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    Modulare Rechenzentren: Was leisten sie konkret? Wo zeigen sich ihre Stärken?

    Autor / Redakteur: Astrid Hennevogl-Kaulhausen* / Ulrike Ostler

    Delta Modular data center

     

    Was bringen modularisierte USV-Anlagen? Welches sind die Vorteiler modularer Kühlungssysteme? Astrid Hennevogl-Kaulhausen, Head of Mission Critical Infrastructure Solutions (MCIS)/UPS Sales Germany, Delta Energy Systems, gibt ein paar Antworten. (Bild: @sdecoret / Fotolia.com)

    Was unterscheidet modulare Rechenzentren von herkömmlichen Ansätzen, und welche konkreten Vorteile bringen sie den Unternehmen? Für welche Anforderungen sind sie die ideale Lösung, wie müssen sie konzipiert werden, damit ihre technischen und wirtschaftlichen Stärken zum Tragen kommen?

    Cloud Computing, Big Data und das Internet der Dinge verlangen Rechenzentren (RZs) mit erheblich höherer Leistungsfähigkeit und Flexibilität. Die Anforderungen reichen von einfachen und kurzen Planungsphasen über schnelle Bereitstellung von Anwendungen und unterbrechungsfreier Skalierung im laufenden Betrieb bis hin zu mehr Energie-Effizienz und Wirtschaftlichkeit.

    Ein Ansatz, die steigende Komplexität und die steigenden Anforderungen zu bewältigen ist der Bau modularer RZ. Das bedeutet in der Praxis: Kühlungs-, Stromversorgungs- und Energie-Management-Systeme sind in einzelne Bausteine und Module unterteilt. Jeder Teilbereich des RZ ist entsprechend seiner Größe, Last und Konfiguration nach einem einheitlichen Standard ausgelegt. Damit wird ein störungsfreier, voneinander unabhängiger Betrieb ohne geteilte Ressourcen sichergestellt.

    Ergänzendes zum Thema

    Drei Vorteile modularer Rechenzentren auf einen Blick:

    1. Serienfertigung
      Hohe Standardisierung von Komponenten und Prozessen ermöglichen Serienfertigung; das bedeutet: geringere Kosten, größere Qualität, leichtere Reparatur, kürzere Vorlaufzeiten.

    2. Erweiterungsfähigkeit, höhere Flexibilität
      Die modulare Struktur erlaubt einfache Erweiterungen und Anpassungen an aktuelle IT-Anforderungen. Das Installieren, Aktualisieren und neu Konfigurieren der voneinander unabhängigen Komponenten sowie Standardschnittstellen machen Erweiterungen deutlich kostengünstiger.

    3. Weniger Ausfallzeiten wegen Reparaturen
      Modularität, Flexibilität und Steckverbindungsmerkmale ermöglichen, dass sich viele Vorgänge – beispielsweise Vorverkabelung und Verteilerausrüstung vor der Lieferung oder Reparaturen von Standardmodulen – vom Hersteller in optimaler Qualität und kostengünstig durchführen lassen. Die Wahrscheinlichkeit, dass ein im Werk konfiguriertes oder repariertes Modul einen Fehler aufweist, ist extrem gering.

    Zeit und Kosten sparen mit Standardisierung

    Der hohe Standardisierungsgrad modularer Datacenter gehört zu den wichtigsten Vorteilen: Er liegt bei zirka 90 Prozent und ist damit der wichtigste Grund für die kurzen Bereitstellungszeiten, die Kosteneffizienz und die Skalierbarkeit. In puncto Kosten sind es vor allem drei Faktoren, die zu Einsparungen gegenüber herkömmlichen RZ führen: zum einen die effiziente Nutzung der Fläche und die damit verbundene Senkung der Baukosten, zum anderen die zuverlässige Vorkalkulation der Modulkosten und schließlich die hohe Energie-Effizienz.

    Mit vorgefertigten und standardisierten Elementen erstellte RZs schneiden schon bei den Baukosten erheblich besser ab: Die Kosten für Design, Management und schlüsselfertigem Bau liegen 30 Prozent unter denen für herkömmliche RZ. Die reine Bauzeit beträgt in der Regel nur wenige Wochen. Vom Bau bis zur Inbetriebnahme veranschlagte man bisher rund 400 Tage; bei modularen RZ beträgt dieser Zeitraum nur wenige Monate.

    Großserienfertigung der Module und standardisierte Anschlusstechnik sind die Hauptgründe für die kürzere Bauzeit und schnellere Inbetriebnahme: Die Module werden bereits im Werk vorab geprüft; so reduziert sich die Zeit für Konfiguration und Anschluss vor Ort drastisch. Zudem bieten modulare RZs Konfigurationslösungen wie N, N+1 und 2N und unterstützen Stromreserven entsprechend den Kundenanforderungen: So wird der höchste Tier-4-Level TIA-942 erreicht..

    Große Serien und Qualität

    Die Art und Weise, wie die Kabel verlegt sind und sich verwalten lassen, haben ebenfalls einen direkten Einfluss auf die Einrichtung und die Stabilität des gesamten IT-Systems und die Kosten. Im modularen Rechenzentrum sind alle Daten- und Stromkabel so standardisiert und vorkonfiguriert, dass sie sich einfach und kostengünstig verlegen, verwalten und reparieren lassen.

    Hinzu kommt: Dank des modularen, standardisierten und hochintegrierten Designs arbeiten modulare RZ auch stabiler – vor allem dann, wenn die Module vom gleichen Anbieter kommen und vor der Inbetriebnahme schon im Werk konfiguriert und getestet wurden. Alle Module wie Energieversorgung, Kühlung, Racks, Verkabelung sowie ein Überwachungssystem für Energie- und Belüftungs-Management sind dann so konzipiert, dass sie optimal zusammenspielen.

     

    Weniger Stromkosten, sichere Energieversorgung

    Die Stromkosten im RZ machen den größten Teil der Gesamtkosten (TCO) aus. Die PUE (Power Usage Effectiveness – der Gesamtstromverbrauch eines RZ dividiert durch den IT-Stromverbrauch) ist bei herkömmlichen Datacenter in der Regel hoch. Sie liegt oft bei über 2.0 oder mehr. Das heißt: Nur die Hälfte der Energie wird für die IT-Last aufgewendet. Die andere Hälfte verbraucht die kritische und physische Infrastruktur wie zum Beispiel Stromversorgung, Kühlung oder Beleuchtung.

    Modulare USV für die nahtlose Erweiterung des Rechenzentrums

    Abbildung 1: Modulare USV für die nahtlose Erweiterung des Rechenzentrums (Bild: Delta)

    Deutlich effektiver sind hier modulare Rechenzentren: Sie ermöglichen eine optimale Abstimmung zwischen der Kapazität und Arbeitslast der Energie- und Kühlsysteme, um die Effizienz zu verbessern und Überkonfiguration zu vermeiden. Mit modularen Unterbrechungsfreien Stromversorgungen (USV) lässt sich zum Beispiel die Anzahl der Stromversorgungsmodule einfach erhöhen, wenn das RZ erweitert werden muss. Das heißt: Bei einem weiteren Wachstum ist eine „nahtlose Erweiterung“ der USV problemlos möglich (siehe Bild 1: „Modulare USV“).

    Um Energie zu sparen, muss der Wirkungsgrad der Komponenten erhöht und die Last verringert werden. Mit modernen USV lassen sich die Stromkosten gegenüber herkömmlichen USV spürbar senken.

     

    Modulare USV-Anlagen

    In Rechenzentren werden normalerweise Stromversorgungen mit N+X-Redundanz oder sogar 2N-Konfigurationen (Dual BUS) installiert, um einen zuverlässigen Betrieb zu garantieren. Das bedeutet, dass der Prozentsatz der Last normalerweise nur etwa 30 bis 40 Prozent oder sogar noch weniger ausmacht.

    Hoher Wirkungsgrad bei geringer Last: Eine hocheffiziente USV verbraucht rund 5 Prozent weniger Strom als eine konventionelle USV.

    Abbildung 2: Hoher Wirkungsgrad bei geringer Last: Eine hocheffiziente USV verbraucht rund 5 Prozent weniger Strom als eine konventionelle USV. (Bild: Delta)

    Laut einem Bericht des Marktforschungsinstituts Gartner von 2013 ist neben dem USV-Wirkungsgrad bei Volllast besonders auf den Verlauf der Wirkungsgradkurve (siehe: Bild 2 „USV Wirkungsgradkurve“) bei einer Last zwischen 20 und 100 Prozent zu achten, um den Idealzustand von „hohem Wirkungsgrad bei geringer Last“ zu erkennen.

    Berücksichtigt man die Lastunterschiede im RZ für Tag und Nacht, dann verbraucht eine hocheffiziente modulare USV – beispielsweise mit einer Kapazität 200 kVA – rund 5 Prozent weniger Strom als eine konventionelle USV (siehe: Tabelle „Berechnung und Vergleich der USV-Stromkosten“).

     

    Berechnung und Vergleich der USV-Stromkosten

    Beispiel-USV mit 200kVA Modulare hocheffiziente USV Veraltete USV
    Tagsüber gelieferter Strom, 50 Prozent Last 100 100 kW
    Zusätzliche Verluste aus der Wirkungsgraddifferenz 0 4 Prozent
    Gesamtverbrauch 100 104 kW
    Tagesverbrauch bei 14 Stunden 1,400 1,456 kWh
    Nachts gelieferter Strom, 30 Prozent Last 60 60 kW
    Zusätzliche Verluste aus der Wirkungsgraddifferenz 0 7 Prozent
    Gesamtverbrauch 60 64.2 kW
    Nächtlicher Verbrauch bei 10 Stunden 600 642 kWh
    Tagesverbrauch (Tag und Nacht) 2,000 2,098 kWh
    Jahresverbrauch, 365 Tage 730,000 765,770 kWh
    Lebensdauerverbrauch, 8 Jahre 5,840,000 6,126,160 kWh
    Lebensdauer-Stromkosten, 0,1 EUR/kWh 584,000 612,616 Euro
    Energieeinsparungen bei 8 Jahren Betrieb 286,160   kWh
    Stromkosteneinsparungen bei 8 Jahren Betrieb 28,616   Euro
    Energieeinsparung in Prozent 5   Prozent
    Modulare USV-Analgen können die Stromkosten im Rechenzentrum senken.      

     

    Intelligentes Kühlen

    Modulare Rechenzentren nutzen separate Wärme- und Kältegänge und verwenden Kühleinheiten in Reihe, um die Kühlung kompakt gebauter Racks sicherzustellen und die Kühlenergieverluste zu verringern. Die Dichte einzelner Racks lässt sich so um mehr als 20 Kilowatt erhöhen.

    Bringt man Blindplatten am Platz des Racks, an dem keine Server montiert sind, an, fließt 95 Prozent der Kaltluft direkt über die Kaltgänge in die Server-Racks. Die von allen Racks abgegebene Warmluft wird dann durch die Kühleinheit zurückgeführt und strömt nicht zur Vorderseite des Racks. Ein dichtes Umschließungssystem des Kalt- oder Warmgangs im modularen Datacenter erhöht die Auslastung und reduziert den Verbrauch.

    Simulation der Luftströmung in einem RZ mit zwei „Hot Aisle Containments“. Es wird deutlich, dass hier keine Vermischung von warmer und kalter Luft stattfindet. Die warme Luft bleibt im gekapselten warmen Gang

    Abbildung 4: Simulation der Luftströmung in einem RZ mit zwei „Hot Aisle Containments“. Es wird deutlich, dass hier keine Vermischung von warmer und kalter Luft stattfindet. Die warme Luft bleibt im gekapselten warmen Gang. (Bild: Delta)

    Dieses so genannte „In-Row“-Cooling-Verfahren verbessert die Kühlleistung, da die Kaltluft direkt zu den Heißpunkten geleitet wird. Darüber hinaus ist die Kaltgangeinhausung isoliert, um ein Vermischen von kalter und warmer Luft auszuschließen und um zu verhindern, dass sich Wärmeinseln bilden (siehe: Bild 4 „Cooling Situation“). Im Vergleich zu herkömmlichen RZ ist die Kühlleistung bei modularen RZs um über 12 Prozent höher. Werden dann noch Wasserkühlung und freie Kühlung kombiniert, lässt sich die PUE auf unter 1.5 senken.

    Last but not least tragen intelligente Managementsysteme dazu bei, die Energiekosten zu senken. So lassen sich zum Beispiel mit Hilfe von Big-Data-Analysen Energiesparpläne erstellen und fortlaufend dynamisch anpassen.

    Höhere Packungsdichte im Rack

    Zum Rack-System als zentralem Element der IT im RZ gehören die physikalische Struktur, die Tragkonstruktion, die Installation und Kompatibilität der IT-Ausrüstung, das thermische Management (Lufteinlass, Luftauslass, Luftdurchfluss-Management), die Stromverteilung (duale Stromversorgung, Rack-montierbarer Verteilerschrank), das Kabel-Management (Strom- und Datenkabel) und vieles mehr.

    Dank der Standardisierung dieser Komponenten lässt sich in modularen RZ die Packungsdichte der Racks erhöhen – sie benötigen etwa 35 Prozent weniger Energie, und sie liefern die gleiche Leistung auf weniger Fläche. So wird ein modulares Datacenter mit einer Fläche von etwa 800 Quadratmetern und einer Wärmeleistung von 20 Kilowatt pro Rack in wenigen Jahren dieselben Leistungswerte erreichen wie heute ein Rechenzentrum mit 3000 Quadratmetern. Die Einsparungen – bezogen auf die Baukosten – liegen hier zwischen 700.000 und 2 Millionen Euro.

    Ergänzendes zum Thema

     

    Vorteile modularer Rechenzentrumslösungen von Delta

    1. Modulare RZ haben ein oberes Verkabelungssystem, und das Innenverkabelungsrack ist auf der Oberseite der modularen Racks angebracht. Hoch- und Niederspannungsstrom sind getrennt.

    2. Die Verteilerschränke liefern die Stromversorgung für die Netzwerkschränke.

    3. Das Batterie-/Akkupack kann im Batterieraum installiert werden.

    4. Modulare RZs werden mit oder ohne Farb-Touch-Panel, das jedem Modul zugewiesen wird, überwacht. Ein Informationsupload wird über ein Touch-Panel im ersten Fall oder über DAM (Data Acquisition Mainframe) im anderen Fall ausgeführt.

    5. Modulare RZs sind mit Blitzschutzsystemen der Klasse B und C ausgestattet.

    6. Das Touch-Panel (optional) zeigt Informationen über Verteilerschränke, die Präzisionskühlung, Umgebung in den Racks, Wasseraustritte, Temperatur, Feuchtigkeit, Raucherkennung, den Türstatus und vieles mehr an.

    7. Die USV und die Präzisionskühlung haben dieselbe Form, Größe und Farbe. Alle Schränke habe eine einteilige Struktur.

    8. Alle USV-, Präzisionskühl- und Überwachungssysteme werden von Delta entwickelt. Kerntechnologien und Know-how liegen in den Händen des Forschungs- und Entwicklungszentrums von Delta.

    9. Die Stromversorgungssysteme der kleinen und mittelgroßen modularen RZ sind in einem Schrank integriert, um Platz für Haupt-IT-Geräte bereitzustellen.

    Allerdings erfordert die wachsende Rechenleistung pro Rack spezielle Kühlungs- und Stromversorgungssysteme. Notwendig ist eine Kombination von Kalt-/Warmgang-Konzepten in Verbindung mit Wasserkühlung und modularen „Power Distribution Units“ (PDUs) im Rack. Auf diese Weise lässt sich der Energiebedarf der Systeme pro Rack um etwa ein Drittel senken.

     

    Modulbauweise: so viel Infrastruktur wie nötig

    Die neuen modularen Strukturen bieten die größtmögliche Flexibilität, um zukünftigen Herausforderungen zu begegnen. Ein Beispiel: Lagert man bestimmte Anwendungen in die Cloud aus, so ändert sich auch der Energiebedarf im RZ. Da eine reduzierte Energieaufnahme das größte Einsparpotenzial bringt, müssen insbesondere die USV und die Klimalösung dem Leistungsbedarf angepasst werden.

    Bei modularen USV-Anlagen kann man mit einzelnen Power-Modulen die Leistungsfähigkeit bei Bedarf erhöhen oder reduzieren, ohne dabei auf eine N+1 Redundanz oder verfügbare Überbrückungszeit verzichten zu müssen. Ist die Klimalösung Teil des „Modulbaukastens“, so lässt sich auch diese skalierbar auslegen. Der Hauptvorteil: Nur so viel Infrastruktur zu implementieren wie gerade benötigt wird, aber dennoch die Möglichkeit zu haben, je nach Bedarf in allen Bereichen – Strom, Klima, Management – flexibel anpassen zu können.
    Inzwischen gibt es viele Möglichkeiten, ein modulares RZ-Konzept umzusetzen. Diese reichen von einzelnen Rackmodullösungen über Container als ganze RZ-Einheit bis hin zu Energiezellen. Die Anschaffung modularer USV ist häufig der erste Schritt, da dies den Umbau des RZ erleichtert und vereinfacht. Allen Ansätzen gemeinsam ist: Die Modulbauweise führt zu planbaren Bau-, Installations-, Service- und Wartungskosten.

     

    Hinweis:
    Delta gehört zu den Sponsoren des „DataCenter Day 2016“, am 25. Oktober 2016 in Würzburg (siehe: Einladung zum DataCenter Day 2016, Austausch mit Rechenzentrumsexperten)

    * Astrid Hennevogl-Kaulhausen ist Head of Mission Critical Infrastructure Solutions (MCIS)/UPS Sales Germany, Delta Energy Systems

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