Energieeffizienz in EDV Räumen


Zuletzt aktualisiert von Samantha Di Cosmo am 22.07.2014

Artikel Introbild
Server verursachen in EDV-Räumen einen grossen Stromverbrauch da sie 24 Stunden in Betrieb sind. In diesem Beitrag werden verschiedene Server sowie Messungen vorgestellt.
Energieeffizienz in EDV Räumen

Einleitung

Im Auftrages vom ewz wurde im Jahr 2009 von Rolf Gloor folgender Bericht verfasst:

Ziel: Kriterien zur Abschätzung des Stromverbrauchs von kleineren EDV Räumen unter besonderer Berücksichtigung der Kühlung und Vorschläge für konkrete Energiesparmassnahmen.

Vorgehen: Messungen an diversen Anlagen, Besprechungen mit Verantwortlichen, Spezialisten und Mitarbeitern, technische und wirtschaftliche Beurteilung von umgesetzten Energiesparmassnahmen, Checkliste für die Abschätzung des Energieverbrauchs, Musterbeispiele von guten Lösungen.

Messungen

Mit Messgeräten wurden 4 Anlagen untersucht:
• Anlage 1 und 2: 2 Serverräume beim ewz in Zürich
• Anlage 3: 1 Serverraum beim Internet Serviceprovider I-Quest in Chur
• Anlage 4: 1 Server im Ingenieurbüro Semafor in Basel
• Leistungsmessung: 2 EMU 1.24 K und Fluke 43B mit Stromzange 80i-500s
• Temperaturmessung: IR Thermometer Fluke 80T-IR

Serverschrank Server
Abb. 1: Serverschrank beim ewz mit 10 mal 12 Harddisks, Kosten rund 400'000 Franken. Abb. 2: Neuer HP-Blade bei I-Quest mit 8 Server zu je 2 Harddisks für rund 50'000 Franken.

Die untersuchten Anlagen 1 bis 3 sind rund um die Uhr in Betrieb, an einer USV angeschlossen und die Raumtemperatur beträgt 18 °C. Die eingesetzten Hard- und Softwarekomponenten sind teilweise über 10 Jahre alt und von unterschiedlichen Herstellern. Die Preise für Server und Harddisks sind bei vergleichbarer Rechenleistung und Speicherplatz etwa 5 bis 10-mal höher, als die von Desktopcomputern.

Im Serverraum des ewz konnten einige Komponenten einzeln ausgemessen werden:

Gerät Ausrüstung Leistungsaufnahme
Kategorie typ Netzteile Harddisks aus Leerlauf Vollast
Server HP DL 380 2 HE 1 2 12 W 163 W 180W
3 177 W 195 W
6 213 W 232 W
HP ML 370 5 HE 1 2 14 W 180 W
6 223 W
2 6 23 W 270 W
Switch Black Box 24 Port (mit Hauptschalter) 0 W 19 W
Storage HP SDLT 320 (mit Hauptschalter) 0 W 27 W 33 W
Tab. 1: Zusammenstellung der gemessenen Leistungsaufnahme von Komponenten. Bei den Harddisks handelt es sich um HP HD SCSI 146 GB. Die beiden Server haben eine vergleichbare Leistung, wobei der eine 2,5 mal mehr Platz benötigt. Ein Server nimmt etwa 150 W Leistung auf und eine Harddisk etwa 13 W.

Im Folgenenden wird versucht, eine Beziehung zwischen der Serverrauminstallation und der gemessenen Leistungsaufnahme herzustellen:

Methode Grösse ewz 1 ewz 2 I-Quest
Messung nach USV Phase 1 1'370 W 3'280 W 3'480 W
Phase 2 4'420 W 2'550 W 9'780 W
Phase 3 1'970 W 2'310 W 4'300
Summe 7'760 W 8'140 W 17'560 W
Serverraumfläche Raumfläche geschätzt 30m² 30m² 40m²
270 W/m² 8'100 W 8'100 W 10'800 W
Fehler -4% 0% 38%
Rackschränke Rackschränke mit Server 4 RS 4 RS 8 RS
2'000 W/RS 8'000 W 8'000 W 16'000 W
Fehler -3% 2% 9%
Höheneinheiten Anzahl Höheneinheiten 92 HE 83 HE 198 HE
90 W/HE 8'280 W 7'470 W 17'820 W
Fehler -7% 8% -1%
Komponenten Anzahl Höheneinheiten 92 83 198
30 W/HE 2'760 W 2'490 W 5'940 W
Anzahl Server 22 33 74
140 W/Server 3'080 W 4'620 W 10'360 W
Anzahl Harddisk 140 72 150
13 W/HD 1'820 W 936 W 1'950 W
Summe 7'660 W 8'046 W 18'250 W
Tab. 2: Zusammenstellung der gemessenen Leistungsaufnahme der Anlagen 1 bis 3. Ausser der Berechnung über die Serverraumfläche haben alle Methoden einen Fehler von weniger als 10%. Am genausten ist die Berechnung über die Anzahl Höheneinheiten, Server und Harddisks.

Da man die einzelnen Anlagenteile nicht abschalten sollte, wurde in der Anlage 1 versucht, über die Abluftmenge und Temperaturdifferenz die Leistung der einzelnen Schränke zu bestimmen. Die über den Schränken aufgebauten Absaugrohre mit Messöffnungen boten sich an. Die Messung ergab aber gegenüber der Strommessung einen Fehler von 25%. Hauptursache für den Fehler wird die kurze Rohrstrecke ein, welche keine genaue Geschwindigkeitsmessung zulässt.

Aus der Leistungsmessung lässt sich der Jahresstromverbrauch leicht bestimmen, da die Anlagen nicht abgeschaltet werden.

• Pro m² Serverraum : 2'400 kWh/m²a
• Pro Schrank mit Server: 17'500 kWh/a
• Pro aktive Höheneinheit: 800 kWh/a
• Pro Server mit 2HE und 2HD 2'000 kWh/a

Die Anlage 4 besteht aus nur einem Server, bei dem der Sleepmodus aktiviert ist. Der Dell PowerEdge 750 nimmt unter Volllast eine Leistung von 130 W auf, im Leerlauf sind es 83 W und im Sleepmodus 3 W. Ohne Sleepmodus wäre der Jahresstromverbrauch 750 kWh/a, mit Sleepmodus während 5600 Stunden im Jahr sind es nur 300 kWh/a, was einer Energieeinsparung von 60% entspricht.

Externe Daten

Gemäss einer EU-Studie beträgt das alleine durch den Einsatz energieeffizienter Hardware-Komponenten erzielbare Einsparpotenzial bei Server-Systemen zwischen 10 und 30%. Messungen marktüblicher Server-Systeme zeigen eine grosse Streuung bei der Leistungsaufnahme, was ebenfalls auf ein entsprechendes Potenzial hindeutet.

Marke Modell Leistung Kategorie
HP BL20p 120 W CHF 5'000.-
HP ML310 124 W CHF 3'000.-
Fujitsu TX150 125 W CHF 3'000.-
IBM 205 136 W CHF 3'000.-
HP ML110 136 W CHF 3'000.-
IBM 206 140 W CHF 3'000.-
Fujitsu F200 140 W CHF 8'000.-
Fujitsu P200 140 W CHF 8'000.-
IBM HS20 142 W CHF 5'000.-
HP DL320 143 W CHF 3'000.-
Dell 2650 145 W CHF 5'000.-
Fujitsu Econel 150 W CHF 3'000.-
IBM 345 155 W CHF 8'000.-
IBM 346 155 W CHF 5'000.-
Fujitsu RX300 176 W CHF 8'000.-
Fujitsu TX300 185 W CHF 8'000.-
Dell 1850 187 W CHF 5'000.-
HP DL360 187 W CHF 5'000.-
Marke Modell Leistung Kategorie
HP DL140 202 W CHF 3'000.-
HP ML330 204 W CHF 3'000.-
Dell 2850 219 W CHF 5'000.-
HP DL380 227 W CHF 8'000.-
HP ML350 231 W CHF 3'000.-
HP ML370 246 W CHF 5'000.-
IBM 235 277 W CHF 8'000.-
HP ML530 280 W CHF 8'000.-
Dell 6600 300 W CHF 15'000.-
Dell 6650 300 W CHF 15'000.-
Sun V240 300 W CHF 8'000.-
HP DL585 358 W CHF 15'000.-
HP DL580 370 W CHF 15'000.-
HP 6850 381 W CHF 15'000.-
HP ML570 407 W CHF 15'000.-
Sun V440 520 W CHF 15'000.-
IBM 366 655 W CHF 15'000.-
Sun 280R 712 W CHF 15'000.-
Tab. 3: Zusammenstellung der gemessenen Leistungsaufnahme von verschiedenen Servern, sortiert nach der Leistung (Quelle EU-Studie www.efficient-server.eu). Man erkennt, dass vor allen die teuren Server eine hohe Leistungsaufnahme haben und das die Hälfte der Server eine Leistungsaufnahme von 120 bis 190 W haben.

Energiekonsum und Anwendungen

Eigentlich sollte ohne Besichtigung der Hardware anhand der EDV Leistungen eines Unternehmens der Energieaufwand abgeschätzt werden. Was wird gemacht? Welches sind die Kriterien um die Leistung der Datenverarbeitung zu erfassen. Auf der einen Seite sollten nur die energetisch relevanten Aufgaben erfasst werden und auf der anderen Seite sollten nur Kriterien gefragt werden, welche der Betreiber wissen kann. Mögliche Fragen wären: Anzahl Clients und Arbeitszeit, Zugriff ausserhalb der Arbeitszeit, Branche (Ingenieurbüro, Anwaltkanzlei, Druckerei, Provider …), Betriebssysteme (Unix, Linux, Windows, Apple …), Applikationen (Katalog mit energetischem Einfluss, MS Office, SAP …), erforderlicher redundanter Speicher, vorhandener Speicher, Back-up und eventuell weitere Dienste? Aus diesen Daten sollten ein Durchschnittswert und ein Zielwert errechnet werden können. (z. B. 1 MWh/a und 0,3 MWh/a).

Leider sind noch keine Zeichen erkennbar, dass ein solcher Ansatz (Energiekonsum und Anwendung) erarbeitet wird, denn das ist die Basis für die Energieeffizienz. Theoretisch könnten die Aufgaben der meisten Serveranlagen im KMU-Umfeld mit sehr viel weniger Hardware gemeistert werden und somit auch mit einem viel geringeren Energieaufwand.

Massnahmen in EDV-Anlagen

Die üblichen Stufen der Vorgehensweise bei Energiesparmassnahmen:

a) Abschalten

Was kann alles abgestellt werden? 1000 Watt weniger Dauerleistung entsprechen einer jährlichen Energiekosteneinsparung von 1000 Franken. Gemäss dem Erkenntnistand der Wissenschaft hat das Abschalten keinen negativen Einfluss auf die Zuverlässigkeit von Elektronikkomponenten, welche sowieso vor dem Ende ihrer Lebensdauer veraltet sind. Trotz diesem Allgemeinwissen weigern sich die meisten Verantwortlichen für Serveranlagen dieses Umzusetzen. Abschalten sollte man bei Nichtgebrauch:

  • Arbeitsplätze (Steuerbirne um alles abzuschalten)
  • Peripherie (Drucker, Monitore, Switch, Wifi, Licht …). Ein- und Ausschaltung über separate Schalter, über das Netzwerk oder über Präsenzmelder.
  • Komponenten welche nicht mehr benötigt werden aber immer noch an der Steckdose angeschlossen sind. Manche Serverräume haben Ähnlichkeit mit einer Gerümpelkammer.
  • Automatisches Abschalten des ganzen Serverraums nach dem Back-up. Den oft erwähnten eigenen Mailserver kann man auch bei einem Internetprovider betreiben. Vielleicht kann man auch nur einen Teil der Anlage abschalten.

b) Leistungsreduktion

Die elektrische Leistung der heutigen Prozessoren für den Server-Einsatz beträgt zwischen Intel (Xeon, Itanium) 75 - 130 W und AMD (Opteron) 75 - 105 W.

Die CPUs der meisten Server-Systeme sind in der Regel wenig ausgelastet. Es bieten sich daher verschiedene Massnahmen an, um den Stromverbrauch einer CPU zu reduzieren: Modulation der Taktfrequenz (Duty Cycle), Abschalten von Teilkomponenten und Reduktion der Taktfrequenz und Spannung. Die letzte Massnahme ist am wirkungsvollsten. Bis zu etwa 20% der Leistung lassen sich damit einsparen.

Verschiedene Firmen haben dazu den ACPI-Standard (10) entwickelt. Der Standard beschreibt unter anderem die verschiedenen Betriebsmodi einer CPU:

S0 System ist voll funktionsfähig.

S1 einfachster Schlafmodus; wenige Funktionen sind abgeschaltet, die CPU ist angehalten (Throttle).

S2 erweiterter Schlafmodus. Weitere Komponenten sind abgeschaltet, insbesondere der Cache der CPU.

S3 Stand-by-Modus (Suspend to RAM, STR, Suspend to memory, STM) – die meiste Hard-ware des Motherboards ist abgeschaltet, der Betriebszustand auf einem flüchtigen Speicher gesichert.

S4 Ruhezustand (Hibernation, Suspend to disk, STD) – der Betriebszustand ist auf einem nicht-flüchtigen Speicher gesichert.

S5 Soft-Off-Modus, System ist quasi ausgeschaltet, aber das Netzteil liefert Spannung, und das System kann mit einem mechanischem Taster ("Einschaltknopf"), der am Mainboard angeschlossen ist, oder – je nach Modell und BIOS-Setup – auch über die Netzwerkschnittstelle wieder aktiviert werden.

Die meisten modernen Server-Betriebssysteme (Linux, Solaris, Windows) bieten entsprechende Software um diese Möglichkeiten zu nutzen.

c) Konsolidierung der Serverhardware

Die grösste Einsparung bringt die Reduktion der Anzahl Server. Durch die Virtualisierung wird eine Umgebung kreiert, welche den Betrieb mehrerer, voneinander unabhängiger Gastsysteme auf derselben Hardware ermöglicht. Dadurch resultieren folgende Vorteile:

  • reduzierte Hardware- und Unterhaltskosten durch bessere Ressourcen-Nutzung: Ressourcen können nach Bedarf zugewiesen oder beschränkt werden,
  • vereinfachte Administration durch einheitliche Konfiguration,
  • Flexibilität: virtuelle Umgebungen können schnell und mit wenig Aufwand eingerichtet und kopiert werden,
  • Sicherheit: durch fehlerhafte Software, Sicherheitsmängel etc. verursachte Schäden bleiben auf die jeweilige virtuelle Umgebung beschränkt und können nicht auf andere Dienste übergreifen,

Das Einrichten einer Virtualisierungsumgebung und ihrer Gastsysteme ist oft mit einem nicht unerheblichen Initialaufwand verbunden, der sich jedoch in vielen Fällen durch den betrieblichen Nutzen wirtschaftlich rechtfertigen lässt. Hingegen muss beachtet werden, dass sich nicht alle Applikationen in eine Virtualisierungsumgebung einfügen lassen. Dies trifft im Allgemeinen auf Applikationen zu, die spezielle Hardware benötigen.

d) Auslagern der Serverdienste

Durch die heute vorhandenen schnellen Datenleitungen können die Serverdienste auch ausgelagert werden. Eine gutes Rechenzentrum kann die Administrationsaufgaben professionell ausführen, kann die Anwendungen in die vorhandene Infrastruktur integrieren (Stichwort: Servervirtualisierung) und verursacht dadurch einen geringeren Energiekonsum als eine betriebseigenen Serveranlage. Wahrscheinlich wird der Datenschutz in einem guten Rechenzentrum auch besser sein. Das Problem liegt meistens im mangelnden Vertrauen in eine fremde Firma.

e) Energieeffiziente Beschaffung

Das bei elektronischen Bürogeräten schon bekannte Label EnergyStar gibt es auch für Server. Die US-amerikanische Umweltbehörde EPA entwickelt zurzeit eine EnergyStar-Spezifikation für Server-Systeme. Die aktuelle Version Draft 3 legt folgende Mindestanforderungen fest:

  • Netzteilwirkungsgrad: besser als 82% zwischen 20 und 100% Nennlast
  • Leistungsfaktor: besser als 0.8 bei 20% und besser als 0.9 bei 50 - 100% Nennlast
  • Leistungsaufnahme im Leerlauf (1 Harddisk): Systeme mit 1 Prozessor: 60 W, Systeme mit 2 und 3 Prozessoren: 151 - 221 W und System mit 4 Prozessoren: 271 W

Die Leistungsaufnahme mit einer zusätzlichen Disk darf sich maximal um 15 W erhöhen und bei mehr als 2 zusätzlichen Disks jeweils um 8 W/Disk. Blade-Server werden von dieser Spezifikation ausgenommen.

Eine Harddisk mit einer grossen Speicherkapazität (z. B. 750 GB) braucht etwa gleichviel elektrische Leistung wie eine mit kleineren Kapazität (z. B. 150 GB). Für einen schnellen Datenzugriff gibt es auch SSD (Solid State Disk), welche schneller und energieeffizienter als eine Harddisk mit 15'000 U/min ist.

Wie im Kapitel 5 schon erwähnt, sollten beim Kauf von Applikationen auch der Hardwareaufwand und der damit verknüpfte Elektrizitätsbedarf in die Kaufentscheidung einfliessen. Die Serveranlage hat man ja nur für die Applikationen und nicht umgekehrt.

Massnahmen in der Infrastruktur um EDV-Anlagen

In Serverräumen fällt viel Abwärme an, je nach Dichte zwischen 200 und 400 W pro m² Fläche. Obwohl seit über 10 Jahren bekannt ist, dass Computeranlagen bis zu einer Umgebungstemperatur von 26 °C keine Einschränkung in der Zuverlässigkeit und Lebensdauer erfahren, liegt die Zulufttemperatur in vielen Serveranlagen unter 20 °C.

Server Abbildung
Abb. 3: In grösseren Serverräumen wir die Zuluft über einen Hohlraumboden unten in den Serverschrank zugeführt und die warme Abluft oben an Decke abgesaugt. Dieses Grundprinzip ist gut, schlecht ist aber, dass die Zuluft meistens zu kalt ist (24 ° wäre richtig), die Umluftmenge nicht auf eine Temperaturdifferenz von zum Beispiel 10 °C eingestellt ist und dass die Kühlung nicht über die Aussenluft erfolgt. Erst bei Aussentemperatur über 22 °C sollte eine Kältemaschine in den Kreis geschaltet werden.

Wenn der Serverraum klimatisiert ist, dann sollte die Luftführung eine klare Hauptrichtung von unten nach oben haben. Wenn die Serverschränke nicht geschlossen sind, ist darauf zu achten, dass die Abluft des einen Gerätes nicht in die Zuluft des gegenüberliegenden gelangt. Bei geschlossenen Serverschränken sollte die Zuluft vorne, und die Abluft hinten. Damit keine Kurzschlüsse entstehen, sind alle nicht besetzten Höheneinheiten mit Blenden zu verschliessen. Die empfindlichen Geräte sollten unten angeordnet sein, denn dort ist es am kältesten.

Ein Serverraum ist auch ist auch eine Quelle für nutzbare Abwärme. Im Winter könnte man die warme Abluft direkt über eine Lüftungsanlage (etwa 500 m²/h pro 1 kW Abwärme) in die umliegenden Räume führen. Dabei ist zu beachten, dass die Zuluft in den Serverraum, welche sinnvollerweise aus diesen Räumen kommt, gefiltert wird, damit sich kein Staub festsetzt. Die Abwärme aus dem Serverraum kann natürlich auch in die Haustechnikanlagen eingespeist werden. Eine weitere Idee ist die Aufstellung einen Wärmepumpenboilers im Serverraum.

Für die Sicherung der Stromversorgung werden meistens USV-Anlagen eingesetzt, welche pro bezogene Kilowattstunde im besten Fall nur 70 Watt Leistung verheizen. Wenn man die Ausfallrate des öffentlichen Stromnetzes mit der Störungsrate von USV-Anlagen vergleicht, so kann man kaum einen Unterschied feststellen. Es gibt auch den Trick, dass man das eine Netzteil eines Gerätes an das Stromnetz und das andere an die USV anschliesst.

Die meisten Serversysteme sind mehrfach abgesichert und sollten den Ausfall eines Netzteiles oder der Stromversorgung unbeschadet überstehen.

Wirtschaftlichkeit

Die Rentabilität der Energieeffizienz in EDV-Räumen kann sehr gross sein, wenn man systematisch die einzelnen Massnahmen überprüft. Gemessen an den hohen Kosten für die Komponenten, für die Applikationen, für die internen und externen Informatikspezialkisten sowie an der zunehmenden Abhängigkeit der ganzen Unternehmung von der EDV-Anlage scheut man sich oft, in diesem Bereich etwas nur wegen der Energieeffizienz zu ändern.

Unterlagen

Tabelle
Tab. 4: Zusammenstellung der Parameter für eine Leistungsabschätzung von Server sowie eine Checkliste für die verschiedenen möglichen Energiesparmassnahmen. Weitere Erklärungen sind auf dem Tabellenblatt rechts auf der Eingabeseite zu finden.

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