Datacenter-Studie in Scientific Reports Mit CFD-Modellierung zu mehr Energie-Effizienz

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Ein internationales Team erprobt Simulationsmodelle, die Ineffizienzen bei der Luftführung und Temperaturverteilung in Rechenzentren genau aufzeigen und die richtigen Optimierungen verschreiben. In den untersuchten Fällen waren dafür nur wenige Handgriffe nötig. Die Studie ist zugleich ein Plädoyer für differenzierte Effizienz-Kennzahlen.

Ein Simulationsmodell für Luftfluss und Wärme-Entwicklung in Rechenzentren, angewandt von einem Team türkischer, dänischer und polnischer Wissenschaftler, soll nicht nur für genauere Energie-Effizienz-Daten sorgen, sorgen Betreibern ebenfalls konkrete Handlungsanweisungen an die Hand geben. Die Ergebnisse der Studie „Steigerung der Energie-Effizienz in zwei europäischen Rechenzentren durch CFD-Modellierung“ stellt das Forscherteam in der aktuellen Ausgabe der Fachzeitschrift „Nature Scientific Reports“ vor.

Die Wissenschaftler untersuchten, wie Computersimulationen von Luftströmen und Temperaturen auf Grundlage der numerischen Strömungsmechanik (Computational Fluid Dynamics, CFD) helfen können, Rechenzentren Energie-effizienter zu machen. Ziel war es, sowohl verlässliche Effizienz-Metriken zu erproben als auch die Simulationsdaten zur Optimierung echter Datacenter einzusetzen. Schließlich, so die Autoren, macht Kühlung etwa 40 Prozent des Energieverbrauchs von Rechenzentren aus und ist somit ein naheliegender Effizienzhebel.

Validierte digitale Zwillinge für genaue Berechnungen

Die Testobjekte werden gezielt klein gewählt. Bei den zwei untersuchten „Mikrorechenzentren“ handelt es sich um Rechenräume von Forschungseinrichtungen in Polen und Dänemark. Das Poznań Supercomputing and Networking Center (Posen) ist ein kleiner Serverraum mit neun Servern in zwei Racks und etwa 4 Kilowatt Gesamtleistung.

Das Rechenzentrum der Universität Aalborg ist mit 21 Servern in sechs Racks größer. Da die meisten Server lediglich 73 Watt aufnehmen, liegt die Gesamtleistung aber bei lediglich 2,2 Kilowatt. In beiden Fällen werden Lüfter an der Decke der Datenhallen für die Raumkühlung eingesetzt.

In einem ersten Schritt haben die Racks, Server und Kühlungskomponenten in einem vereinfachten 3D-Modell der Rechenräume nachgebildet. Dabei sind zunächst nur Grunddaten wie geometrische Position, Leistungsaufnahme und Durchfluss erfasst worden. Mit deren Hilfe werden Luftwiderstände der Server und die Leistung der Lüfter mathematisch modelliert. Zudem wendet das Team einen speziellen Gitteralgorithmus in mehreren Runden an, um die Wärme produzierenden Komponenten genau im 3D-Modell zu verorten.

Auf den so erstellten vereinfachten digitalen Zwilling jedes Serverraums können die Forscher dann mehrere Gleichungen der Strömungsmechanik und Wärmeübertragung anwenden. Diese berücksichtigen auch feine Unterschiede in molekularer und turbulenter Viskosität sowie Strömungseffekte und Luftdruck in Verengungen oder an den Wänden.

Um ihr Modell zu validieren, haben die Forscher zusätzlich Luftflüsse und die Temperaturverteilung genau nachgemessen sowie detaillierte Sensordaten der Server genutzt. Hier ergeben sich einzelne Divergenzen zwischen vorhergesagten und tatsächlich gemessenen Temperaturen, die Modellberechnung und die Realität stimmten aber bei der generellen Verteilung der Temperaturen und Luftströmen überein.

Ineffizienzen von Bestandsrechenzentren

Um die Effizienz von Rechenzentren bei der Wärme-Entwicklung differenziert zu bestimmen, hat das internationale Forscherteam mehrere Metriken evaluiert und ausgewertet. Der Abgleich von Temperaturen an den Lufteinlässen der Server mit den Werten, die die American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers (ASHRAE) empfiehlt, bildete die Basis. Darüber hinaus haben die Wissenschaftler aber auch den Anteil der von den Kühlsystemen abgeführten Wärme an der Gesamtwärme bestimmt und kalkuliert, wie viel warme Luft aus den Servern zurück in den Kaltgang gelangt (Rezirkulationsindex).

Die Ergebnisse zeigen ein klares Optimierungspotenzial. Besonders beim polnischen Rechnerraum haben ungünstig platzierte Ventilatoren an der Decke sowie mit verschiedenen Temperaturen operierende Luftkühler für schlechte Effizienzwerte gesorgt. So ist die Eingangstemperatur an einem Teil der Server die empfohlenen Werte extrem ausgefallen, während nur 32 Prozent der produzierten Wärme direkt aus dem Raum abgeführt worden sind.

Der größere Rechenraum in Aalborg hat hingegen viel besser bei Temperaturwerten abgeschnitten. Die Einbeziehung von differenzierten Kennzahlen für die Bewertung der Luftvermischung zeigt aber: Beide Rechenräume haben in gleicher Weise darunter gelitten, dass große Teile der abgeführten warmen Luft wieder zu den Lufteinlässen gelangt sind. Das offene Raum-Layout hat zudem in beiden Fällen dafür gesorgt, dass ein bedeutender Teil der kalten Luft an den Racks vorbei geströmt ist, ohne in die Server gezogen zu werden.

Eine simple Kaltlufttrennung, erhebliche bessere Effizienz

Das CFD-Modell erlaubt den Studienautoren zugleich gerade nicht nur die Effizienwerte einzelner Datenhallen zu ermitteln, sondern auch anhand ihrer digitalen Zwillinge konkrete Verbesserungsstrategien zu erproben. So testet das Team Ansätze wie das Verschieben von Racks, den Einbau einer Warm- und Kaltgangeinhausung sowie eine bessere Luftführung und formulierte die optimale Aufrüstungsstrategie für jeden Rechenraum. Da das Team zuvor seine Simulationsdaten validiert hat, kann es so auch ohne physische Umbauarbeiten die Ergebnisse der Änderungen nachmessen.

Beim Posener Rechenraum sind nun in der Simulation die Deckenlüfter komplett entfernt. Mit zwei Trennwänden an den Rack-Rückseiten ist eine einfache Kaltgangeinhausung entstanden. Allein damit kann das Team die Indizes für Luftabführung um 50 Prozent und für Rezirkulation um 30 Prozent verbessern. Auch die Temperatur im Rechenraum des digitalen Zwillings ist erheblich gesunken.

Gute Temperaturwerte kein Indiz für effiziente Luftführung

Für den Aalborger Rechenraum hingegen haben die Forscher an verschiedenen Optimierungswegen getüftelt. Ihre Modellsimulationen zeigten nicht nur die Notwendigkeit, auch hier Trennwände um die Racks anzubringen, sondern auch, wie Racks für einen besseren Luftfluss konkret verschoben werden sollen. In beiden Rechenräumen solle zudem die Versiegelung ungenutzter Server helfen, kalte Luft nicht unnötig zu beanspruchen.

Damit hat das Forscherteam im simulierten Modell die Eingangs- und Ausgangstemperaturen der zirkulierten Luft angleichen können: die entsprechende Kennzahl (Return Temperature Index) des optimierten digitalen Zwillings hat sich um 75 Prozent verbessert. Die Verbesserungen bei den Einlasstemperaturen fallen hingegen mit rund fünf Prozent bei beiden Rechenräumen moderat aus. Die Forscher verweisen hier auf Optimierungsmöglichkeiten bei der Kühltemperatur (je nach Fall nach oben wie nach unten), die nicht Teil der Studie gewesen sind.

Die Autoren sehen in den angewandten Modellen und den erprobten Ergebnissen „einen wertvollen Rahmen zur Optimierung der Leistung bestehender Rechenzentren [...] und der Ausrichtung an der Europäischen Energieeffizienz-Richtlinie“. In jedem Fall ist ihr Beitrag ein Plädoyer für differenzierte Effizienzkennzahlen. Inwiefern damit auch eine Kritik an der Ausrichtung der Gesetzgebung am übergreifenden PUE-Wert (Power Usage Efficiency) verbunden ist, bleibt unklar.

Leider machen die Autoren zu den PUE-Werten der untersuchten Rechenräume vor und nach den Optimierungen keine Angaben. Auch verraten die Studienautoren nicht, welche der Vorschläge von den Betreibern der Rechenräume praktisch umgesetzt wurden. Sie machen aber klar: die polnische wie die dänische Forschungseinrichtung können sich mit nur relativ simplen bei ihren Rechenzentren über geringere Stromrechnungen freuen.

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