Energieeffiziente Serverstrukturen
Planen statt verschwenden
In Serverräumen und Rechenzentren entstehen aufgrund ineffizienter Hardware und nicht optimaler Strukturen oftmals sinnlos hohe Stromkosten. Auf dem Weg zu einem geringeren Stromverbrauch muss das IT-Personal zunächst einige Hürden überwinden. Letztendlich zahlt es sich jedoch aus, wenn unter Beachtung bestimmter Punkte von vorneherein sauber geplant wird.
Ein Server verbraucht pro Jahr Strom für rund 350 Euro. Das, was an Strom zugeführt wird, gibt
das Gerät im Wesentlichen als heiße Luft wieder ab. Die Betreiber müssen also zusätzlich in Strom
für die Kühlung investieren. Je nach Methode und Qualität der eingesetzten Kühltechnik liegen die
Kosten dafür noch einmal zwischen 70 und 300 Prozent verglichen mit den Stromkosten für die
Hardware. Dazu ein zugegebenermaßen spektakuläres Beispiel: "Mare Nostrum", der größte
Supercomputer Europas, verursacht mit einer Leistung von rund 740 Kilowatt und weiteren 540
Kilowatt für die erforderliche Kühlung Stromkosten von insgesamt zwei Millionen Euro im Jahr. Dies
entspricht einem Drittel des geplanten IT-Budgets. Auf den ersten Blick kostet der Betrieb eines
Servers also doppelt Geld. Das Gute daran: Wer sein Serverkonzept richtig durchdenkt, spart dann
auch doppelt.
Effiziente Komponenten - der Stromverbrauch steckt im Detail
Rund ein Drittel des zugeführten Stroms verbraucht die CPU, 20 Prozent das Netzteil, Mainboard,
Arbeitsspeicher und Lüfter benötigen jeweils rund zehn Prozent und die Festplatten gut 15 Prozent.
3,5-Zoll-Festplatten sind beim Stromverbrauch teurer als 2,5-Zoll-Platten, schnell drehende
brauchen mehr Energie als langsam drehende. Sicher geht es aber nicht nur darum, das
Energiesparendste zu kaufen, vielmehr sollte ein optimales Preis-Leistungsverhältnis das Ziel sein.
Das wird auch beim Arbeitsspeicher deutlich: Je mehr Speicherplatz pro DIMM (Dual Inline Memory
Module), desto niedriger ist der Stromverbrauch für den gesamten Arbeitsspeicher, da sich die
Anzahl der DIMMs reduziert. Allerdings ist ein 4-GByte-Riegel auch bedeutend teurer als ein
Speichermodul mit einer Kapazität von nur 1 GByte. Wer Wert auf Redundanz legt, muss sich darüber
im Klaren sein, dass ein zweites Netzteil Strom verbraucht, auch wenn es nur auf seinen Einsatz
wartet. Netzteile haben nie einen Wirkungsgrad von 100 Prozent, Energie geht im Wesentlichen durch
die Spannungswandlung verloren. Jedoch gibt es Geräte mit unterschiedlich hohem Wirkungsgrad.
Manche bringen es auf über 80 Prozent, andere schaffen gerade mal 60 Prozent – nicht genutzter
Strom, der nur eines macht: die Umgebung warm.
Mit einer durchdachten Hardware lassen sich rund 40 Prozent an Strom sparen. So sollten
Entscheider beim Serverkauf auf energieeffiziente Lüfter achten. Große Lüfter brauchen weniger
Strom als kleine, denn sie haben größere Rotoren und schaffen so pro Umdrehung mehr Luft beiseite.
Doch nicht jeder Lüfter passt zu jedem Gehäuse. In einem Rack-Server müssen die Lüfter nun einmal
an die häufig geringe Höhe des Chassis angepasst sein, und umgekehrt sind auch Server auf dem
Markt, die mit überdimensionierten Ventilatoren arbeiten. Blade-Server dagegen bieten Vorteile
durch gemeinsam genutzte Lüftereinheiten. Auch mit den richtigen Schränken lässt sich der
Stromverbrauch senken. Mit Temperaturfühlern an einzelnen Servern und verteilt in den Schränken
können Hitzeherde beseitigt werden; gekoppelt mit den Fühlern an bestimmten Punkten im
Rechenzentrum lassen sich die Reaktionszeiten der Klimaanlage verkürzen und damit auch die
Temperaturschwankungen reduzieren. Bei all diesen Überlegungen gilt es jedoch auch, ein
Gleichgewicht zu finden zwischen Stromersparnis und Mehrausgaben bei den einzelnen Komponenten.
Konsolidieren - wie viele Server braucht ein Rechenzentrum?
Nachdem effizientere Hardware ausgewählt ist, lässt sich im nächsten Schritt das Rechenzentrum
ausdünnen. Server arbeiten nicht rund um die Uhr, sie verbringen viel Zeit im Idle-Modus. Dabei
führt der Prozessor keine Operationen durch. Wenn bei einem Server unter Volllast der
Stromverbrauch mit 100 Prozent und im Normalbetrieb 80 Prozent veranschlagt wird, dann kann der
Stromverbrauch im Idle-Modus immer noch bis zu 70 Prozent betragen. Ziel sollte es also sein, so
wenig Server wie möglich im Idle-Modus zu haben. Dies lässt sich erreichen, indem man Hardware
miteinander verschmelzen lässt, soweit das machbar ist; zum Beispiel indem mehrere Anwendungen auf
einer Maschine laufen. Damit sind die Server besser ausgelastet. Weniger Geräte mit rund 80 Prozent
Stromaufnahme im Normalbetrieb sind im Unterhalt billiger als ganze Racks voller Geräte, die sich
oft im Idle-Modus befinden.
Konsolidierung bedeutet aber nicht, die Hardware einfach zu reduzieren. Konsolidierung geht
immer auch Hand in Hand mit dem Einsatz neuer Technik. Wo noch vor drei Jahren 2500
Terminal-Server-User auf 20 Geräte verteilt werden mussten, reichen heute – in Zeiten von
Quad-Core-Prozessoren und reichlich Arbeitsspeicher – acht Server aus.
Servervirtualisierung - vorhandene Hardware richtig auslasten
Ein weiterer Schritt, um Kosten zu senken und die Umwelt zu schonen, sind virtuelle Server. Der
ein oder andere Anwender mag hier noch skeptisch sein, denn Virtualisierung birgt auf den ersten
Blick eine höhere Komplexität und mehr Verwaltungsaufwand in sich. Auf der anderen Seite stehen
aber zahlreiche Vorteile: Die starren Verbindungen aus Hardware, Betriebssystem und Anwendungen
lassen sich auflösen (siehe auch Artikel auf Seite 44). Nicht jede Applikation braucht ihren
eigenen Server, nicht immer muss für eine Aufgabe ein physischer Server im Rack hängen. Oft reicht
es aus, wenn er als "Gast" auf einem anderen System läuft – zum Beispiel unter "Vmware
Infrastructure". Die scheinbar höhere Komplexität ist kein Thema, wenn beim Einsatz von
Virtualisierungslösungen auch gleich die Automatisierung der Serverlandschaft mit bedacht wird.
Eine Automatisierungsfunktion kann zum Beispiel ein Steuermechanismus sein, der bestimmte
Ereignisse im Rechenzentrum erkennt und daraus autonom entsprechende Aktionen ableitet.
Automatisierung - auch Server dürfen Pause machen
In Büroumgebungen greifen Mitarbeiter immer wieder auf die unternehmenseigenen Server zu. Dabei
gibt es Zeiten mit mehr und mit weniger Zugriffen und in der Nacht oftmals einige Stunden Ruhe.
Warum also nicht die Server abschalten, auf die gerade niemand zugreift? In diesem Punkt können die
deutschen Unternehmer von ihren Kollegen in Japan lernen. Dort stellen die Firmen ihre Server
abends ab, wenn die Angestellten nach Hause gehen. Zum Einen trägt die Wohn- und Arbeitsumgebung in
den dicht besiedelten Städten viel zum Energiebewusstsein bei, zum Anderen dürfen in Japan keine
elektrischen Geräte unbeaufsichtigt laufen – es sei denn, man hat zu viel Geld und will es der
Versicherung in Form von Sonderzahlungen geben. Viele Unternehmen wollen sich diese Sonderzahlungen
nicht leisten und so sind gerade in kleineren Firmen und Zweigstellen die Server über Nacht
abgestellt.
In Deutschland ist so etwas weitgehend undenkbar, hier käme niemand auf die Idee, einen Server
abzuschalten, der ohne Prob-leme läuft. Dabei ließe sich mit einer entsprechenden Automatisierung
richtig viel Strom sparen. Bei einer automatischen Steuerung der oben beschriebenen Büroumgebung
würden immer nur so viele Server wie nötig arbeiten, um die Anfragen der Mitarbeiter performant
bereitzustellen. Das System könnte dann Server hochfahren oder abstellen, je nach Bedarf. Solche
Automatisierung ließe sich auf unterschiedliche Weise umsetzen: Zum Beispiel über zeitgesteuerte
Prozesse, die auf der Basis von Erfahrungswerten konfiguriert werden. Betreiber könnten aber die
Steuerung auch über festgelegte Last- oder Anwender-Grenzwerte definieren: Untere Grenzwerte fahren
überzählige Server herunter, obere Grenzwerte nehmen sie wieder in Betrieb. Das Betriebssystem
eines physischen Servers läge dabei als Image auf einem Datenspeicher, zum Beispiel in einem SAN.
Dabei muss allerdings sichergestellt sein, dass je nach Anforderungen an den Service Level immer
eine angemessene Reserve einsatzbereit oder in Form von virtuellen oder physischen Maschinen
schnell genug zuschaltbar ist.
Energieeffiziente Serverstrukturen - Möglichkeiten und Grenzen
Der Einsatz von immer leistungsstärkeren Servern und Blades hat in den letzten Jahren den
Stromverbrauch in Serverräumen und Rechenzentren in die Höhe schnellen lassen. Lag die übliche
Serverleistung Anfang der 90er-Jahre noch bei rund einem Kilowatt pro Quadratmeter, so gelten heute
fünf Kilowatt als normal und mit Blade- Servern lassen sich mehr als 25 Kilowatt pro Rack verbauen.
Da die Kompaktheit und Leistungsfähigkeit weiter steigen werden, bleibt das Energieproblem
bestehen: Mehr Server auf gleichem Raum heißt höherer Stromverbrauch für Server, mehr Abluft, die
es zu kühlen gilt und somit noch höherer Energiebedarf.
Dieser Bedarf lässt sich mindern, wenn das Rechenzentrum mittels Konsolidierung und
Virtualisierung besser ausgelastet wird und so die gesamte Infrastruktur optimal genutzt werden
kann. Bis zu 80 Prozent weniger Stromverbrauch sind möglich, wenn die Auslastung entsprechend
steigt. Unternehmen wie Fujitsu Siemens Computers legen bei der Entwicklung ihrer
Infrastrukturlösungen für virtuelle IT-Umgebungen einen besonderen Fokus auf Energieeinsparungen.
So ermöglicht die von den Ingenieuren des Unternehmens entwickelte Automatisierungstechnik Adaptive
Services Control Center (ASCC), Ressourcen und Applikationen bestimmten Servern zuzuweisen. Server,
die sich im Leerlauf befinden oder nur gering ausgelastet sind, werden automatisch ausgeschaltet
und die gerade laufenden Anwendungen auf die anderen Server verteilt. Damit lässt sich nicht nur
der Energieverbrauch der Server senken, sondern auch die Wärmeentwicklung verringern, was außerdem
zusätzlich Strom für die Kühlung spart.
Unterm Strich lässt sich so mit Industriestandardservern bei richtiger Wahl der Komponenten
sowie Virtualisierungs- und Automatisierungslösungen auch bei großer Serverdichte auf kleinem Raum
eine Energieeinsparung von bis zu 87 Prozent erreichen.
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