Netforum 2023: Wie geht HPC auch nachhaltig? Blockchain mit freier Kühlung und Grünstrom im DTM-Datacenter

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Wie funktioniert eine Blockchain grundsätzlich? Und welche Hardware eignet sich am besten für die besonders rechenintensiven Krypto-Aufgaben? Müssen Krypto-Anwendungen stromfressende Klimakiller sein, oder können sie auch nachhaltig und klimaneutral betrieben werden? Dazu Erfahrungen aus dem DTM-Forschungsrechenzentrum.

Fast jeder technisch Interessierte hat in den letzten Jahren von „Krypto-Minern“ gehört. Viele bringen dies in erster Linie mit dem Errechnen von Bitcoins in Verbindung, der wohl bekanntesten Krypto-Währung der Welt. Die Technologie, auf der Bitcoin basiert, ist die Blockchain.

Eine Blockchain ist eine verschlüsselte, vollständig nachvollziehbare Transaktionskette, bei der das Hinzufügen von Blöcken die Berechnung eines so genannten Hash-Werts erfordert, der einer bestimmten Vorgabe (Difficulty) entsprechen muss. Eine Vorgabe kann sein, dass der Hashwert mit drei Nullen beginnen muss. Dazu wird eine Zahl (Nonce) berechnet (Mining), die in Kombination mit dem Inhalt der Transaktion den gewünschten Hash-Wert ergibt.

Jede Transaktion enthält auch den Hashwert der vorherigen Transaktion und sorgt somit dafür, dass sich die Blöcke nicht manipulieren lassen, ohne die Hashwerte der kompletten Blockchain zu ändern. Dieses kryptografische Verfahren nennt sich Proof-of-Work.

Die Konsens-Verfahren

Um den Block schließlich an die Blockchain anhängen zu können, muss dieser allerdings noch von mindestens 50 Prozent der Netzwerk-Teilnehmer (Miner) der Blockchain freigegeben werden. Dies geschieht durch die Prüfung des Hash-Werts auf die Konformität zur geforderten Difficulty.

Neben Proof-of-Work gibt es noch weitere Konsensverfahren wie beispielsweise Proof-of-Stake. In der Ethereum-Blockchain hat dieses Verfahren den Proof-of-Work ersetzt. Beim Proof-of-Stake erhöht nicht die Hash-Rate des Teilnehmers die Wahrscheinlichkeit, den neuen Block anhängen zu dürfen, sondern die Menge an Tokens, über die der Teilnehmer verfügt.

Die Tokens entsprechen der zur Validierung festgesetzten Menge an Ether, der Währung in der Ethereum-Blockchain. Natürlich muss auch bei Proof-of-Stake ein Hash-Wert nach einer Vorgabe errechnet werden, um den Block erfolgreich anzuhängen. Wie anspruchsvoll die Vorgabe ist, wird durch die Tokens des Users bestimmt.

Je mehr Tokens vorhanden sind, desto einfacher ist die Vorgabe. Der große Vorteil von Proof-of-Stake ist die dadurch geringere erforderliche Rechenleistung im Gegensatz zu Proof-of-Work. Das reduziert den Energieverbrauch erheblich und ermöglicht es auch Nutzern ohne teure Spezialhardware an der Blockchain teilzunehmen.

Welche Hardware lässt sich für Krypto nutzen?

Grundsätzlich kann jeder normale PC oder Server zum Berechnen kryptografischer Aufgaben eingesetzt werden. Da die Architektur normaler Business-Server oder PCs allerdings nicht auf dieses Anwendungsszenario optimiert ist – bei ihnen geht es um eine möglichst universelle Nutzbarkeit – erfolgt die Verarbeitung viel zu langsam und ineffizient.

Für die Berechnung von Krypto-Anwendungen besonders geeignet sind Grafikkarten (GPUs) sowie ASIC-basierte Systeme (Application-Specific Integrated Circuit). Grafikkarten ermöglichen zwar eine deutliche schnellere Kryptoverarbeitung als CPU-basierte Systeme, sind aber trotzdem noch deutlich langsamer als speziell entwickelte ASIC-Miner. Bei neueren Kryptowährungen oder Anwendungen, für deren Berechnung noch keine spezifische Hardware mit ASICS verfügbar ist, sind Grafikkarten allerdings das Mittel der Wahl.

Setzt sich eine Krypto-Anwendung schnell durch und verspricht hohe Gewinne, lässt die Entwicklung speziell abgestimmter Hardware jedoch meist nicht lange auf sich warten. So war es auch bei Bitcoin: Ein Großteil der heutigen Kryptoberechnungen im Bitcoin-Netzwerk werden mittlerweile von Maschinen mit hochspezialisierten ASICs (SHA-256, Secure Hash Algorithm) ausgeführt. Auch bei neueren Währungen wie Ethereum geht der Trend weg von GPUs in Richtung ASICs.

ASICS oder GPUs?

ASICs verzichten bewusst auf alle Funktionen, die nicht zur Erfüllung ihrer speziellen Aufgabe erforderlich sind. Das sorgt für eine schlanke und höchst effiziente Architektur. Diese ist auch notwendig, da das Mining durch eine immer anspruchsvollere Difficulty ständig größere Anforderungen an die Hardware stellt.

Für gute Rewardings – die Belohnung für einen neu berechneten Transaktionsblock – muss die eingesetzte Hardware also permanent an Leistung gewinnen, da die ebenfalls permanent ansteigende Difficulty den Rechenprozess verlangsamt. Miner, die ihre Hardware nicht ständig verbessern, werden daher relativ schnell keine guten Rewardings mehr erreichen. Dies kann so weit gehen, dass sich der ganze Mining-Prozess schließlich nicht mehr kostendeckend betreiben lässt.

Der Aufbau eines ASIC-Miner

Ein ASIC-Miner besteht als hochspezialisierte Maschine in der Regel aus relativ wenigen Komponenten. Wichtig ist ein großes Netzteil, das über Stromschienen mehrere der leistungshungrigen Mining-Boards versorgt.

Auf den Mining-Boards sind zahlreiche ASICS angebracht. Kühlkörper auf den Mining-Boards sorgen in Zusammenspiel mit Lüftern, die die Luft einmal durch den ganzen Miner blasen, für die nötige Kühlung.

Einladung zum IT- und Strategiekongress: Netforum 23

Die Blockchain ist auch eines der Schwerpunktthemen auf dem „Netforum 23“. Auf dem IT- und Strategiekongress im Festspielhaus Bregenz (20. und 21. September) wird beispielsweise Sven Wagenknecht die digitale Evolution im Finanzsektor analysieren und aufzeigen, welche Rolle digitales Zentralbankgeld, elektronische Wertpapiere und tokenisierte Sneaker zukünftig spielen werden.

Das Netforum findet 2023 bereits zum zwölften Mal statt und hat sich seit 1997 zu einer festen Größe in der IT-Branche entwickelt. Das Themenspektrum der diesjährigen Veranstaltung erstreckt sich von intelligenten IT-Infrastrukturen, Netzwerktechnik und Effizienzlösungen für Rechenzentren bis hin zu Quantentechnologie, Künstlicher Intelligenz und Web3.

Die Veranstaltung schlägt eine Brücke zwischen technischen und wirtschaftlichen Fragestellungen. Neben Fachexperten aus der IT- und Datacenter-Branche wie beispielsweise Hartwig Bazzanella (VIRZ e.V.) oder Staffan Reveman (Reveman Energy Academy) werden daher auch Referenten wie Sigmar Gabriel (Bundesaußenminister a. D.), Aya Jaff (Tech-Gründerin), Horst von Buttlar (Chefredakteur der „Wirtschaftswoche“) und Christoph Keese (CEO Axel Springer hy) am Netforum teilnehmen.

Weitere Informationen rund um das Netforum 23 sowie die aktuelle Agenda gibt es auf der Webseite der Veranstaltung.

Zusätzlich ist noch ein Control-Board vorhanden, welches den Netzwerkanschluss bereitstellt und die Kommunikation mit dem Blockchain-Netzwerk sowie die Verteilung der Arbeitslast zwischen den einzelnen Mining-Boards steuert. Als Betriebssysteme für die Steuerung von ASIC-Minern kommen speziell angepasste Linux-Derivate zum Einsatz.

Wie sieht ein nachhaltiges Rechenzentrum für Krypto-Mining aus?

Insgesamt unterscheiden sich die Anforderungen an ein Rechenzentrum, in dem Blockchain-Anwendungen betrieben werden, stark von denen eines normalen Business-Rechenzentrums. Die hohen Leistungen von rund 40 bis 50 Kilowatt (kW) pro Rack (siehe: Abbildungen 1 und 2) erfordern zum einen eine sehr leistungsfähige Stromversorgung und zum anderen eine besonders effiziente Kühlung (in diesem Fall Lüftkühlung).

Durch den hohen Energieverbrauch stehen Blockchain-Anwendungen immer wieder in der Kritik. Mit dem richtigen Konzept lässt sich diese Kritik allerdings schnell entkräften. Hierbei spielen mehrere Faktoren eine entscheidende Rolle:

• Wahl eines Standorts mit kühlem Klima

• Ausreichende Verfügbarkeit von Strom aus erneuerbaren Energien

• Möglichst aktuelle Mining-Hardware, da die Energie-Effizienz mit jeder Generation verbessert wird

• Nutzung von Abwärme in Datacenter-Konzepte einplanen

Die DTM-Group betreibt zum Beispiel ein eigenes Forschungsrechenzentrum für das High-Performance-Computing in Schweden (siehe: Abbildung 4). Dort gibt es kühles Klima und große Mengen an grünem Strom aus Wasser- und Windkraftanlagen zu relativ günstigen Preisen.

Durch ein ausgeklügeltes Kühlsystem mit 'Airboxen' und spezieller Luftführung lässt sich das Rechenzentrum ganzjährig komplett mit Außenluft kühlen und benötigt keine Kompressionskälte. So fällt für die Kühlung lediglich der Stromverbrauch der Ventilatoren für die Luftführung an, der im Vergleich zu Kältemaschinen natürlich verschwindend gering ist – ein entscheidender Punkt, da in der Regel ein Großteil des Energieverbrauchs von Rechenzentren durch die Kühlung verursacht wird. Somit wird hier im Schnitt ganzjährig ein PUE von 1,04 erreicht.

Der zum Betrieb benötigte Strom wird über eigene Transformatoren aus einem nahegelegenen Wasserkraftwerk bezogen, wird also CO₂-neutral erzeugt. Die Hardware wird regelmäßig erneuert und kann so jedes Jahr bei gleicher Leistung rund 30 bis 50 Prozent an Energie einsparen.

Die Gründe von DTM für ein Forschungsrechenzentrum auf Basis von Krypto-Hardware

Durch die Herausforderungen der sehr hohen Leistungsdichte und der Null-Fehler-Toleranz beim 24/7-Betrieb der Systeme entsteht ein erheblicher Wissenstransfer für konventionelle Datacenter-Konzepte. Das automatisierte Management des Rechenzentrums erlaubt zudem Rückschlüsse zu möglichen Einsparungen bei Ressourcen und Manpower durch KI.

Die schnellen Entwicklungszyklen der Hardware und der hohe Konkurrenzdruck erfordern kurze Reaktions- und Innovationszeiten und hoch-kompetitive, leistungsfähige Datacenter-Konzepte. Schließlich steht Blockchain für Wachstum und bietet Raum für Innovation, daher ist die Technologie zum Testen neuer Rechenzentrumskonzepte prädestiniert.

Das Optimieren

Zur Effizienzsteigerung erprobt die DTM Group derzeit verschiedene Varianten der Flüssigkeits- beziehungsweise Tauchkühlung bei ASIC-Minern. Hierbei werden ausschließlich die Mining-Boards mit Flüssigkeit gekühlt. Für Netzteil und Control-Board kommt weiterhin ein Lüfter zum Einsatz.

• Im ersten Schritt wurde dazu bei einem Mining-Board der konventionelle Kühlkörper durch einen speziell angefertigten Kühlkörper getauscht, der mit „Novec“ (einer dielektrischen Flüssigkeit von 3M) gefüllt und in einen Kühlkreislauf mit Wärmetauscher integriert wird.

• In weiteren Schritten soll auch erprobt werden, wie effizient es ist, die Mining-Boards komplett in einen mit Novec gefüllten Behälter zu tauchen und diesen in einen Kühlkreislauf zu integrieren.

Das größte Optimierungspotenzial läge hier bei der starken Reduktion von beweglichen Teilen wie Lüftern, die Energie verbrauchen und auch ausfallen könnten. Da es bei solchen Forschungsprojekten sehr viele zu beobachtende Variablen gibt, etwa die Spezifikation des Novec, Bauart des Wärmetauschers, Art des Rückkühlkreislaufes, gewünschtes Temperaturniveau und vieles mehr, erfordert dies anspruchsvolle Testaufbauten mit zahlreichen Sensoren und eine sorgfältige Auswertung der gesammelten Messwerte.

Mit dem eigenen Forschungsrechenzentrum besitzt die DTM Group dafür allerdings die besten Voraussetzungen. Gerade dann, wenn neue Lösungen zur Serienreife zu bringen und zu skalieren sind.

Ein weiteres Thema ist die Abwärmenutzung. Damit lässt sich die Wärme aus dem Rechenzentrum für andere Anwendungen wie beispielsweise Greenhousing nutzen oder mittels spezieller Thermoelemente in Kälte zur Kühlung anderer Bereiche des Rechenzentrums einsetzen.

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