Optimierung der Stromversorgung
Effizienz beginnt beim Power Supply
Neben der Klimatisierung spielt die Stromversorgung eine entscheidende Rolle bei Energiesparmaßnahmen im Rechenzentrum. Bei USVs kommt es dabei auf jeden Prozentpunkt des Wirkungsgrads an. Eine Verbesserung des energetischen Wirkungsgrads von zum Beispiel 87 auf 90 Prozent mag nicht sehr spektakulär klingen, sie ist jedoch gleichbedeutend mit einer Reduzierung der Verlustwärme um 23 Prozent.
Server, Kommunikationseinrichtungen, Massenspeicher - moderne Datenzentren verschlingen enorme Energiemengen. Weltweit benötigen die Einrichtungen der Informations- und Kommunikationstechnik zur Versorgung zurzeit etwa 160 GW an Energie. Das entspricht acht Prozent der erzeugten elektrischen Leistung. Dieser Bedarf nimmt weiter schnell zu. Laut VDE soll sich dieser Wert bis 2020 mehr als verdoppeln und einen Pegel von 400 GW erreichen. Nach den Endgeräten nehmen Rechenzentren und Anlagen der Netzwerktechnik (Internet-Knoten, Router, Unterverteiler etc.) den zweiten und den dritten Platz in der Verbrauchs-statistik ein.
Neben der für den Betrieb der Prozessoren, Switches und Festplatten benötigten Nutzenergie treibt auch die Klimatisierung der Rechenzentren die Stromrechnung nach oben, obwohl sie eigentlich nur eine Art Nebeneffekt darstellt - kein Anwender kühlt die Datenzentren nur deshalb, weil es sich dann angenehmer darin leben lässt. Doch die empfindliche Elektronik in den Servern und Datenspeichern muss herunter gekühlt werden. Daher führt kein Weg an dem zusätzlichen Aufwand für den Betrieb der Kühlanlagen vorbei. Experten des IT-Beratungsunternehmens Gartner haben errechnet, dass allein die Klimatisierung die Stromrechnung für ein Datenzentrum um 30 bis 45 Prozent verteuert.
Im Industrieland Deutschland ist die Zunahme des Energieverbrauchs für solche Einrichtungen nicht so ausgeprägt wie im weltweiten Maßstab. Doch auch hier weist der Trend nach oben, zumindest was die Anzahl der installierten Server anbelangt. Zwischen 2008 und 2011 stieg die Zahl der Server um rund sieben Prozent auf 2,34 Millionen. Auch in Zukunft dürfte der Bedarf an Rechenleistung und Speicherkapazität weiter steigen.
Dennoch sieht der IT-Branchenverband Bitkom einen Silberstreif am Horizont: Im vergangenen Jahr hat der Stromverbrauch der Rechenzentren erstmals abgenommen - um vier Prozent auf allerdings immer noch beeindruckende 9,7 TWh. Immerhin entspricht der Rückgang der Leistung vier mittelgroßer Kohlekraftwerke. Zwar sind die Stromkosten der Datenzentrums-Betreiber trotz des geringeren Leistungsbedarfs im gleichen Zeitraum weiter gestiegen. Eine Studie des auf Nachhaltigkeitsuntersuchungen spezialisierten Borderstep-Instituts beziffert die Stromkosten für die Server und Rechenzentren im Jahr 2011 auf 1,2 Milliarden Euro, zwölf Prozent mehr als im Jahr zuvor. Der Grund für den Widerspruch zwischen gesunkenem Verbrauch und gestiegenen Kosten: Die Strompreise pro KWh haben sich erhöht.
Der Rückgang des absoluten Stromverbrauchs liegt zu einem guten Teil an veränderten Betriebsmodellen. Der Vormarsch von Virtualisierung, Server-Konsolidierung und Cloud Computing hat darin einen signifikanten Anteil. Deutliche Effizienzgewinne gibt es auch in der Klimatisierung und bei den unterbrechungsfreien Stromversorgungen (USVs). In einer anderen jüngst vorgestellten Studie spricht der VDE davon, dass es gelingen könnte, bei Einsatz entsprechender Techniken den Energiebedarf der IKT-Einrichtungen (Informations- und Kommunikationstechnik) nahezu zu dritteln.
Ein Teil der Maßnahmen, die dazu nötig wären, beziehen sich interessanterweise nicht auf Server-Infrastrukturen, sondern auf den Ausbau und den Betrieb der Mobilfunknetze. Auch konstruktive Maßnahmen in den drahtgebundenen Datennetzen (etwa die Backbones der Unternehmen mit ihren Routern) sollen sicherstellen, dass der Energieverbrauch dieser Einrichtungen trotz steigenden Datenverkehrs nicht wesentlich zunimmt - etwa durch Umstellung auf optische Techniken. Von der Einführung energieadaptiver Modi in Kommunikationsnetzen versprechen sich die Experten sogar Einsparungen beim Energieverbrauch - und zwar bis zu 60 Prozent. Allerdings, so die VDE-Studie, stehen die hierfür erforderlichen Algorithmen noch nicht zur Verfügung.
Auch konstruktive Maßnahmen in Servern und Endgeräten (PCs, Laptops etc.) können dazu beitragen, den Energiebedarf zu senken. Die VDE-Studie nennt vor allem dynamische Anpassungen von Ressourcen an die jeweils aktuelle Auslastung. Dazu zählen beispielsweise eine auslastungsabhängige Regelung der Prozessortaktfrequenz, dynamisch angepasste Speichermodi oder Schlafmodi für das gesamte Gerät. Eine bessere Energiebilanz können IT-Manager auch mittels organisatorischer Maßnahmen erreichen: Es ist unter energetischen Gesichtspunkten erheblich sinnvoller, einen Server mit hohen Lastgrad zu betreiben als mehrere Server, die allesamt nur eine niedrige Auslastung aufweisen.
Das größte Potenzial für Einsparungen im Energieverbrauch dürfte jedoch im Bereich der Stromversorgungen liegen. Diese weisen heute zwar durchweg einen recht hohen Wirkungsgrad auf, doch stellen sie zentrale Komponenten auf Server- oder gar auf Rack-Ebene dar; die gesamte elektrische Energie auf diesen beiden Ebenen fließt durch die Power Supplies. Damit fällt dem Wirkungsgrad an diesem Punkt eine entscheidende Rolle zu. Eine Verbesserung des energetischen Wirkungsgrads von zum Beispiel 87 auf 90 Prozent mag nicht sehr spektakulär erscheinen. Aber sie ist gleichbedeutend mit einer Reduzierung der Verlustwärme um 23 Prozent. Aus diesem Grund ist es gerechtfertigt, um jeden Prozentpunkt an Effizienz im Power Supply zu kämpfen.
Von modernen Stromversorgungen können Anwender heute einen Wirkungsgrad von rund 90 Prozent erwarten. Idealerweise sind sie modular aufgebaut, um verschiedene Leistungslevel konfigurieren zu können. Ein Beispiel ist das RCP-2000 des in Taiwan beheimateten Stromversorgungs-Spezialisten Meanwell, in Deutschland vertrieben von Emtron Electronic. Lieferbar sind drei verschiedene Netzteilmodule für unterschiedliche Ausgangsspannungen im Bereich von zwölf bis 48 Volt. Schon die Zwölfvoltausführung bietet eine Effizienz von 86 Prozent, die bei der 48-V-Ausführung auf bis zu 92 Prozent ansteigt.
Entscheidend für das Erreichen eines solch hohen Wirkungsgrades ist der Einsatz moderner Halbleiter der jeweils aktuellen Generation. Die Energieeffizienz ist bei der Entwicklung von Leistungshalbleitern ein Leitthema. Jede neue Generation übertrifft die vorherige. Zwar haben moderne IGBTs, MOSFETs und JFETs schon einen beachtlichen Entwicklungsstand erreicht, doch versprechen Entwicklungen auf Basis so genannter Wide-Bandgap-Materialien noch erhebliche Verbesserungen, gerade bei effizienzrelevanten Parametern wie Durchlasswiderstand und Steilheit der Schaltflanken. Zu diesen Materialien, mit deren Einführung in die Serienfertigung in wenigen Jahren zu rechnen ist, zählen vor allem Silizium-Carbid (SiC) und Galliumnitrid (GaN).
Einen ebenso wichtigen Beitrag zur Leistungsfähigkeit und Effizienz einer Serverstromversorgung leistet die Schaltungstechnik. Dabei wiederum ist der Gleichrichter eines der wichtigsten Elemente. In modernen Geräten ist er als aktiver MOSFET-bestückter Synchrongleichrichter ausgeführt (O-Ring). Gegenüber den früher gebräuchlichen Brückenschaltungen aus Dioden bietet der "O-Ring" einen deutlich besseren Wirkungsgrad. Eine weitere Maßnahme zur Verbesserung der Effizienz besteht in der Verwendung von PFC-Hochsetzstellern, denn sie verringern die Welligkeit der Ausgangsspannung. Das Gleiche gilt für Vorwärtsregler, die nach dem Prinzip der PWM (Pulsweitenmodulation) arbeiten. Diese Maßnahmen erhöhen zudem die Leistungsdichte des Geräts oder, umgekehrt betrachtet, sie verringern dessen Platzbedarf. So konnte beim RCP-2000 die Leistungsdichte auf 21,4 Watt je Kubikzentimeter wachsen.
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