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Rechenzentrum Infrastruktur

Cloud-Computing, Big Data und das Internet der Dinge (Internet of Things, IoT) machen den Bau neuer Rechenzentren erforderlich. Herkömmlichen Rechenzentren fehlt es auf diesem Riesenmarkt an Flexibilität und Erweiterungsfähigkeit. Ihre Nachteile treten im Verlauf von Geschäftsentwicklungen und einer steigenden Zahl von Anwendungen nach und nach zutage: Bau und Bereitstellung erfolgen in der Regel nach den Grundsätzen „ein Projekt – eine Entwicklung“ und „eine Anwendung – eine Maschine“. Die Bereitstellung dauert lange, die Dichte solcher Rechenzentren ist gering. Die enge Koppelung des Servers an Zusatzmodule wie Stromversorgung oder Kühlung erschwert das Wachstum und führt dazu, dass kleine Änderungen große Auswirkungen auf die gesamte Einrichtung haben können. Schließlich benötigen die Systeme im Rechenzentrum mehr Managementsoftware, um die Erfordernisse im Zusammenhang mit der Geschäftsentwicklung und zunehmenden Anwendungen zu erfüllen. Die Redundanz steigt und Stromversorgung und Kühlungen können die Anforderungen kaum erfüllen. Darum ist es an der Zeit, das Rechenzentrum als Ganzes neu auszulegen und zu erweitern.

Das modulare Rechenzentrum entspricht den aktuellen Branchenstandards. Das gesamte Rechenzentrum ist in verschiedene einzelne Bereiche unterteilt. Jeder Bereich ist einzeln entsprechend seiner Größe, Last, Konfiguration usw. nach einem einheitlichen Standard ausgelegt. Die Kühlungs,- Stromversorgungs- und Energiemanagementysteme in einem modularen Rechenzentrum sind in Bausteine und Module unterteilt. Dadurch wird ihr störungsfreier, voneinander unabhängiger Betrieb ohne geteilte Ressourcen sichergestellt. Durch das modulare Design bietet ein Rechenzentrum eine Reihe von Vorteilen. „Riesige integrale Rechenzentren sind nicht mehr zeitgemäß“, so Michelle Bailey, Trendforscherin im Rechenzentrum des Marktforschungsunternehmens IDC. Das modulare Rechenzentrum hat das Potenzial, in den kommenden fünf Jahren zum „praktisch anerkannten Konzept“ beim Bau von Rechenzentren zu werden. Jedes Unternehmen kann unabhängig von Unternehmensgröße und Branche ein eigenes Rechenzentrum bauen und skalieren, um steigende IT-Anforderungen zu erfüllen.

1. Treibende Kraft für die Markteinführung mikromodularer Rechenzentren

1.1 Ankündigung politischer Maßnahmen als Auslöser für die Einführung modularer Rechenzentren.

Deutliche Ankündigungen nationaler Maßnahmen deuten darauf hin, dass der Staat beim Bau von Rechenzentren gesteigerten Wert auf Energieeffizienz-Indikatoren und Anwendungen neuer Technologien legt. Die ausgezeichneten Leistungen modularer Rechenzentren beim Energieverbrauch sowie die Vorteile hinsichtlich Bau, Planung und Platzbedarf stehen im Einklang mit dem politischen Kurs. Damit wurde eine Phase des schnellen Wachstums modularer Rechenzentren eingeläutet.

1.2 Hersteller werben für die Idee modularer Rechenzentren

Die staatliche Politik lockt Hersteller von Infrastruktur und herkömmlichen USV auf den wettbewerbsorientierten Markt der modularen Rechenzentren. Alle großen Hersteller werben für die Idee modularer Rechenzentren und bringen entsprechende Produkte auf den Markt. Delta Electronics und andere Hersteller bieten Lösungen wie beispielsweise InfraSuite, die vom Markt gut angenommen wird.

1.3 Vorteile bewegen Nutzer zu Wahl und Bau modularer Rechenzentren

Angesichts stetig steigender Energiepreise möchten viele Unternehmen die Auslastung ihres Rechenzentrums gewährleisten und müssen gleichzeitig die Stromkosten streng kontrollieren. Bei den Baukosten schneiden modulare Rechenzentren, die aus vorgefertigten Elementen realisiert werden, besser ab als herkömmliche Rechenzentren: Die Kosten für Design, Management und schlüsselfertigen Bau liegen 30 % unter denen herkömmlicher Rechenzentren. Dank der Fertigbauweise beträgt die Bauzeit nur wenige Wochen, so dass die schnelle Bereitstellung der Daten gewährleistet ist.

Modulare Rechenzentren lassen sich schnell erweitern oder an externen Standorten einrichten und in Betrieb nehmen. Während Bau- und Inbetriebnahme im Gange sind, kann bereits ein voll funktionsfähiges Rechenzentrum erstellt werden, sobald die Energie- und Wasserversorgung und der Netzwerkanschluss sichergestellt sind. Entsprechend setzen mittlerweile viele Internetfirmen, Telekommunikationsanbieter und Großunternehmen versuchsweise modulare Rechenzentrumslösungen ein. So haben beispielsweise die Internetkonzerne IBM, Microsoft und Google mit dem Bau modularer Rechenzentren begonnen. Internetunternehmen wie Baidu, Alibaba, Tencent und zugehörige Betreiber haben in ihren neu gebauten Rechenzentren Produkte modularer Rechenzentren eingesetzt und damit Vorteile hinsichtlich Bauzeit, Energieverbrauch und Kosten erzielt.

2. Definitionen und Merkmale modularer Rechenzentren

Das Design modularer Rechenzentren ermöglicht den Umgang mit neuen Serverentwicklungen wie Cloud-Computing, Virtualisierung, Zentralisierung und hoher Dichte, die Verbesserung der Effizienz, die Reduzierung des Energieverbrauchs sowie schnelle Erweiterungen und einen störungsfreien Betrieb. Modulare Rechenzentren bestehen aus verschiedenen Modulen mit unabhängigen Funktionen und einer einheitlichen Input-/Output-Schnittstelle. Module in verschiedenen Bereichen können gegenseitige Duplizierungen erstellen. Durch eine Kombination miteinander verbundener Module wird ein voll funktionsfähiges Rechenzentrum erstellt. Modulare Rechenzentren sind integriert, standardisiert, optimiert und intelligent und verfügen über eine hoch anpassungsfähige Infrastruktur sowie eine hochverfügbare Rechnerumgebung.

Modulare Rechenzentren können die dringenden Erfordernisse der IT-Abteilung der Zukunft abdecken, darunter beispielsweise Standardisierung, Modularität, virtuelles Design, dynamische IT-Infrastruktur (Flexibilität und hohe Ressourcenauslastung), intelligentes 24/7-Betriebsmanagement (Prozessautomatisierung, intelligentes Rechenzentrum), Unterstützung der Geschäftskontinuität (Disaster Recovery und hohe Verfügbarkeit), Shared IT-Service (unternehmensübergreifende und gemeinsame Infrastruktur, Informationen, Anwendung), schnelle Anpassung an wechselnde Geschäftsanforderungen (Bereitstellung von Ressourcen auf Anforderung) oder grüne Rechenzentren (Energieeinsparung und Reduzierung des Kohlenstoffausstoßes).

3. Modulare Rechenzentren bieten Lösungen für die Probleme herkömmlicher Rechenzentren

3.1 Probleme herkömmlicher Rechenzentren

3.1.1 Lange Vorlaufzeiten beim Bau

Die Bauzeit umfasst die Planung, das Design und die Installation der Systeme im Rechenzentrum sowie die Inbetriebnahme. Erfahrungen aus der Vergangenheit haben gezeigt, dass dieser Zeitraum in der Regel in Jahren bemessen wird. Abb. 1 zeigt den üblichen Zeitplan für solche Projekte. Bei herkömmlichen Lösungen sind eine Reihe von Planungsprozessen erforderlich und der Zeitplan ist sehr lang. Entsprechend der Ist-Situation beim Bau eines Rechenzentrums wird der Bau der Infrastruktur in der Regel in den Phasen der Entscheidungsfindung, Vorbereitung, Implementierung und Ausführung abgeschlossen. Der übliche Zeitraum für die Fertigstellung des Baus beträgt etwa 400 Tage.

 

Abb. 1.: Übliche Bauzeit von Rechenzentren

 

Entscheidungsphase: Umfasst die vorausgehende Machbarkeitsuntersuchung und die Machbarkeitsuntersuchung. In dieser Phase wird die geschätzte Investition bestätigt.

Vorbereitungsphase: Umfasst die Planung, das Design und die Vorbereitung für den Bau des Rechenzentrums.

Implementierungsphase: Umfasst die Bereitstellung der Geräte für das Rechenzentrum, den Bau, die Installation und die Produktionsvorbereitung. Bau und Installation sind entscheidende Bestandteile für die Überführung vom Entwurf zu tatsächlichen Gebäuden. Nachdem die Vorbereitungen für den Bau erfolgt sind, muss der beaufsichtigenden Abteilung ein Protokoll über den Leistungsbeginn vorgelegt werden. Ohne die Genehmigung dieses Protokolls kann der Bau nicht begonnen werden. Produktionsvorbereitungen werden während der Vorbereitungs-, Implementierungs- und Ausführungsphasen durchgeführt. Die Hauptarbeiten werden während der Implementierungsphase ausgeführt.

Ausführungsphase: Umfasst die Anpassung, den Testbetrieb, die Abnahmeprüfung und die Übergabe der Arbeiten.

Für den Bau eines Rechenzentrums ist üblicherweise ein Zeitraum von etwa 400 Tagen zu veranschlagen. Der Zeitraum kann verlängert werden, wenn eine kontinuierliche Vorhersage des Projekts erforderlich ist. In Zeiten rascher Änderungen der Geschäftsanforderungen ist dieser Zeitplan weder angemessen noch annehmbar, weil Kunden für den Bau neuer Rechenzentren wenige Monate veranschlagen möchten, nicht Jahre.

3.1.2 Geringe Erweiterbarkeit

Erweiterbarkeit ist ein entscheidender Faktor für die Anpassungsfähigkeit eines Unternehmens. Bei der Auslegung der Systemkapazität wird ein Worst-Case-Szenario auf Grundlage zukünftiger Geschäftsanforderungen berücksichtigt. Da sich der Bedarf oft nicht zuverlässig für 3 bis 4 Jahre im Voraus vorhersagen lässt, können trotzdem unangemessen Bauarbeiten ausgeführt werden. Noch problematischer ist es, wenn der Bau konservativ nur unter Berücksichtigung der aktuellen Anforderungen ausgeführt wird und Kapazitätssteigerungen nur auf Kosten der Geschäftskontinuität und höherer Betriebskosten möglich sind. Untersuchungen zeigen, dass die Auslastung der Infrastrukturkapazität in einem Rechenzentrum derzeit weniger als 50 % beträgt: Faktisch wird nur ein Drittel des Rechenzentrums genutzt. Der Return on Investment eines Projekts sollte eigentlich dreimal höher sein, und zwei Drittel der Investition können ertragbringend für andere Projekte des Unternehmens aufgewendet werden.

3.1.3 Hoher Energieverbrauch

Für den Betrieb eines Rechenzentrums mit hohem Energieverbrauch ist sehr viel Strom erforderlich. Beim Bau herkömmlicher Rechenzentren haben Faktoren wie die Stromversorgung, Kühlung und Luftstromführung keine hohe Priorität. Die PUE (Power Usage Effectiveness) vieler Rechenzentren ist zu hoch, und in der Regel wird normale umweltfreundliche Stromausrüstung mit hoher Zuverlässigkeit eingesetzt. Allerdings sind diese Geräte üblicherweise wenig effizient, und entsprechend liegt die PUE solcher Rechenzentren in der Regel über 2.0 oder höher: Das bedeutet, dass die Hälfte der für die Rechenzentren verbrauchten Energie für die IT-Last aufgewendet wird und die andere Hälfte für kritische und physische Internet-Infrastruktur (z. B. Stromversorgung, Kühlung oder Beleuchtung).

3.1.4 Schwierigkeiten bei Betrieb und Wartung des Rechenzentrums

Für IT-Betrieb und Wartung ergeben sich eine Reihe von Problemen, darunter eine geringe Servicequalität. Der umfangreiche Betrieb und die Wartung führen zu unverständlichen Ressourcennutzungsrechnungen. Die zuständigen Mitarbeiter für Betrieb und Wartung haben kein umfassendes Verständnis sämtlicher IT-Ressourcen und noch weniger von deren Verwaltung. In Ermangelung von Spezialisten für Serviceschnittstellen werden Reporting und Störfallbearbeitung chaotisch. Um die Optimierungsergebnisse der Betriebs- und Wartungssysteme zu erfassen, müssen IT-Mitarbeiter riesige Datenmengen und zahlreiche statistische Berichte zusammentragen; eine effiziente Sammlung dieser statistischen Daten ist in routinemäßigem IT-Betrieb, Wartung und Verwaltung kaum möglich.

3.2 Vorteile modularer Rechenzentren

3.2.1 Schnelle Inbetriebnahme und kürzere Bauzeit

Modulare Rechenzentren ermöglichen eine Reduzierung der Planungs- und Auslegungszeit. Der Aufbau des Systems kann in Bezug auf das Designziel angemessen konfiguriert werden. Zum Beispiel erfolgt die physische Anordnung von Moduleinheiten nur mit einer begrenzten Anzahl und Art von Geräten in Einklang mit den aktuellen IT-Anforderungen. Dank Großserienfertigung der Module können die Produkte „von der Stange“ bereitgestellt und schneller geliefert werden. Standardisierte Anschlusstechnik reduziert die Arbeitslast bei Konfiguration und Anschluss vor Ort und damit die Installationszeiten. Die Module können bereits im Werk so angeschlossen und vorab geprüft werden, wie bei Arbeiten vor Ort. Die Zeit für die Anpassung des Systems wird drastisch reduziert. Das Rechenzentrum ist für die aktuellen IT-Anforderungen ausgelegt, und es werden weniger und kleinere Infrastrukturen benötigt als beim herkömmlichen System, sodass die Inbetriebnahme beschleunigt wird. Darum ist bei modularen Rechenzentren die Bauzeit erheblich kürzer: Der Bau eines herkömmlichen Rechenzentrums dauert etwa 7 bis 8 Monate, bei einem modularen Rechenzentrum dagegen nur 2 bis 3 Monate.

3.2.2 Hohe Erweiterbarkeit, mehrere Bauphasen

Da sich zu einer modularen Architektur mehrere Rechenzentren hinzufügen lassen, können ein bis zehn Module entsprechend Ihren Anforderungen gebaut werden, um die IT-Konfiguration im Rechenzentrum zu optimieren. Modulare Rechenzentren haben die Kosten während der Dienstzeit des Rechenzentrums klar reduziert. Ein Colocation-Unternehmen mit einem großen IDC (Internet Datacenter) weiß nicht, wie viele Racks und welche Stromversorgung ein Kunde benötigt oder wann der Kunde kurzfristig Zusatzgeschäfte benötigt. Unter diesen Umständen ist das modulare Rechenzentrum die optimale Wahl.

3.2.3 Standardisierte, robuste und zuverlässige Module

Modulare Rechenzentren sind dank eines modularen, standardisierten und hochintegrierten Designs stabiler. Zudem bieten modulare Rechenzentren Konfigurationslösungen wie N, N+1 und 2N und unterstützen Stromreserven entsprechend den Kundenanforderungen: So wird der höchste Tier-4-Level TIA-942 erreicht.

3.2.4 Umweltschutz und Energiesparen

Die Stromkosten machen während der Lebensdauer von Rechenzentren den größten Teil der Gesamtbetriebskosten (TCO) aus. Durch die Planung von Infrastruktur gemäß den aktuellen IT-Anforderungen und das Hinzufügen neuer Module entsprechend den wachsenden IT-Anforderungen sind die Benutzer in der Lage, Module nur für die erforderlichen Geräte bereitzustellen und während der Lebensdauer des Rechenzentrums hohe Einsparungen bei den Stromkosten zu realisieren. Modulare Rechenzentren ermöglichen eine angemessen Abstimmung zwischen der Kapazität und Arbeitslast der Energie- und Kühlsysteme, um die Effizienz zu verbessern und Überkonfiguration zu verringern. Die Leistungsumwandlungsrate des Moduls beträgt 95,4 %*. Mithilfe einer Standardschnittstelle und modularen Architektur lassen sich bedeutende Energieeinsparungen erzielen. Mittels „InRow“-Cooling wird die Kaltluft direkt zu den Heißpunkten geführt. Dadurch wird die Entfernung reduziert und die Kühlleistung verbessert. Die Kaltgangeinhausung ist isoliert, um die Vermischung kalter und heißer Luft auszuschließen und zu verhindern, dass sich Wärmeinseln bilden. Im Vergleich zu herkömmlichen Rechenzentren ist die Kühlleistung bei modularen Rechenzentren um über 12 %* höher. Durch die Kombination mit Wasserkühlung und freier Kühlung wird die PUE auf unter 1.5 gesenkt.

3.2.5 Intelligentes Management mit hocheffizientem Betrieb

Das intelligente Managementsystem bietet Kunden die Vorteile von Energieeinsparung und Verbrauchsreduzierung. Es liefert ein mehrstufiges ausgeklügeltes Energieverbrauchsmanagement für Rechenzentren und positioniert zusätzliche Energieverbrauchspunkte mithilfe verschiedener Berichte. Auf Grundlage der Big-Data-Analyse werden optimierte Energiesparpläne generiert. Mithilfe von Assetmanagement innerhalb des gesamten Lebenszyklus der Netzwerkressourcen wird eine Closed-Loop-Informationsverwaltung erreicht und die Echtzeit-Aktualisierung und Verwaltung der Daten ermöglicht. Für die Kunden ist es hilfreich, ihre Asset-Maintenance-Pläne zu erstellen, die eine Umsetzung aktiver Früherkennung angeben. Die Pläne können dynamisch angepasst werden, und mithilfe optimierter Pläne für die jeweilige Ist-Situation kann die jeweils beste Assetmanagement-Funktion erstellt werden.

4. Definition modularer Produkte und Systemkomponenten

Rechenzentren unter Einsatz von Fertigmodulen lassen sich in zwei Kategorien fassen:

(1) Teilweise vorgefertigtes Rechenzentrum:

Rechenzentrum, das zum Teil aus vorgefertigten Modulen (Racksystem, Kühlung, Verkabelung und Überwachungssystem) und zum Teil aus dem herkömmlichen „Vor-Ort-Bau“-System besteht.

(2) Vollständig vorgefertigtes Rechenzentrum:

Ein vollständig vorgefertigtes Rechenzentrum wird als eigener abgetrennter Bereich aus den vorgefertigten Modulen (Stromversorgung, Racksystem, Kühlung, Verkabelung, Überwachungssystem) gebaut. Die Module werden vor dem Transport in Teile zerlegt und vor Ort wieder zusammengebaut. Dieses Rechenzentrum benötigt externe Infrastruktur wie Generatoren, Kühleinheiten oder Hoch- und Niederspannungs-Verteilungen.

*Hinweis: Die Daten wurden von Delta GreenTech evaluiert.