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Noch viele Optimierungsmöglichkeiten im Rechenzentrum OCP Future Technologies eröffnet Neues für Energie-effiziente Datacenter

| Autor / Redakteur: lic.rer.publ. Ariane Rüdiger / Ulrike Ostler

Auf dem virtuellen „Open Compute Summit“ wurden während einer eintägigen Future-Technologies-Tagung innovative Wege vorgestellt, den Energiebedarf der IT im Rechenzentrum und ihrer Kühlung zu verringern. Dabei helfen neue Ideen und viel Feinarbeit.

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Auf dem Futuretech-Symposium während des OCP Summit 2020 hat sich sich gezeigt, wie viel Optimierungspotential noch in der IT schlummern
Auf dem Futuretech-Symposium während des OCP Summit 2020 hat sich sich gezeigt, wie viel Optimierungspotential noch in der IT schlummern
(Bild: gemeinfrei Pixabay)

Die Ersatzstromversorgung im Rechenzentrum springt ein, wenn der Strom kurzfristig ausfällt. Zudem glättet sie unerwartete Spannungsspitzen oder -täler und überbrückt bei längeren Versorgungslücken die Zeit bis zum Anspringen des meist vorhandenen Notstromaggregats. Meistens werden dafür umfangreiche Batteriebänke verwendet. Doch die sind oft nicht optimal regelbar und dadurch relativ ineffizient und teuer.

Die Idee, Fahrzeugbatterien aus E-Fahrzeugen in Rechenzentren noch einmal zu nutzen, ist nicht ganz neu (siehe: „Nachhaltigkeit: Vom Nissan ins Stadion, Second-Life-Batterien - ein Vorbild auch für Rechenzentren? “. Da solche Batterien billiger sind, senken sie die Kosten. Allerdings bergen Second-Life-Batterien auch gravierende Herausforderungen.

Sekundärnutzungsbatterien fürs Datacenter: Optimierung notwendig

So sollte eine Batterieversorgung mithilfe von Sekundärnutzung im Rechenzentrum nicht aus einheitlichen Batterien bestehen müssen, denn die Batterien aus Fahrzeugen gleichen sich nicht. Die Batterien sollten genauso sicher nutzbar sein wie im ersten Nutzungszyklus und Verluste durch Spannungskonversion müssen minimiert werden.

Einen neuen Vorschlag dazu präsentierte Tzi-cker Chiueh vom taiwanesischen Industrial Technology Research Institute (ITRI). Technologisch erinnert er an die Methoden, mit denen bei Solarfarmen Ungleichgewichte zwischen den Leistungen unterschiedlicher Solarpaneele ausgeglichen werden.

Verschaltung und Management ähneln Solarparks

RAIBA (Reconfigurable Arrray of Inexpensive Batteries) besteht aus diversen Batterien, die durch dynamisch rekonfigurierbare interne Verbindungen in parallelisierter Serienschaltung stehen. Eine intelligente Software wertet die Betriebsparameter jeder einzelnen Batterie aus und führt entsprechende Anpassungsmaßnahmen durch. Dadurch gleichen sich Batteriestränge beispielsweise nicht automatisch an die Leistung ihres schwächsten Mitglieds an.

Die Batterien in diesem Prototypen sind ähnlich verschaltet und gemanagt wie Solarpaneele in Solaranlagen.
Die Batterien in diesem Prototypen sind ähnlich verschaltet und gemanagt wie Solarpaneele in Solaranlagen.
(Bild: ITRI)

Stränge müssen nicht mehr gleich lang sein, und parallel verbundene Stränge können unterschiedliche Spannung haben. Einzelne Reihen oder Batterien können durch eine Bypass-Schaltung im laufenden Betrieb sehr schnell aus dem System herausgenommen werden, wenn das für die Optimierung der Leistung sinnvoll ist.

96 Prozent weniger Verlustkapazität

In einem Proof of Concept ließ sich so die Entladezeit um 84 Prozent erhöhen. Die Verlustkapazität nahm um 96 Prozent ab. Der Grund für diese Werte: Durch die Software lassen sich die einzelnen Batterien unterschiedlich schnell entladen, so dass das Array erst dann keinen Strom mehr hergibt, wenn alle Batterien restlos entleert sind. Das ist bei konventionellen Batteriebänken nicht der Fall.

Zudem kann ein RAIBA-System durch eine verteilte Mehrebenen-Stromkonversion mit einer variablen Zahl von Batterien und unterschiedlichen Batterieleistungen genau die Spannung liefern, die von den zu versorgenden Systemen gebraucht wird.

Netztechnik mit Immersion kühlen

Ein weiteres zukunftsträchtiges Thema ist die Immersionskühlung. Natsuko Kobayashi von Cisco präsentierte auf der Future-Technologies-Veranstaltung Studien dazu, wie man auch Netzwerkequipment, etwa Core-Router in den Rechenzentren von Provider-Netzen, mittels Immersion kühlen könnte. Bislang werden vor allem Server mit dieser Methode gekühlt.

Dabei untersuchte das Team um Kobayashi unterschiedliche Methoden, das Kühlmittel umzuwälzen. Möglich sind erzwungene Konvektion mittels Pumpen, natürliche Konvektion durch Aufsteigen des erhitzten Kühlmittels, Auftropfen des Kühlmittels auf die zu kühlenden Aggregate und zweiphasiges Kühlen. Hier verdampft und verflüssigt sich das Kühlmittel abwechselnd im geschlossenen Kreislauf.

Natürliche Konvektion funktioniert bei Netzequipment am besten

Am vielversprechendsten schien dem Team die natürliche Konvektion, kombiniert mit dem Einblasen von Luftblasen von unten (Bubble-Injection). Eine Testinstallation bestand aus 12 Racks mit 360 Servern, die von Cisco Nexus-Leaf-Spine-Switches vernetzt wurden.

Dabei zeigte sich, dass optische 40-G-Module bei bestimmten Kühlmitteln mehr Verbindungsabbrüche produzierten. Hier ist also noch Forschungsarbeit nötig, um die bestgeeigneten Kühlmittel zu finden.

Nicht jeder Kabelmantel geht

Weiter war festzustellen, dass die Ummantelung der Kabel nicht aus synthetischem Gummi bestehen darf, da dieses unter dem Einfluss der Kühlmittel erodiert. Polyimid-Ummantelungen zeigten sich dagegen unbeeinflusst.

Der Blasenstrom und die Lüfter, die bei Immersionskühlung weggelassen werden können, führten jedenfalls zu einem um ein Drittel geringeren Stromverbrauch. Insgesamt ergab sich für die Installation ein beeindruckender PUE-Wert (Power Usage Effectiveness) von 1,02.

Preisgekrönt: Innovative Schaltung für Gleichstrom-Stromversorung

Immer wieder wird auch darüber nachgedacht, Rechenzentren ab Eingang mit Gleichstrom zu versorgen, um Leistungsverlusten durch mehrfache Stromwandlung vorzubeugen. Den Preis für die interessanteste Präsentation während der Future-Technologies-Veranstaltung gewann eine Arbeit zu diesem Thema.

Ahmad Nabih vom CMOS-Labor der Virginia Tech entwickelte ein innovatives Design für eine 48V/3-Kilowatt-Stromversorgung. Sie nutzt eine innovative Matrix elementarer Transformatoren. Dabei integriert die von Nabih vorgestellte Schaltung Induktion und den Matrix-Transformator aus insgesamt vier Spulen in nur einem Bauelement.

Dieser Matrixkonverter mit zentral positionierter Induktion ist für eine 48V/3kW-Stromversorgung gedacht
Dieser Matrixkonverter mit zentral positionierter Induktion ist für eine 48V/3kW-Stromversorgung gedacht
(Bild: Nabih/Virginia Tech, CMOS Lab)

Dieses lässt sich sich aufgrund seiner quadratischen Form einfacher montieren und hat eine höhere Flussdichte bei geringeren Kernverlusten. Leichter zu verwalten ist der Matrixtransformator laut Nabih auch noch.

Induktion in die Mitte

Die Induktion befindet sich bei dieser Schaltung auf der zentralen Fläche zwischen den vier quadratisch angebrachten Kernen. Das alles ist zwischen eine Dach- und eine Bodenplatte eingepackt. Außerdem musste die Umwicklung der Kerne so angepasst werden, dass sie die Induktion in der Mitte einschließt. Die Schaltung erzielte eine Effizienz von 97,3 Prozent.

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Über den Autor

lic.rer.publ. Ariane Rüdiger

lic.rer.publ. Ariane Rüdiger

Freie Journalistin, Redaktionsbüro Rüdiger