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Nachhaltige Infrastruktur

Kühlkonzepte für ein klimaneutrales Datacenter

07. Oktober 2020, 09:07 Uhr   |  Autor: Andreas Thomasch / Redaktion: Lukas Steiglechner | Kommentar(e)

Kühlkonzepte für ein klimaneutrales Datacenter
© Joseph Krpelan / derknopfdruecker.com

Fünf österreichische Universitäten haben im Dezember 2019 ihr Gemeinschaftsprojekt, den Supercomputer-Cluster „Vienna Scientific Cluster 4“ (VSC-4), in Betrieb genommen. Mit einer Leistung von 2,7 Petaflops (Millionen Milliarden Rechenoperationen pro Sekunde) schafft es der VSC-4 momentan auf Platz 105 der inoffiziellen Weltrangliste „TOP500“ für Hochleistungsrechner. Um Energie einzusparen, ist beim VSC-4 eine speziell designte Wasserkühlung im Einsatz.

Die Bedeutung von Rechenzentren wächst stetig. Deshalb müssen sie so energieeffizient und klimaneutral wie möglich arbeiten. Neue Konzepte zur Kühlung der IT-Infrastruktur und branchenübergreifende Kooperationen weisen den Weg zum emissionsneutralen Rechenzentrum.

Ein steigender Energiebedarf, sei es nun in der Industrie oder im Privatverbrauch, stellt für Klima und Umwelt eine immer größer werdende Belastung dar. Um dieser Lage Herr zu werden, liefert der “European Green Deal” eine neue Wachstumsstrategie, mit der Unternehmen der Übergang zu einer ressourceneffizienten Wirtschaft gelingen kann. Konkret nennt die Europäische Kommission darin die Ziele, Europa bis 2050 zum ersten klimaneutralen Kontinent ohne Netto-Treibhausgasemissionen zu entwickeln und gleichzeitig das Wirtschaftswachstum von der Ressourcennutzung abzukoppeln. Dies soll unter anderem durch eine effizientere Ressourcennutzung und den Übergang zu einer sauberen, kreislauforientierten Wirtschaft gelingen.

Wachsender Energiebedarf
Menschen arbeiten verstärkt von zuhause aus und verbringen auch ihr Leben vermehrt in den eigenen vier Wänden. Das hat zur Folge, dass sich auch die allgemeine Internetnutzung und der damit zusammenhängende Datenverkehr erhöht haben. Dadurch wächst das Arbeitspensum in den Rechenzentren und somit der Energiebedarf. Doch bereits 2015, lange vor dem Ausbruch der globalen Ursache für Heimarbeit und Social Distancing, prognostizierten Experten einen starken Anstieg des Energiebedarfs in Rechenzentren. So haben Anders Andrae und Thomas Edler von Huawei in ihrem Fachartikel „On Global Electricity Usage of Communcation Technology: Trends to 2030“ eine Prognose aufgestellt, in der der erwartete Energiebedarf der Rechenzentren weltweit im Jahr 2030 bei fast 3.000 TWh (Terawattstunden) liegt. Der Energiebedarf setzt sich dabei aus dem Strombedarf der Server sowie dem der Storage- und USV-Lösungen zusammen. Jedoch beanspruchen auch die Kühlung der IT-Komponenten und sonstiger Infrastruktur einen beachtlichen Anteil der Energie.

Nicht nur um ihren Beitrag zur Erfüllung des Grünen Deals zu leisten, dem Klimawandel entgegenzuwirken oder sich Nachhaltigkeit auf die Marketing-Fahne schreiben zu können, müssen Technologiehersteller und Rechenzentrumsbetreiber ihren Energiebedarf verbessern, sondern auch, um weiterhin wirtschaftlich rentabel agieren zu können. Erhöhter Rechenbedarf sorgt für steigenden Energieverbrauch, was wiederum zu erhöhten Kosten führt. Um also nicht in Energiekosten unterzugehen, müssen Rechenzentrumsbetreiber etwas in ihrer Infrastruktur ändern. Eine optimierte Ressourcennutzung kann unter anderem im Bereich der Rechenzentrumskühlung Vorteile bringen.

Leistungsanstieg bei gleicher Fläche
Im Bereich des High Performance Computing (HPC) entwickelt sich der Trend, dass Hersteller immer häufiger zusätzliche Graphics Processing Units (GPUs) einsetzen, um die Leistung der Systeme zu steigern, da sie den gewünschten Geschwindigkeits- und Leistungszuwachs derzeit nicht erreichen können, indem sie die Taktrate von Central Processing Units (CPUs) erhöhen. Die jüngste Generation an GPUs hat dabei eine Leistungsaufnahme von bis zu 400 Watt. Für einen leistungsfähigen Server kommen so in einer Musterrechnung schnell 2.500 Watt Leistungsaufnahme zustande. Diese ergeben sich aus zwei CPUs à 300 Watt, vier GPUs à 400 Watt sowie  Arbeitsspeicher, NVMe-Speicher und Netzwerkadapter. In einem herkömmlichen 19-Zoll-Rack mit 42 Höheneinheiten finden bis zu 36 solcher Server Platz. Das entspricht einer Leistungsaufnahme von bis zu 90.000 Watt pro Rack. Dabei gilt: Je höher die aufgenommene Leistung, desto mehr Wärme muss abgeführt werden, damit der Server im Rahmen seiner optimalen Betriebstemperatur störungsfrei laufen kann. Denn auch die Leistung der CPUs und GPUs hängt immer stärker von ihrer Temperatur ab. Nur stabil gekühlte Komponenten erbringen die maximale Leistung.

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1. Kühlkonzepte für ein klimaneutrales Datacenter
2. Ziemlich viel heiße Luft
3. Warmwasser für die Kühlung
4. Server auf Tauchstation

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