SSDs und ihre Rolle bei der Energie-Effizienz im Rechenzentrum Auf die Performance pro Watt kommt es an

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Rechenzentren sind das Rückgrat der digitalen Wirtschaft, doch ihr Betrieb verschlingt immer größere Energiemengen. Durchdachte Datacenter-Designs und effiziente IT-Komponenten helfen, die inzwischen allgegenwärtige Datenverarbeitung „grüner“ zu machen. Eine Schlüsselrolle spielen dabei SSDs.

Die voranschreitende Digitalisierung und die zunehmende Nutzung von Cloud-Services haben in den vergangenen Jahren für einen regelrechten Datacenter-Boom gesorgt. Neue Rechenzentren schießen wie Pilze aus dem Boden, während die bestehenden Standorte kontinuierlich erweitert werden. Ein Ende ist nicht in Sicht, zumal mit dem an Fahrt aufnehmenden IoT in den nächsten Jahren eine regelrechte Datenexplosion ansteht, die nach weiterer digitaler Infrastruktur verlangt.

Zu den Schattenseiten dieser an sich positiven Entwicklung, die neue Produkte und Services möglich macht, zählt der wachsende Energiebedarf der Rechenzentren, der nicht nur hohe Kosten verursacht, sondern auch das Erreichen von Klima- und Nachhaltigkeitszielen erschwert. Nach Informationen des Borderstep Instituts verbrauchten die deutschen Datacenter im letzten Jahr bereits 16 Milliarden Kilowattstunden – eine ganze Milliarde mehr als noch 2019.

Dabei sind die Rechenzentren deutlich effizienter geworden, wie beispielsweise die immer niedrigeren PUE-Werte zeigen. Der PUE-Wert setzt den gesamten Energiebedarf eines Rechenzentrums ins Verhältnis zum Energiebedarf der Datacenter-IT, zeigt also wie effizient die Basisinfrastruktur aus unter anderem Kühlsystemen und Pumpen, USVs und Batterien ist.

Die Energie-Effizienz steigt

Viele Verbesserungen wie optimierte Kühlkonzepte, eine umfangreiche Nutzung der Abwärme, robustere IT-Komponenten, die nicht mehr ganz so niedrige Raumtemperaturen erfordern, und aufeinander abgestimmte Stromwandler haben dafür gesorgt, dass neue Rechenzentren heute üblicherweise einen PUE-Wert von 1,5 oder niedriger erreichen. Mehr als zwei Drittel der eingesetzten Energie fließen also tatsächlich in die Arbeit der IT-Systeme.

Auf diese entfiel 2020 mit zehn Milliarden Kilowattstunden zwar der Löwenanteil des Stromverbrauchs von Rechenzentren, doch die Hardware ist mittlerweile extrem Energie-effizient. Laut dem Borderstep Institut legte ihr Energieverbrauch seit 2010 um 75 Prozent zu, während sich ihre Leistung verachtfachte. Dazu haben viele technische Entwicklungen auf Seiten der IT-Hersteller beigetragen, aber auch strengere gesetzliche Regelungen wie zuletzt die EU-Verordnung 2019/424, die beispielsweise einen Mindestwirkungsgrad für Netzteile in Server- und Storage-Systemen vorgibt.

Mehr Leistung bei gleichbleibendem Power-Budget

Da Server, Storage-Systeme und Netzwerkkomponenten im Rechenzentrum eng zusammenspielen, ändert sich ihr Energiebedarf in Abhängigkeit voneinander. So führen steigende Datenmengen nicht allein zu einem höheren Stromverbrauch auf Storage-Seite, sondern auch auf Server- und Netzwerkseite, da die Daten in der Regel übertragen und verarbeitet werden müssen.

Lediglich bei archivierten Daten könnte man die Storage-Systeme energietechnisch isoliert betrachten. Doch auch hier finden regelmäßig Validierungen statt, die andere IT-Komponenten nutzen.

Rechenzentrumsbetreiber planen daher für ein Rack ein gewisses Power-Budget ein, das unter den einzelnen Verbrauchern aufgeteilt wird. Bei Anwendungen mit einem sehr hohen Speicherbedarf kann jedoch der genaue Blick auf die Energie-Effizienz der Speichermedien lohnen, denn jedes Watt, das nicht für deren Betrieb aufgewendet werden muss, steht für andere Systeme im Rack bereit. Durch den Einsatz energieeffizienter Speicher kann das Rack bei gleichbleibendem Power-Budget eine höhere Leistungsfähigkeit erreichen.

SSDs sind gar nicht so genügsam, aber…

Zumindest theoretisch benötigen SSDs weniger Energie als Festplatten, weil sie ohne mechanische Komponenten auskommen. Da SSDs aber bestimmte Operationen wie das Verwalten von Speicherzellen und das Auffrischen von Speicherzuständen durchführen müssen, um einsatzbereit zu bleiben, weisen sie im Ruhezustand eine ähnliche Leistungsaufnahme wie Festplatten auf.

Im aktiven Betrieb liegt ihre Leistungsaufnahme sogar deutlich über der von HDDs: Während eine aktuelle PCIe-SSD der vierten Generation von Kioxia beispielsweise eine aktive Leistungsaufnahme von bis zu 21 Watt hat, begnügt sich eine Enterprise-HDD mit 7.200 Umdrehungen pro Minute mit weniger als der Hälfte.

Allerdings vernachlässigt diese Betrachtung die Performance der beiden Speichermedien. Die Festplatte liefert mit ihren 8 bis 12 Watt lediglich einige Hundert IOPS, wohingegen die SSD bis zu 1,4 Millionen IOPS erreicht.

Damit sind SSDs im aktiven Einsatz wesentlich Energie-effizienter als Festplatten. Sie stellen Daten viel schneller bereit und laufen daher bei einem vorgegebenen Workload einen viel kürzeren Zeitraum mit maximaler Leistungsaufnahme unter Volllast.

Ein Rechenbeispiel verdeutlicht das: „Kioxia CM6“ beispielsweise überträgt Daten mit 6.900 MB pro Sekunde und benötigt für eine Datei mit 500 GB lediglich 72 Sekunden, was bei einer Leistungsaufnahme von maximal 21 Watt – bei sequentiellen Lese-Operationen ist die tatsächliche Leistungsaufnahme eher niedriger – einer Arbeit von 0,4 Wattstunden entspricht.

Eine Festplatte braucht für die Übertragung der 500 GB dagegen rund 28 Minuten und setzt bei einer Leistungsaufnahme von 9 Watt immerhin 4 Wattstunden um – die SSD ist also um den Faktor zehn energieeffizienter. Ihre wahre Stärke liegt aber bei zufälligen Zugriffen. Die 1,4 Millionen IOPS der Kioxia-SSD im Vergleich mit den circa 250 IOPS einer typischen Enterprise-HDD bedeuten eine 2.400 mal bessere Energie-Effizienz.

Bessere Kühlung durch neue Formfaktoren

Durch die hohe Leistung haben SSDs auch Vorteile bei der Kühlung. Zwar hat eine SSD der neuesten PCIe-Generation im aktiven Betrieb unter Volllast einen höheren absoluten Kühlbedarf als eine HDD im selben Zeitraum. Allerdings bräuchte die Festplatte für die Übertragung einer Datei oder eine bestimmte IOPS-Menge bedeutend länger und müsste dementsprechend über einen längeren Zeitraum gekühlt werden, so dass sie schlussendlich eine höhere Kühlleistung erfordert.

Zudem setzten moderne Enterprise-SSDs zunehmend auf EDSFF-Formfaktoren, bei denen die Flash-Speicherbausteine besser vom kühlenden Luftstrom erreicht werden als beim klassischen 2,5-Zoll-Formfaktor. Dadurch lässt sich die Abwärme besser ableiten, was eine effizientere Kühlung der immer leistungsfähigeren Speichermedien erlaubt und ein weiterer kleiner Schritt auf dem Weg zu klimaneutralen Rechenzentren ist, wie sie die EU bis 2030 fordert.

* Frederik Haak ist Senior Marketing Manager für das SSD-Produktmarketing bei Kioxia Europe.

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