Der Energieknackpunkt im Rechenzentrum

Die IT-Fabriken des Technologiezeitalters

Rechenzentren sind zu den IT-Fabriken des heutigen Technologiezeitalters geworden. Von den Anfängen mit speziellen Computer- und Bandspeichern bis hin zur Entwicklung der globalen IT und des Internets mit den damit verbundenen Diensten ist die weltweite Nachfrage nach Daten ständig gestiegen.

Die frühen Rechenzentren konzentrierten sich zunächst auf die Aufrechterhaltung der richtigen Umgebung für die IT-Ausrüstung, doch je kritischer die Systeme wurden, desto wichtiger wurde die Zuverlässigkeit und Belastbarkeit der Strom- und Kühlungsinfrastruktur.

In den letzten 10 Jahren ist die Leistungsdichte von Rechenzentren von 1 kW/m2 auf 4 kW/m2 gestiegen, die durchschnittliche Leistungsdichte von Server-Racks beträgt jetzt bis zu 10 kW pro Stück, Tendenz steigend, und die Rechenzentren selbst werden immer größer, da wir immer mehr Racks installieren. Vor zehn Jahren galt ein 10-MW-Rechenzentrum als groß; heute, mit dem Aufkommen des Cloud Computing, werden Rechenzentren in Hunderten von MWs gemessen.

Das Ziel ist die Bereitstellung von MW an IT-Kapazität bei steigender Dichte. Die höheren Leistungsdichten und Gesamtleistungskapazitäten haben dazu geführt, dass man sich auf die Betriebseffizienz konzentrieren muss, wobei der Schwerpunkt auf dem PUE-Wert (Power Usage Effectiveness) des Rechenzentrums liegt - ein Maß für die gesamte an das Rechenzentrum gelieferte Leistung im Verhältnis zur an den Server gelieferten "Nutzleistung".

Die Krux mit dem Strom

Die steigende Datennachfrage und der zunehmende Stromverbrauch setzen die Energiesysteme unter Druck. Wenn dieses Wachstum fortgeschrieben wird, werden wir einen Punkt erreichen, an dem der Druck auf die globale Fähigkeit, Energie zu liefern und zu verteilen, nicht mehr tragbar ist, was die Kosten für den Anschluss an das Versorgungsnetz, die Energiekosten, die Auswirkungen auf die Ressourcen und die Auswirkungen auf den Planeten betrifft.

Das derzeitige Wachstum ist unhaltbar

Das derzeitige Design von Rechenzentren ist auf immer größere Einrichtungen ausgerichtet, um das Wachstum von Cloud-Diensten, Daten und globalen Verbindungen zu unterstützen. Angesichts endlicher Ressourcen, wachsender Bevölkerungszahlen und eines zunehmenden Verständnisses für die Auswirkungen unseres Handelns auf den Planeten ist dieses Wachstum nicht nachhaltig.

Die Zahl der Datennutzer und der Prozesse, bei denen Daten verwendet werden, steigt.

Der Zugang zu den globalen Datenquellen, zur Verarbeitung und Speicherung von Daten wird von den Vereinten Nationen als grundlegendes Menschenrecht anerkannt, und der Zugang zum Internet für den Rest der nicht angeschlossenen Bevölkerung ist ein wichtiger Schwerpunkt. Angesichts des zunehmenden Datenverkehrs und -speichers sowie der Prozesse und Dienste ist es heute weltweit Standard, dass unser Leben, die Einrichtungen, die wir nutzen, und die Dienste, auf die wir angewiesen sind, Zugang zu Daten erfordern und ohne diesen Zugang zum Stillstand kommen.

Seit einiger Zeit konzentrieren wir uns auf die Verbesserung der PUE. Der PUE-Wert konnte von 2,0+ vor einigen Jahren auf heute 1,15 gesenkt werden, wenn die richtigen Voraussetzungen gegeben sind. Diese Senkung wurde durch die Entwicklung energieeffizienter Kühl- und Elektrosysteme erreicht. Wir haben heiße und kalte Luftströme durch Gangeinhausung getrennt; wir verwenden Variationen von Freikühlsystemen, die es unseren Datenhallen erlauben, heißer zu laufen, und wir haben energieeffiziente Geräte wie USVs, Transformatoren usw. spezifiziert.

All dies hat den PUE-Wert gesenkt und den Betreibern von Rechenzentren Millionen von Dollar an Stromkosten erspart. Die Senkung des PUE-Wertes reicht nicht mehr aus, um dem steigenden Druck auf den Stromverbrauch der Daten entgegenzuwirken.

Dies ist im Hinblick auf die Infrastrukturkosten, die Auswirkungen auf die Umwelt und die Erschöpfung des globalen Ressourcenpools einfach nicht tragbar.

Die modernsten Rechenzentren konzentrieren sich auf Energieeffizienz und Kosteneffizienz. Wir bemühen uns um eine kosteneffizientere Gestaltung, sowohl in Bezug auf das installierte Kapital als auch auf den ROI, indem wir das Beste aus unseren Rechenzentren herausholen, aber wir haben immer noch nicht die richtige Einstellung dazu. Im Wesentlichen verkaufen wir Rechenzentrumsflächen auf der Grundlage des Stromverbrauchs, was wenig oder gar keinen Anreiz bietet, die Dinge zu verbessern.

Zustand der Zukunft

Einerseits muss die Zukunft auf erneuerbare Energien ausgerichtet sein, und die Branche stellt sich dieser Herausforderung. Im Jahr 2018 berichteten sowohl Apple als auch Google, dass sie ihren Strombedarf durch erneuerbare Quellen decken. Facebook hat sich verpflichtet, bis 2020 zu 100 % auf erneuerbare Energien zu setzen. AWS baut Wind- und Solarparks, um den Stromverbrauch seines Rechenzentrums auszugleichen. Google kündigte in diesem Jahr den größten Kauf von erneuerbaren Energien durch ein Unternehmen an, wodurch sich sein Gesamtportfolio an erneuerbaren Energien auf 5.500 MW erhöht.

Aber erneuerbare Energiequellen sind nicht genug. Wir müssen unser Augenmerk auf die Server selbst richten, auf die Computertechnologie, die so viel Strom verbraucht. Anstatt mehr Energie bereitzustellen, um die Anforderungen der Server zu erfüllen, müssen wir Server entwickeln, die weniger Energie verbrauchen.

Wir müssen uns die in den Servern eingesetzte Computertechnologie ansehen. Wir verwenden seit 50 oder 60 Jahren dieselbe auf Siliziumchips basierende Technologie. Gordon Moore, Mitbegründer von Intel, sagte 1965, dass sich die Geschwindigkeit und Leistung von Computern alle paar Jahre mehr oder weniger verdoppeln würde, und er hatte Recht. Aber die gewonnenen Effizienzgewinne gehen zu Ende. Das Mooresche Gesetz ist so gut wie ausgereizt. Wir sind an die physikalische Grenze der Transistorbegrenzung gestoßen.

Was sind die nächsten Technologien?

IBM, Google und Intel befinden sich in einem Wettlauf um die Entwicklung des Quantencomputers. Quantencomputer sind in der Lage, durch den als Superposition bekannten Quantenzustand exponentiell mehr Daten zu verarbeiten als ein klassischer Computer, und verbrauchen dabei deutlich weniger Energie.

Quantencomputer verwenden kryogene Kühlschränke, die bei extrem niedrigen Temperaturen arbeiten. Bei diesen Temperaturen findet eine Supraleitung statt, und der Strom wird praktisch ohne Widerstand und damit praktisch ohne Stromverbrauch und Wärmeabgabe geleitet.

Auch andere Technologien werden entwickelt und in Erwägung gezogen, um klassische Computer zu ersetzen, z. B. Photonic Computing, bei dem Licht anstelle von Elektrizität verwendet wird, und Neuromorphic Computing, das eine völlig andere und energieeffiziente Art des Aufbaus und Betriebs eines Computers verwendet.

Auch wenn diese Technologien möglicherweise noch Jahrzehnte davon entfernt sind, kommerziell und praktisch verfügbar zu sein, um die klassischen Computer zu ersetzen, müssen wir sie weiter entwickeln, um den Energiehunger, den wir haben, auszugleichen.

Wenn wir der Wissenschaft über die globale Erwärmung Glauben schenken, sollte das ausreichen. Wir haben einen kleinen Planeten mit begrenzten Ressourcen. Wenn wir nichts tun, verlieren wir die Chance, über unsere Zukunft zu entscheiden, und werden möglicherweise mit einer Situation konfrontiert, die wir nicht geplant haben.