Rechenzentrums-KPIs von Wasser bis Strom Die Effizienzkennzahlen im Datacenter

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Die Effizienzmessung von Rechenzentren anhand von Kennzahlen ist eine relativ junge Disziplin. Inzwischen gibt es deren viele. Oft werden nur einige wenige verwendet. Zudem müssen in vielen Rechenzentren zuerst die Voraussetzungen für deren Erfassung geschaffen werden. Darüber, wie aussagekräftig diverse Parameter sind, wird gelegentlich gestritten.

Steigender Kostendruck und zunehmende Komplexität stellen erhöhte Anforderungen an den Betrieb von Rechenzentren. Es gibt deshalb seit geraumer Zeit verstärkte Bemühungen, Kennzahlen zur professionellen Bewertung der Effizienz von Rechenzentren einzuführen.

Ein Beispiel dafür ist die DCiE (Datacenter Infrastructure Efficiency) zur Beschreibung des Wirkungsgrads. Vor einigen Jahren noch als die Kennzahl schlechthin gepriesen, hat DCiE mittlerweile erheblich an Bedeutung verloren.

Stattdessen hat sich deren Kehrwert, Power Usage Effectiveness (PUE), etabliert. Die PUE beschreibt das Verhältnis des gesamten Stromverbrauchs eines Rechenzentrums zum Energiebedarf der IT-Ausrüstung. Sie ist somit der maßgebliche Indikator zur Beschreibung der Energie-Effizienz.

Die PUE ist der Quotient des gesamten Energieverbrauchs geteilt durch den Energieverbrauch der IT-Geräte. Rechenzentrumsbetreiber, die kennzahlenbasierte Systeme zur Leistungsmessung einführen wollen, sollten sich zunächst auf die saubere Erfassung und Optimierung dieses Wertes konzentrieren.

Der Stromverbrauch muss richtig gemessen werden

Voraussetzung zur Einführung eines kennzahlenbasierten Rechenzentrums-Managements anhand von PUE sind eine konsequente und systematische Erfassung des Stromverbrauchs und dessen Auswertung im Jahresrhythmus. Die Betrachtung des Jahresverbrauchs stellt sicher, dass Schwankungen der Außentemperatur oder saisonale Unterschiede in der Auslastung des Rechenzentrums das Ergebnis nicht verzerren.

Für die Erfassung des Stromverbrauchs der IT-Komponenten haben sich intelligente Stromverteilereinheiten, Power Distribution Units (PDUs), bewährt. Diese müssen in der Lage sein, die tatsächliche Stromaufnahme einzelner Geräte auf PDU- und auf Phasenebene zu messen (einschließlich Spannung, Leistung und Blindleistungsfaktor). Zur Erfassung der IT-Last sollte die Messung direkt an den Steckern der IT-Geräte stattfinden.

Intelligente Steckerleisten wie die von Emerson Network Power (Liebert oder Avocent), heute Vertiv, messen an der Verbrauchsstelle und erfassen somit auch die Leitungsverluste, die auf dem Weg von Systemen der unterbrechungsfreien Stromversorgung (USV) bis zu den IT-Geräten entstehen. Für eine Ermittlung der Leitungsverluste ist eine zusätzliche Messung direkt nach den Transformatoren, die die Niederspannung erzeugen, notwendig.

Für die Kennzahlermittlung messen und gleichzeitig Stromfresser aufspüren

Mit Software-Tools wie der „Avocent Power Manager“ kann man durch Integration der Stromverteilereinheiten verlaufsbezogene Trends bei den IT-Komponenten verfolgen. So fallen Spitzen im Strombedarf und besonders stromhungrige IT-Geräte auf.

Sinnvoll ist es, die Verbrauchszahlen aus der IT-Umgebung mit sämtlichen Messdaten inklusive des Stromverbrauchs der Kühlsysteme und des Gebäude-Managements zusammenzuführen. Dies geschieht auf einer einheitlichen Plattform für Data Center Infrastructure Management (DCIM). Sie übernimmt das übergreifende Management des gesamten Rechenzentrums und ermöglicht die Optimierung des Energieverbrauchs.

Die durchschnittliche PUE deutscher Rechenzentren liegt laut aktueller Zahlen aus einer vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz beauftragten Studie zum deutschen RZ-Markt inzwischen bei 1,46. Das ist eine Verbesserung von mehr als 0,5 gegenüber dem Jahr 2011 und ein bemerkenswerter Fortschritt.

Das heißt, es muss etwa 50 Prozent mehr Energie in das Rechenzentrum eingespeist werden als die ITK-Systeme verbrauchen. Damit ist hier zwar noch etwas, aber nicht mehr allzu viel Luft nach oben. Die modernsten Anlagen erreichen heute Werte leicht über 1,0. Gelegentlich zu hörende Angaben von PUEs unter 1 beziehen andere Faktoren ein, die aber formal korrekt über andere Effizienzparameter abgefragt werden sollen (siehe unten).

Richtig kühlen heißt: gezielt kühlen

Für schlechte PUE-Werte ist meist der Energiehunger der Klimatechnik verantwortlich. Kühlsysteme beanspruchen gemeinsam rund ein Drittel des gesamten Energiebedarfs.

Thermische Optimierungen senken deshalb den PUE-Wert deutlich. Mit ein paar einfachen Maßnahmen ist es möglich, in diesem Bereich die Energiebilanz schnell zu verbessern. Zum Beispiel kann durch eine verstärkte Abdichtung des Doppelbodens für die Kühlung oftmals schon ein Fortschritt erreicht werden.

Vor allem bei den Kabeldurchbrüchen sollte man genauer hinschauen. Allein durch besseres Abdichten kann der Bedarf an Kühlluft in vielen Fällen um 20 Prozent, in Extremfällen sogar um bis zu 40 Prozent gesenkt werden.

Sofortmaßnahmen zur PUE-Verbesserung

Als weitere Sofortmaßnahme sollte der Druck im Doppelboden überprüft werden. 20 bis 40 Pascal gelten bei klassischen Systemen als optimal. In besonderen Fällen reichen sogar weniger als 10 Pascal aus.

Kalte Luft sollte gezielt nur auf die zu kühlenden IT-Geräte ausgerichtet werden so dass, und nur eine möglichst geringe Luftmenge bewegt werden muss. Kaltgang-Einhausungen helfen, an dieser Stelle richtig Geld zu sparen. Blindplatten in den Schränken verhindern, dass die von den Servern abgegebene heiße Luft in den Kühlbereich auf der Rack-Vorderseite gelangt.

Was hat die Kennzahl PUE mit dem Verlauf der Drähte zu tun?

Strom- und Datenkabel sollten grundsätzlich isoliert voneinander liegen, damit es in Verbindung mit Kupferkabeln nicht zu gegenseitigen Störungen kommt. Positiv auf die Energiebilanz wirkt sich zudem der Einsatz etwas breiterer Rack-Schränke aus.

Diese erlauben es, die Kabel auf der Rückwand großzügiger anzuordnen. Das fördert die Belüftung der IT-Geräte. Auch die Stärke der Kabel wirkt sich auf den Stromverbrauch aus. Dünnere Kabel, die zu den Racks führen, sind zwar günstiger in der Anschaffung, sorgen aufgrund der geringeren Querschnittsfläche im laufenden Betrieb permanent für höhere Leitungsverluste.

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Modellrechnungen zeigen, dass stärkere Stromschienen dank geringerer Abstrahlung tatsächlich die Energieeffizienz verbessern. Größere Schienen haben zwar einen höheren Anschaffungspreis. Dieser amortisiert sich jedoch meist schon innerhalb nur eines Jahres.

Zu viel Redundanz verschlechtert Kennzahlen

Optimierungspotenzial gibt es in vielen Rechenzentren auch bei den Redundanzen. Grundsätzlich gilt es, Redundanzen nur dort aufzubauen, wo sie wirklich absolut notwendig sind und auch beim Betrieb genau hinzuschauen, wo man wirklich Redundanz braucht.

Kühlsysteme haben beispielsweise einen sehr guten Teillastwirkungsgrad. Das heißt, sämtliche Systeme können mit Teillast betrieben werden.

Bei USVs auf Modularität setzen

Anders die unterbrechungsfreien Stromversorgung (USV): Aufgrund ihres schlechten Teillastwirkungsgrads ist der Einsatz modularer USV-Systeme wie „Masterguard Trinergy“ von Emerson Network Power für bis zu 9,6 Megawatt (MW) empfehlenswert.

Diese Module schalten sich automatisch je nach Leistungsbedarf und Umgebungsbedingungen ein oder aus und stellen sich je nach Zustand auf maximale Leistungskontrolle, maximale Energieeinsparung oder hohen Wirkungsgrad ein.

Neue Auflagen und Kennzahlen

Mittlerweile wurden zahlreiche weitere Parameter definiert, unter anderem für die Kohlendioxidemissionen von Rechenzentren und die Wiedernutzung von Restwärme oder die Verwendung von erneuerbarer Energie.

Mit dem Energieeffizienzgesetz der rot-grünen Bundesregierung gibt es hier erstmals gesetzliche Vorgaben. Zudem sind Effizienzparameter ein Kriterium für die Zertifizierung von Rechenzentren nach EN50600 oder für den (nicht sonderlich erfolgreichen) Blauen Engel für Rechenzentren..

Hier folgt nur ein kurzer Überblick darüber, welche Kennzahlen für Rechenzentren es neben der PUE heute gibt.

Zusätzliche RZ-Kennzahlen

• pPUE: die partielle PUE misst den PUE-Anteil eines abgegrenzten Teils der Datacenter-Infrastruktur übers Jahr.

• iPUE: wird für PUE-Messungen unterhalb einem Jahr Messdauer benutzt.

• ITUE: IT PUE IT Power Usage Effectiveness, Gesamt-Stromverbrauch aller IT-Komponenten (z.B. auch Lüfter oder Kühlpumpen), geteilt durch Gesamt-Stromverbrauch der rechnenden Einheiten übers Jahr.

• TUE: Total Usage Effectiveness: ITUE, multipliziert mit der PUE.

• REF: Renewable Energy Factor: sowohl in EN50600 als auch im Energieeffizienzgesetz enthalten. Benennt den Anteil erneuerbarer Energien in Besitz oder Verfügungsmacht des RZ-Betreibers am Gesamtenergieverbrauch des RZ übers Jahr.

• ERF: Energy Reuse Factor, beschreibt den Anteil der Abwärmenutzung am Gesamtenergieverbrauch des Rechenzentrums übers Jahr. Auch ERF ist Bestandteil des Energieeffizienzgesetzes für Rechenzentren.

• ERE: Energy Reuse Effectiveness ist der Quotient von Kühlung, Beleuchtung und wiederverwendeter Energie aus der IT-Technik, geteilt durch den gesamten Energieverbrauchs der IT-Technik übers Jahr.

• CER: Cooling Efficiency Ration, beschrieben als Quotient von Abwärmeaufkommen des RZ in kWh pro Jahr, geteilt durch die elektrische Energie des Kühlsystems in kWh im selben Zeitraum.

• ITEE: IT Equipment Energy Efficiency for Servers, bezieht nur Server in die Kalkulation ein. Berechnung analog PUE ein.

• ITEU: IT Equipment Utilization, misst die Auslastung der Server als Quotient der Rechenzeit durch die Laufzeit der Server übers Jahr.

• SIC: Server Idle Coefficient für Einzelserver: Quotient von Energieverbrauch im Leerlaufmodus, geteilt durch Gesamtenergieverbrauch des Servers pro Jahr.

• SIEC: Server Idle Efficiency Coefficient, SIC unter Einschluss nicht rechnender Komponenten im Server als Teil des Zählers.

• DCIC: Datacenter Idle Coefficient, Idle-Koeffizient für alle Server, geteilt durch Gesamtenergieverbrauch der Server.

• WUE: Water Usage Effectiveness. Quotient aus jährlichem Wasserverbrauch in Litern im Verhältnis zur Gesamtleistung der aktiven IT-Komponenten in kWh. Einhelt: l/kWh. Gehört zu den in EN 50600 abgefragten Parametern.

Dem Basisartikel ist ein weiterer vorausgegangen, den Ulrike Ostler zusammen mit Peter Koch erstellt haben:

Wie sich die wichtigsten RZ-Kennzahlen ermitteln und verbessern lassen

Von PUE und DCiE bis C02 - Die Kennzahlen im Rechenzentrum

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