Software Defined Power und Direkte Wandlung für Rechenzentren

Neue Stromversorgungsarchitekturen drücken die Datacenter-Kosten

| Autor / Redakteur: Bob Cantrell* / Ulrike Ostler

Windkraftanlagen erzeugen erneuerbare Energie im kalten Klima Nordschwedens – ein attraktiver Standort für Rechenzentren.
Windkraftanlagen erzeugen erneuerbare Energie im kalten Klima Nordschwedens – ein attraktiver Standort für Rechenzentren. (Bild: Business Sweden/The Node Pole)

Rechenzentren verbrauchen derzeit rund 3 Prozent des weltweit erzeugten Stroms, was 2 Prozent der weltweiten Treibhausgasemissionen entspricht. Anders ausgedrückt, dieser CO2-Fußabdruck ist in etwa genauso groß wie der der gesamten Luftfahrtindustrie. Moderne Stromversorgungsarchitekturen aber können den Stromverbrauch in Rechenzentren verringern.

Die Energiemenge, die in Rechenzentren verbraucht wird, verdoppelt sich alle vier Jahre – und da immer mehr Datenverarbeitung in die Cloud verlegt wird, wird sich dieser Trend sicher nicht verlangsamen. Allein in den USA erreichte der Energiebedarf von Rechenzentren im Jahr 2014 an die 70 Milliarden Kilowattstunden. All diese Energie ist sehr teuer. Angesichts dieser Mengen können selbst kleinste Stromeinsparungen zu Einsparungen im zweistelligen Millionen-Dollar-Bereich führen.

Bob Cantrell, Senior Application Engineer bei Ericsson Power Modules, ist der Autor dieses Fachbeitrags.
Bob Cantrell, Senior Application Engineer bei Ericsson Power Modules, ist der Autor dieses Fachbeitrags. (Bild: Ericsson Power Modules)

Rechenzentren verbrauchen Energie in zwei Bereichen: erstens die Server, Netzwerkeinrichtungen und Massenspeicher, und zweitens, sind umfangreiche Kühlsysteme beziehungsweise Klima-Anlagen erforderlich, um die Ausrüstung kühl zu halten. Auch die Kühlsysteme verbrauchen große Mengen an Energie. Vorhaben, den Energieverbrauch in Rechenzentren zu verringern, konzentrieren sich daher auf effizientere Ausrüstung, um die Anforderungen an die Kühlung zu verringern.

Kühlere Umgebungen

Moderne Lösungen, um den Kühlbedarf in Rechenzentren zu verringern, gehen das Problem in mehrfacher Hinsicht an. Eine Möglichkeit besteht darin, die maximale Umgebungstemperatur zu erhöhen, mit der die Geräte betrieben werden können. Server lassen sich somit sicher und zuverlässig in einer wärmeren Umgebung betreiben.

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Nach umfangreichen Untersuchungen haben Intel und andere Unternehmen die Umgebungstemperaturen in ihren Rechenzentren gegenüber dem allgemein genutzten Bereich von 20 bis 22 Grad erhöht, ohne damit die Zuverlässigkeit der Ausrüstung wesentlich zu beeinträchtigen. Für jedes Grad, um das diese Temperatur erhöht wird, können die Energiekosten für die Kühlung um 4 Prozent verringert werden.

Kalte Heimat

Eine weitere Möglichkeit, die Kühlkosten zu senken, besteht darin, Rechenzentren in kältere Teile der Welt zu verlegen. Skandinavische Länder wie Norwegen und Schweden haben diesen Trend eingeführt und bieten über das gesamte Jahr ein kühles Klima. Dies kann dazu beitragen, die Kühlkosten zu reduzieren, da die natürlich vorhandene kühle Luft, die kostenlos erhältlich ist, einfach in das Rechenzentrum eingespeist wird, anstatt diese erst kühlen zu müssen.

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Länder wie diese, die stark von Wasserkraftwerken und anderen erneuerbaren Energieträgern abhängen, bieten auch eine kohlearme Stromversorgung. Schweden hat vor kurzem seinen Steuersatz für die Energieversorgung von Rechenzentren stark reduziert. Facebook verfügt bereits über zwei Rechenzentren in Luleå, Schweden und eines in Odense, Dänemark. Andere Unternehmen folgen; denn auch sie wissen, dass die kältere Außentemperatur praktisch eine kostenlose Klima-Anlage darstellt und eine zuverlässige, umweltfreundliche, kostengünstige Lösung bereitstellt, die bei Bedarf sofort zur Verfügung steht.

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Erhöhung der Hardware-Auslastung

Abgesehen von geringeren Kühlungsanforderungen wird auch der Strombedarf in Rechenzentren selbst verringert, zum Beispiel durch das Ausschalten der Lichter – es sei denn, es gibt einen Grund, das Licht einzuschalten, zum Beispiel wenn Techniker Zugriff auf die Hardware benötigen.

Eine höhere Server-Effizienz ist ein weiterer wichtiger Bestandteil, damit Betreiber von Rechenzentren den Energieverbrauch reduzieren können, beispielsweise durch Server-Virtualisierung. Dabei kommt Software zum Einsatz, um Server-Hardware in mehrere virtuelle Umgebungen aufzuteilen, sodass mehrere virtuelle Server gleichzeitig auf derselben physikalischen Hardware ausgeführt werden können. Dies ist wesentlich effizienter und minimiert die Menge an Server-Hardware, die zu einem beliebigen Zeitpunkt in Betrieb sein muss. Insgesamt verringert sich damit der Energieverbrauch.

Neue Stromversorgungsarchitekturen

Die Technik, die für die Stromversorgungsinfrastruktur zum Einsatz kommt, ist auch für die Energie-Effizienz moderner Rechenzentren entscheidend. Frühere Rechenzentren verfügten über einen Stromversorgungsraum, in dem der eingehende Netzwechselstrom in Gleichstrom umgewandelt und dann an die jeweiligen Schränke verteilt wurde.

Ein typischer Aufbau besteht heute aus der AC-Versorgung, die große Batterien im unterbrechungsfreien Stromversorgungssystem (USV) des Rechenzentrums lädt. Diese USV-Systeme können 380 VDC oder sogar hohe Wechselspannung für die effizienteste Art der Energieverteilung ausgeben. AC/DC-Wandler sorgen für eine Gleichrichtung und anschließend wandelt ein DC/DC-Buswandler die hohe Spannung auf 48 VDC herunter, die dann über einen isolierten Versorgungsbus (Intermediate-Bus) auf andere Teile des Systems verteilt wird. Intermediate-Bus-Wandler (IBCs) wandeln dann die 48V-Busspannung auf 12 VDC um, die wiederum von einzelnen Wandlern am Lastpunkt (PoL; Point of Load) auf den exakten Spannungspegel der Last abgesenkt werden.

Überblick über eine typische Stromversorgungsarchitektur in einem Rechenzentrum.
Überblick über eine typische Stromversorgungsarchitektur in einem Rechenzentrum. (Bild: Ericsson Power Modules)

Individuelle PoL-Wandler sind erforderlich, da Prozessoren, ASICs, FPGAs oder andere Bausteine an diesen Lastpunkten unterschiedliche Anforderungen an die Stromversorgung haben. Dazu zählen unterschiedliche Versorgungsspannungen und Regelungsanforderungen. Der Wirkungsgrad dieses gesamten Netzes – von der Wechselstromleitung bis zur Last – kann etwa 80 Prozent betragen.

Digitale und zentrale Steuerung

Während die einzelnen Wandlungsstufen sehr effizient sind, senkt jede Stufe die zur Verfügung stehende Leistung um einen kleinen Wert und gibt die Verluste in Form von Wärme ab. Durch effizientere Wandlungsstufen kann diese Energieverschwendung reduziert werden, wodurch sowohl der Stromverbrauch als auch der Kühlbedarf sinkt, was weitere Energie einspart.

Viele Rechenzentren wurden von älterer Analogtechnik auf digital geregelte Stromversorgungsmodule umgestellt, wobei die Eigenschaften nun durch Firmware bestimmt werden. Eine digital geregelte Stromversorgungsarchitektur nutzt eine zentrale Steuerung, um die Einstellungen der einzelnen digitalen Leistungsmodule im System zu überwachen und anzupassen und die Effizienz zu maximieren, indem auf Änderungen der Last- und Stromversorgungszustände in Echtzeit reagiert wird.

In modernen Rechenzentren ist dies ein großer Vorteil, da hochwertige Prozessoren und FPGAs hohe Anforderungen mit sich bringen und oft mehrere Stromversorgungsschienen benötigen. Ein weiterer Vorteil ist der geringere Platzbedarf digital geregelter Module, da sie weniger sperrige Kondensatoren aufweisen als analoge Module.

Software Defined Power

Die neueste Weiterentwicklung im Bereich Digital Power ist die softwaredefinierte Stromversorgung (SDP; Software Defined Power). Damit lässt sich der Wirkungsgrad von Stromversorgungssystemen noch weiter erhöhen und somit deren Kühlbedarf verringern. In SDP-Systemen reagiert die Software im Controller auf die sich ändernden komplexen Lasten und sorgt für erweiterte Steuerungsfunktionen wie adaptive Spannungsskalierung.

Softwaredefinierte Stromversorgung und direkte Wandlung sind die Maßgabe der jüngsten USV-Stromversorgungseinheiten von Ericsson Power Modules.
Softwaredefinierte Stromversorgung und direkte Wandlung sind die Maßgabe der jüngsten USV-Stromversorgungseinheiten von Ericsson Power Modules. (Bild: Ericsson Power Modules)

Fortschrittliche Prozessoren erfordern diese Funktionen, um Energie einzusparen, sobald sie nicht unter Volllast betrieben werden. Die Software kann auch auf die Änderung von Bauteilwerten durch Alterung reagieren. SDP ist eine interessante Lösung, die mit zukünftiger Software die Effizienz weiter erhöht und die Spannungsregelung bei Bedarf präziser gestaltet und das Einschwingverhalten verbessert.

Direkte Wandlung

Eine weitere Neuerung, die Stromversorgungsarchitekturen in Rechenzentren revolutioniert, ist die direkte Wandlung. Sie verspricht einen höheren Wirkungsgrad in Stromversorgungssystemen, was den Stromverbrauch, die Verlustleistung und somit den Kühlbedarf verringert.

Die Idee ist einfach: anstelle eines Intermediate-Bus-Wandlers in Verbindung mit einem PoL-Wandler kann diese neue Art von Leistungswandlern direkt von 48 Volt auf PoL-Spannungen bis zu 1 Volt herunterwandeln (in einer einzigen Stufe). Bisher erfolgte die Umwandlung von 48 Volt auf 12 Volt mit etwa 96 Prozent Wirkungsgrad, während die Umwandlung von 12 Volt auf die erforderliche PoL-Spannung einen Wirkungsgrad von 90 Prozent bot.

Zusammen ergab sich somit für beide Stufen ein Wirkungsgrad von etwa 86 Prozent. Ermöglicht die nächste Wandlergeneration also eine einzige direkte Wandlung, die so effizient ist wie heutige PoL-Wandler, würde dies den Wirkungsgrad um vier Prozentpunkte erhöhen, was eine beträchtliche Energie-Einsparung und folglich geringere Kühlanforderungen mit sich bringt.

Die direkte Wandlung von 48 Volt auf die Spannung am Lastpunkt spart Energie und Platz auf der Leiterplatte ein.
Die direkte Wandlung von 48 Volt auf die Spannung am Lastpunkt spart Energie und Platz auf der Leiterplatte ein. (Bild: Ericsson Power Modules)

Ein weiterer Vorteil der direkten Wandlung ist die zusätzliche Einsparung, die sich durch die Verteilung der Energie an den Server bei 48 Volt anstatt 12 Volt ergibt. Da Leistung proportional zum Quadrat des Stromes ist, sorgt eine vierfache Verringerung des Stroms auf den Kupfer-Sammelschienen und Leitungen dafür, dass das System nur ein Sechzehntel der Energie in Verlustleistung umwandelt als beim gleichen Leistungsniveau auf zuvor höherer Spannung.

Die direkte Wandlung wird im neuen Server-Rack-Standard des Open-Compute-Projekts (OCP) festgelegt, der von Facebook und Google unterstützt wird. Seit 2010 entwickelt Google 48-Volt-Rack-Stromversorgungssysteme und unterstützt damit die erhebliche Energie- und Kostenersparnis neuer Rack-Stromverteilungsarchitekturen im Vergleich zur bisher verwendeten Intermediate-Bus-Architektur.

* Bob Cantrell ist Senior Application Engineer bei Ericsson Power Modules.

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48Vdc direkt am Rack ist eine gute alte Idee, die seit Ewigkeiten in der Telecom Branche...  lesen
posted am 20.03.2017 um 07:27 von Liebenhagen


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