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    Strategien für Stromversorgung und Kühlung von Rechenzentren bei wachsender Leistungsdichte von Racks

    Mit der rasant wachsenden Leistungsdichte von Racks in Rechenzentren müssen Unternehmen effektivere Möglichkeiten für Stromversorgung und Kühlung und den damit verbundenen Platzmangel finden. Deltas Experten haben dafür ein modulares Konzept für Produkte und Lösungen in Rechenzentren entwickelt, mit denen Unternehmen auf die wachsenden Auslastungen vorbereitet sind und ihnen flexibel begegnen können.

    In den letzten Jahren haben sich die Anforderungen an Rechenzentren aufgrund der rasanten Änderungen in der IT-Technologie und neuer Trends stark verändert. Sogenannte High-Density-Rechenzentren stellen Unternehmen vor ganz neue Herausforderungen.

    Menschen nutzen in zunehmendem Maße Internetdienstleistungen und haben hier immer höhere Ansprüche, denen Unternehmen mit einer Rund-um-die-Uhr-Verfügbarkeit gerecht werden müssen. Die Anzahl der Server wächst und immer mehr Rechenkapazitäten und Ressourcen werden auf immer kleinerem Raum installiert. Small Form Factor (SFF), Blade Server, Hyperscale Server, Composable Infrastructure – all diese Komponenten wurden als Reaktion darauf entwickelt und tragen zu einer steigenden Flexibilisierung bei.

    High-Density-Server bedeuten aber auch einen höheren Stromverbrauch pro Server. Weltweit spielt die Reduzierung des Stromverbrauchs eine immer größere Rolle und Unternehmen nehmen die Themen Energieeffizienz und Umweltverantwortung immer ernster. Dank moderner Virtualisierungstechnologie können Unternehmen die Kapazitäten von Servern heute voll auslasten. Mit dem aktuellen globalen Trend zu Cloud-Services haben viele Unternehmen die „Cloud First“-Strategie bereits zur obersten Priorität erklärt. Immer mehr IT-Budget wird in cloud-basierte IT-Infrastruktur und die entsprechende Software investiert und einige Unternehmen bzw. IT-Anbieter verfolgen mittlerweile eine Cloud-only-Strategie. Die wachsende Serverdichte in den entsprechenden Cloud-Rechenzentren wird unausweichlich zu großen Herausforderungen in Sachen Wartung führen.

    Mit steigender Mobilität und verstärkter Nutzung sozialer Medien steigt die Datenmenge, die mit einer enormen Rechenleistung analysiert und extrahiert werden muss. Darüber hinaus werden durch die Weiterentwicklung des Internets of Things (IoT) die von Sensoren erfassten Daten zur Big-Data-Analyse an Backend-Rechenzentren weitergeleitet. Diese Anforderungen führen zur Entwicklung von High-Density-Rechenzentren, denn mit der steigenden Gerätedichte in Rechenzentren reichen traditionelle Rechenzentrumskonzepte nicht mehr aus.

     

    Mögliche Gefahren einer hohen Leistungsdichte

    Laut einer Untersuchung der Colocation America (2014) lag die Leistungsdichte eines einzelnen Rack-Schranks in Rechenzentren 2008 bei ca. 6 kW, 2016 hingegen bereits bei 12 kW. Bis 2020 wird die Leistungsdichte eines Rack-Schranks laut aktueller Prognosen bereits bei 16,5 kW liegen. Beim Umbau von zwei Intel-Fertigungsanlagen in sogenannte „Green Data Center“ mit hoher Leistungsdichte lag die Leistungsdichte pro Rack sogar bei 43 kW.

     Potential issues from high power density

    Quelle: Colocation America, 2014

    Mit der rasant wachsenden Leistungsdichte von Racks müssen Unternehmen effektivere Lösungen für die damit verbundenen Probleme finden. So lässt sich durch das High-Density-Konzept der vorhandene Platz besser ausnutzen und die Reaktionszeit bei Systemausfällen deutlich reduzieren. Kommt es allerdings zu einem Stromausfall, kann die von den Geräten generiert Wärme jedoch nicht mehr abgeführt werden und es kommt zu einem Serverausfall..

    Die wachsende Leistungsdichte überfordert außerdem die Verarbeitungskapazitäten der meisten älteren Einrichtungen. In den letzten Jahren waren die Racks in einem Rechenzentrum für eine Leistungsdichte von 6 kW ausgelegt. Doch wenn es um die Einführung von High-Density-Racks mit 15 kW oder höher geht, erfüllen viele Einrichtungen die Anforderungen nicht mehr. Technologien, die einen massiven Einsatz von Ressourcen erfordern – wie beispielsweise Cloud-Computing oder Big-Data-Analysen – stellen Unternehmen vor die Herausforderung, die Lücke zwischen bestehender und benötigter Kapazität schließen zu müssen. In der Vergangenheit ging man bei der Kühlungsstrategie für Rechenzentren davon aus, dass die IT gleichmäßig ausgelastet wird. In der Realität ist aber nicht der Fall, vor allem nicht in manchen High-Density-Racks. Die Unternehmen realisieren also, dass ihre Kühlkapazitäten gefährlich unterentwickelt sind.

    Damit wird vermutlich auch das bisherige Power-Backup-Konzept verschwinden. Dieses basiert auf einer USV- und Kühlstrategie mit N+1-Konfiguration. Ein solches System ist heute aber aufgrund fehlender Kapazitäten quasi ständig im Einsatz und verliert somit seine Backup-Funktion. Dazu kommt, dass IT-Mitarbeiter nach der Einführung von Virtualisierungslösungen virtuelle Maschinen dynamisch verschieben können. Das verändert die Auslastungsstruktur in Rechenzentren und es kommt zur Entwicklung sogenannter Hot Spots. Auch die Anforderungen an die Stromversorgung werden sich ändern, was zu unnötigen Ausfällen führen kann.

     

    Modularisierung bedeutet mehr Flexibilität

    Administratoren von High-Density-Rechenzentren geraten zunehmend unter Druck und stehen sich dadurch wachsenden Problemen gegenüber. Sie sind für eine immer dichtere Rechenumgebung verantwortlich und müssen die Verfügbarkeit ausbauen, dabei aber gleichzeitig Kosten senken und die Effizienz verbessern. Glücklicherweise entwickeln Branchenexperten modulare Konzepte für Produkte und Lösungen in Rechenzentren, mit denen Unternehmen auf die zukünftigen Workloads vorbereitet sind und ihnen flexibel begegnen können.

    Derzeit betreffen die Modularisierungskonzepte vor allem die Bereiche Platzmanagement und Facility-Design. Für das Platzmanagement werden modulare Komponenten für IT-Infrastruktur, Rack-Schränke und betriebswichtige Einrichtungen für IT-Geräte verwendet. Alle Module sind voneinander abhängig und bauen aufeinander auf. In der Praxis sieht das folgendermaßen aus: In den Rechenzentren von Unternehmen werden die Kapazitätsanforderungen bestehender Services und der mögliche zukünftige Erweiterungsbedarf analysiert. Die Ergebnisse werden in kleinere Bereich unterteilt, die als Module betrachtet werden. Die Modularisierung von Einrichtungen wird auf die Verwendung von modularen Designs für die Infrastruktur übertragen. Dazu gehören Energiesysteme wie USVs, Verteilerschränke, Kühlung in Reihe, Server-Racks und Warm-/Kaltgangeinhausung.

    „Die Entwicklung in der IT-Technologie schreitet jeden Tag fort und die Infrastruktur entwickelt sich in Richtung Microservice-Architekturen. Einfach gesagt bezieht sich Microservice-Architektur auf die Verwendung von modularen Konzepten, um komplizierte, große Anwendungen zu bilden. Modulare Lösungen wurden bereits vor Jahren für Rechenzentrumsinfrastrukturen entwickelt, um Unternehmen in die Lage zu versetzen, flexibel auf den wachsenden Erweiterungsbedarf zu reagieren, und um das Problem mit mangelnder Kühlung und zu geringem Platzangebot zu beheben,“ erklärte Dr. Charles Tsai, Leiter der Unternehmenseinheit für betriebskritische Infrastrukturlösungen bei Delta.

     

    Modularisierung von USV-Systemen

    Laut der Studie eines USV-Anbieters glauben ca. 50 % der Befragten, dass die Hauptursache für Stromausfälle in Rechenzentren im Versagen von USV-Geräten zu suchen ist. Das zeigt, wie wichtig USV-Systeme für die Aufrechterhaltung des Betriebs in Rechenzentren ist. Mit der wachsenden Dichte in Rechenzentren müssen in erster Linie alte USV-System durch effiziente Systeme ersetzt werden. USV-Systeme, die vor zehn Jahren entwickelt wurden, haben normalerweise einen Wirkungsgrad von 85 % bei einer Auslastung von 40 % beim Betrieb von Servern mit doppeltem Netzeingang. Die Energieeffizienz aktueller USV-Systemeist sogar noch größer. Zum Beispiel die USV-lösung von Delta: bei leichter Auslastung von 20 % liegt der AC-AC-Wirkungsgrad der DPH 500 kVA Serie bei ca. 95 % , in der Spitze sogar bei 96,5 %, was deutliche Einsparungen bei den Stromkosten ermöglicht.

    The modularization of the UPS system

    werden Stromversorgungsanlagen geplant, auch wenn der verfügbare Platz sehr eingeschränkt ist. Bei der Entwicklung hin zu einem High-Density-Rechenzentrum muss auch die Notstromversorgung entsprechend angepasst werden. Unternehmen können ihre veralteten USV-Systeme durch Geräte der neuesten Generation mit höherer Leistungskapazität ersetzen. So hat Delta kürzlich das modulare USV-System Modulon DPH 500 kVA für große Rechenzentren auf den Markt gebracht, das nur einen 19”-Rack-Schrank benötigt und die weltweit höchste Leistungsdichte bietet. Die parallele Erweiterung kann auf bis zu 8 Geräte konfiguriert werden, was einer maximalen Leistungskapazität von 4 MVA entspricht.

    Dank der Selbstdiagnose und der Alterungserkennung kann das System den Zustand von Batterien, Lüftern, IGBT-Modulen, Gleichstromkondensatoren und Wechselstromkondensatoren ermitteln, um vorbeugende Maßnahmen zu ermöglichen und das Risiko von Fehlfunktionen oder Stromausfällen zu reduzieren und so zum Investitionsschutz beizutragen.

    Für Unternehmen ist ein weiterer Vorteil modularer USV-Systeme relevant: Das Plug-and-Play-Design der Leistungsmodule. Je nach Bedarf ist eine vertikale (in einem einzelnen Systemschrank) oder horizontale (parallele) Erweiterung möglich. Unternehmen können USV-Systeme entsprechend ihrer aktuellen Kapazitätsanforderungen erwerben und in der Zukunft bedarfsgerecht erweitern, um den Investitionsaufwand weiter zu senken.

     

    RowCool-Systeme in der Nähe von Hot Spots reduzieren Stromausfälle

    Delta rowcool

    Mit wachsender Server- und IG-Geräte-Dichte steigen auch die Anforderungen an die Anlagen. Der steigende Stromverbrauch führt dazu, dass das Thema Kühlung in Rechenzentren zu einem Problem geworden ist. Das Kühldesign von Rechenzentren geht davon aus, dass die IT-Auslastung gleichmäßig und gut verteilt ist. In der Realität führt die dynamische Verschiebung von virtuellen Maschinen oder eine falsche Bereitstellung von IT-Geräten jedoch zu einer ungleichmäßigen Wärmeverteilung.

    Ungenügende Kühlung wird in High-Density-Rechenzentren verstärkt zu einem Problem werden. RowCool bietet folgenden Vorteil: Das System befindet sich in der Nähe von Hot Spots und unterscheidet sich von RoomCool-Systemen, bei denen durch den Luftweg unter dem Boden Verluste entstehen. RowCool-Systeme können für ausreichende Kühlkapazität sorgen, um Hot Spots zu verhindern. Sie sind mit einem äußerst stromsparenden DC- oder EC-Lüfter mit variablen Geschwindigkeiten ausgestattet, was den Energieverbrauch noch weiter senkt. Ein Reduzerung der Lüftergeschwindigkeit um 10 % kann den Stromverbrauch um bis zu 27 % reduzieren. Außerdem wird ein N+1-Backup-Design für die Gesamtarchitektur verwendet und die Gruppenkontrollfunktionen für die verknüpfte Steuerung von RowCool-Geräten in der Nähe verhindern Hot Spots bei plötzlichem Lastanstieg.

    RowCool-Systeme sind ebenfalls modular aufgebaut. So hat der RowCool 29/43kW zum Beispiel nicht nur zwei integrierte Stromversorgungen und kann die Zuverlässigkeit und den Schutz für die Systemstromversorgung deutlich steigern, sondern unterstützt auch Hot-Swap-Stromversorgung und -Lüfter und kann die erforderliche Wartungszeit reduzieren. Dank der variablen Lüftungsgeschwindigkeit kann der Lüfter an den tatsächlichen Bedarf angepasst werden. Das Modulkonzept gilt auch für die RowCool-Geräte, die nach Bedarf an den Hot Spots eingesetzt werden können.

     

    Fallstudie: Medium- und High-Density-Zonen existieren in Rechenzentren parallel

    Der Vereinigung der Rechenzentrumsmanager, AFCOM, hat Kategorien für die Rechenzentrumsdichte entwickelt. Danach gibt es in einer Low-Density-Umgebung nur Schränke unter 4 kW, in einer Mid-Density-Umgebung liegt der Wert zwischen 5 kW und 8 kW, in einer High-Density-Umgebung zwischen 9 kW und 15 kW und in einer Ultra-High-Umgebung bei 16 kW und höher. So unterschiedlich wie Rechenzentren sind auch deren Herausforderungen im Hinblick auf die Rack-Leistungsdichte. In einigen Rechenzentren gibt es möglicherweise sogar eine Mischung verschiedener Rack-Schränke mit unterschiedlichen Dichten, für die dennoch dasselbe Konzept für Stromversorgung und Kühlung verwendet wird. Eine führende IC-Design-Firma in Taiwan plant ein neues Rechenzentrum in der Firmenzentrale, da die bestehenden IT-Geräte und die entsprechenden Netzwerk- und Betriebsumgebungen enger verzahnt werden sollen. Eine Begehung vor Ort ergab, dass sich in diesem Rechenzentrum bis zu 80 Mid-Density- und Ultra-High-Density-Rack-Schränke mit bis zu 25 kW befinden.

    Delta empfiehlt bei der Kombination von Low-Density- und High-Density-/ Ultra-High-Density-Racks , das Rechenzentrum räumlich in einen High-Density- und einen Ultra-High-Density-bereich aufzuteilen, um den Aufbau zu optimieren. Bei der Facility-Planung sollten nicht nur allgemeine Anforderungen hinsichtlich der Stromversorgung und der Kühlung berücksichtigt werden, sondern auch die Raumnutzung für die Bereitstellung von IT-Systemen. Es gibt unterschiedliche Optionen für den Einsatz von Kühlungslösungen. So benötigen Rack-Schränke unter 4 kW möglicherweise nur RoomCool für eine effektive Kühlung, während RowCool-Geräte für High-Density-Racks zwischen 9 kW und 15 kW die bessere Lösung hinsichtlich eines optimalen Wärmemanagements wären.

    Für dieses Projekt hat Delta das modulare Designkonzept genutzt, um den Ultra-High-Density-Bereich für seinen Kunden zu planen, und hat alle Ultra-High-Density-Racks in einem Bereich aufgestellt. Für die High-Density-Anwendungen entschied sich das Unternehmen für RowCool 95kW von Delta mit der branchenweit größten Kühlkapazität in einem 600 mm breiten Schrank. Delta empfahl außerdem die Verwendung einer Warmgangeinhausung, um zu verhindern, dass sich kalte und warme Luft mischen und so für eine optimale Kühleffizienz zu sorgen.

     

    Zusammenfassung

    Technologie entwickelt sich jeden Tag weiter. Das Internet der Dinge (IoT), künstliche Intelligenz und AR/VR haben Cloud, mobile Technologien, soziale Medien und Big Data enger zusammen rücken lassen. Unternehmen stehen vor diesem Hintergrund im Hinblick auf ihre Rechenzentren vor immer größeren Problemen. Die Entwicklung hin zu High-Density-Umgebungen wird weitergehen und Infrastrukturen werden zum Rückgrat für jedes Unternehmen, das seine innovativen Anwendungsservices vermarkten will.

    Für Administratoren von Rechenzentren bedeuten High-Density-Rechenzentren definitiv mehr Wartungs- und Verwaltungsaufwand. Auch die Verfügbarkeit von Rechenzentren stellt eine Herausforderung dar, während gleichzeitig Kosten gesenkt und die Effizienz gesteigert werden müssen. Die Verwendung eines modularen Designs und entsprechender Einrichtungen, darunter die modulare Aufteilung des verfügbaren Raumes, Kalt- oder Warmgangeinhausung, RowCool-Systeme und effizientere USVs können zu einer zuverlässigeren Architektur und mehr Bereitstellungsflexibilität in Rechenzentren führen.

    Delta data center total solutions

     

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