Titelaufnahme

Titel
Energieeffizienzsteigerung im Rechenzentrum
Weitere Titel
Energy efficiency increase in data centers
AutorInnenSalbrechter, Georg
GutachterMach, Engelbert
Erschienen2018
Datum der AbgabeMärz 2018
SpracheDeutsch
DokumenttypBachelorarbeit
Schlagwörter (DE)Energieeffizienz / Rechenzentrum / Effizienzsteigerung
Schlagwörter (EN)energy effiziency / Datacenter / Efficiency increase
Zugriffsbeschränkung
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Klassifikation
Zusammenfassung (Deutsch)

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit dem Thema Energieeffizienz im Rechenzentrum, wobei hier in erster Linie zwischen organisatorischen und technischen Maßnahmen unterschieden werden muss. In dieser Arbeit hat der Autor versucht beide Aspekte einzubringen und anhand der aktuellen Situation versucht das Potential an Einsparungsmöglichkeiten zu erheben. Dazu wurde im ersten Schritt das größtmögliche Potential in den Bereichen Organisation / Betrieb, Kühlung und dem Einsatz der vorhandenen Hardware identifiziert.

Aufgrund der in vielen Rechenzentrum vernachlässigten Messung von Kennzahlen wie z.B. Abluft- und Zulufttemperatur, Luftfeuchtigkeit und Serverauslastung können auch die diversen Key Performance Indikatoren, wie die partial Power Usage Effectiveness oder die Energy Efficiency Ratio der Klimatisierungssysteme, nicht gebildet werden. Dadurch ist es für die Betreiber nahezu unmöglich Aussagen über das Effizienzniveau in ihren Rechenzentren zu tätigen, somit fehlt oft auch das Bewusstsein dafür, dass die Energieeffizienz oft mit einfachen, kostengünstigen Maßnahmen drastisch gesteigert werden kann und somit die Kosten für den Betrieb erheblich reduziert werden können.

Sind diese Messungen umgesetzt und in einen Energiemanagementprozess integriert, kann über den Einsatz von einem Data Center Infrastructure Management nachgedachte werden. Ein solches System sollte aber nicht zur Einführung eines Energiemanagementprozesses eingesetzt werden, sondern einen etablierten Prozess lediglich unterstützen. Diese Unterstützung der Prozesse kann von einer schlichten grafischen Darstellung des Monitorings und der Key Performance Indikatoren bis hin zu einer Simulation von geplanten Änderungen und dem Austesten auf gefährliche Hot-Spots, noch bevor im physischen Rechenzentrum Änderungen vorgenommen werden, reichen. Anhand dieser Simulationsfunktion lassen sich, auch wenn das nicht das Hauptziel solcher Managementsysteme ist, schnell Potentiale für eine gesteigerte Energieeffizienz erkennen und dementsprechende Änderungen im Betrieb oder der Struktur des Rechenzentrums vorgenommen werden.

Die effektivsten Möglichkeiten die Energieeffizienz zu steigern liegen in den Kühlsystemen, da hier ein großer Teil der, für den Betrieb des Rechenzentrums, aufgewendeten Energie eingesetzt wird. Hier reichen die sinnvollen Maßnahmen von einer Umstellung der Racks nach dem Kalt- und Warmgangsystem, über eine Erhöhung der Zulufttemperatur und damit verbundener Einsparungen im Betrieb der Klimatisierungsgeräte, bis hin zu dem Einsatz von freier Kühlung, also dem Einblasen von Außenluft ohne diese vorher mit technischen Maßnahmen gekühlt zu haben.

Der letzte Teil der vorliegenden Arbeit beschäftigt sich mit dem Einsparungspotential direkt auf Hardwareebene, bzw. mit dem Betrieb der Hardware. Hier ist der naheliegendste Ansatz, der Einsatz von neuerer und somit effizienterer Hardware. Dieses Potential ist allerdings schnell ausgeschöpft, und auf lange Sicht wenig erfolgreich. Um auf lange Sicht Einsparungen zu erzielen, sollte das erste Ziel eine möglichst hohe Auslastung der einzelnen Hardwarekomponenten sein. Dieses Ziel kann zum einen durch Konsolidierungsmaßnahmen von mehreren leistungsschwächeren Systemen auf ein leistungsstarkes System, oder auch durch einen flächigen Einsatz von Virtualisierungstechniken erreicht werden. Dabei sollte allerdings nicht außer Acht gelassen werden, dass durch Virtualisierung Probleme bzw. Schwierigkeiten in Bezug auf die Netzwerktechnik auftreten können, da sich hier alle virtuellen Maschinen auf einer Hardware diesen einen Netzwerkanschluss teilen müssen. Demzufolge ist eine entsprechen faire und durchdachte Verwaltung von besondere Wichtigkeit.

Zusammenfassung (Englisch)

This bachelor thesis deals with the potential to increase the energy efficiency in modern data centres, which includes organizational and technical actions. The author of this thesis tries to include both aspects and analyse the potential energy savings on today’s data centres. The highest energy saving potential was identified at the organisation, the cooling systems and at the use of available IT hardware.

Because of the, in most data centres, not available recording of some basic indicators, like the outlet air temperature, inlet air temperature, humidity or the overall hardware utilization, it is not possible to calculate some key performance indicators like he partial power usage effectiveness or the energy efficiency ratio of cooling systems. Without these indicators it is very hard to provide information about the current efficiency level, subsequently there is barely no awareness for cheap and easy realizable changes to raise the energy efficiency level and the operating costs.

Once that monitoring is implemented and used in an energy management process, it could be used in a data centre infrastructure management. These management systems should only be used to support an existing energy management process, but not to implement one. The functions of a data centre infrastructure management system could include simple graphical charts to visualize the monitoring data and the key performance indicators or more complex simulation of planed changes in the hardware structure of the data centre to identify hot spot areas before the physical change is done. With these systems it is possible to identify energy saving potential, even this is not the main target of such a system, without a trial and error strategy but to use the simulation function.

The most effective way to reduce the energy consumption leads across the cooling systems. These systems consume a huge part of the overall energy consumption and could easily be optimized by changing the current position of the racks into a hot and cold aisle, furthermore the inlet air temperature could be raised to a higher level, to reduce the load of the cooling systems. When the inlet air temperature is above the outer air, it is possible directly use outer air for cooling, so there is no need of technical cooling systems.

The last part of this bachelor thesis deals with the energy saving potential on hardware level and the operation of the hardware. The nearby way is to just use more efficient IT hardware, but this potential is exploit very fast. In the long-term view the best way to increase the energy efficiency level is to increase the hardware utilization, which could be reached by merging some low powered systems to one high powered system or by using virtualization techniques. The difficulty of using virtualization is in the networking systems, because if there are more than one virtual machines on one hardware, they must share one network attach which could cause problems with the transfer rate. Because of that it is important to use a fair management of network resources on virtual servers.