring, Mess- und Regeltechnik sind, desto eher wird es möglich sein, die derzeit diskutierte Erhöhung der Lufttemperatur im Data Center von 20 auf annähernd 25 Grad umzusetzen. Dadurch ließen sich Aufwand und Verbrauch für Kühlung und Klimatisierung noch einmal deutlich senken und noch mehr Energieeffizienz erreichen.
Hier ist ein intelligentes Gesamtkonzept gefragt, das die Sicherheit der Datenverarbeitung genauso berücksichtigt wie die Erfordernisse eines energieeffizienten Umbaus von Rechenzentren. Zudem sind Unternehmen gut beraten, über das Monitoring hinaus einen kontinuierlichen Verbesserungsprozess zu definieren, etwa in Anlehnung an die etablierten Itil-Standards.
Als Orientierungsgröße und Kennzahl für die Energieeffizienz kann hierbei der so genannte PUE-Indikator dienen (Power Usage Effectiveness), der als Quotient von Gesamt-Energieverbrauch des Rechenzentrums und Energieverbrauch der IT-Systeme wie Server und Speicher definiert ist. Unter den umluftbetriebenen RZ kommen ältere Bautypen auf einen PUE-Wert von 2,5. Marktüblich ist derzeit ein Wert von 1,7 bis 2,0. Durch die Optimierung von Hard- und Software sowie Infrastrukturbetrieb und eine deutliche erhöhte Server-Auslastung können sie einen Wert von 1,5 oder besser erreichen.
Let’s make a (green new) deal
Die Betreiber von Rechenzentren werden sich aus technischen wie auch aus betriebswirtschaftlichen Gründen künftig verstärkt mit Fragen der Stromeinsparung und Energieeffizienz beschäftigen müssen. Wer dabei beherzt auf die Karte "Green IT" setzt und sich der besten verfügbaren Energieeffizienz-Techniken und Best Practices bedient, hat gute Chancen, seinen Verbrauch trotz kontinuierlich steigender Rechner- und Speicherleistung deutlich zu reduzieren. Würde der Einsatz moderner Techniken und weiterer Maßnahmen zur Effizienzsteigerung in rund 90 Prozent aller bestehenden Rechenzentren durchgeführt, ließe sich der RZ-Stromverbrauch in Deutschland laut Berechnungen des Bundesumweltministeriums bis 2013 um fast 40 Prozent auf 6,65 Terawattstunden senken. In einem solchen Szenario würden auch die Gesamtkosten für alle Data Center trotz tendenziell steigender Strompreise sinken. (wh)