Energieeinsparung in Rechenzentren durch effizientere Kühlung

Forschungsprojekt DEGREE an der Universität Stuttgart sucht nach optimalem
Mix aus freier und aktiver Kühlung
Kühlsysteme sind nach den Rechnersystemen selbst der zweitgrößte
Stromverbraucher in Rechenzentren. In dem neuen Projekt DEGREE, das vom
Institut für Gebäudeenergetik, Thermotechnik und Energiespeicherung (IGTE)
der Universität Stuttgart und dem Höchstleistungsrechenzentrum Stuttgart
(HLRS) initiiert wurde, werden Forscher einen neuen Ansatz für den Betrieb
von Kühlsystemen in Rechenzentren testen, der den Energiebedarf, die
CO2-Emissionen und die Betriebskosten senken könnte.

„Rechenzentren sind für etwa drei Prozent des gesamten Energieverbrauchs
in Deutschland verantwortlich, Tendenz steigend. In Anbetracht der
erheblichen Kosten und Treibhausgasemissionen, die durch die Kühlung von
Rechenzentren entstehen, werden innovative Kühltechnologien mindestens
genauso wichtig sein wie Entwicklungen in der Informationstechnologie
selbst“, sagte Dr. Henner Kerskes vom IGTE. „Gemeinsam mit dem HLRS haben
wir uns zum Ziel gesetzt, innovative Methoden und Technologien zu
entwickeln, die Rechenzentren nutzen können, um ihre Energieeffizienz zu
verbessern.“

Im Rahmen des DEGREE-Projekts soll ein neuer, am IGTE entwickelter Ansatz
getestet werden, um die Mischung aus energieeffizienter freier Kühlung und
energieintensiver aktiver Kühlung, die zur Aufrechterhaltung einer
akzeptablen Betriebstemperatur benötigt wird, kontinuierlich zu regeln.
Ziel ist es, den energieeffizientesten Kühlungsmix zu erreichen und
gleichzeitig das Verhältnis zwischen der Temperatur des Kühlkreislaufs und
der bestmöglichen Leistung des Rechensystems zu optimieren. DEGREE wird
mit einer Laufzeit von zwei Jahren von der Deutschen Bundesstiftung Umwelt
(DBU) gefördert.

Ausgewogenes Verhältnis zwischen Energieeffizienz und Rechenleistung

Die energieeffizienteste Methode zur Temperaturregelung in Rechenzentren
ist die freie Kühlung. Dabei wird die von den Computerservern erzeugte
Abwärme über Kühltürme direkt an die Atmosphäre abgegeben, ohne den
Betrieb energieintensiver Kompressions- oder Adsorptionskältemaschinen zu
benötigen. Dies funktioniert jedoch nur, wenn die Temperatur der von den
Servern abgegebenen Wärme höher ist als die Außentemperatur. In Regionen
mit ausgeprägten Temperaturschwankungen wie Mitteleuropa kann die
Wirtschaftlichkeit der freien Kühlung daher stark variieren.

Um die Nutzung der freien Kühlung zu erhöhen, werden Serversysteme aktuell
häufig bei höheren Temperaturen betrieben. Dies hat allerdings seinen
Preis: Der Dauerbetrieb von Serversystemen bei höheren
Betriebstemperaturen bringt einen höheren Stromverbrauch bei Komponenten
wie Halbleiterchips mit sich und kann deren Lebensdauer verkürzen. Jüngste
Experimente in anderen Rechenzentren haben zudem gezeigt, dass ein
differenzierterer Ansatz bei der Nutzung der freien Kühlung bessere
Energie- und Leistungsgewinne erzielen könnte.

Im DEGREE-Projekt haben sich IGTE und HLRS an der Universität Stuttgart
daher einen dynamischen Ansatz zum Ziel gesetzt: Die Kühltemperatur soll
zu keinem Zeitpunkt höher sein, als für die freie Kühlung unbedingt nötig
ist. Die Forschenden werden ein numerisches Modell des Supercomputers Hawk
und der Kühlanlagen des HLRS entwickeln, das die Temperaturabhängigkeit
aller Systemkomponenten sowie die Auswirkungen von Temperaturschwankungen
auf die Systemleistung berücksichtigt. Das Modell wird dann mit realen
Leitungs- und Betriebsdaten validiert. Ziel ist es, die Auswirkungen einer
dynamischen Regelung der Kühlkreislauftemperatur auf den Energieverbrauch,
die Leistung und Zuverlässigkeit der IT-Komponenten sowie auf die
Betriebskosten und CO2-Emissionen zu verstehen. Das Team wird daraus
Betriebsstrategien zur dynamischen Maximierung der freien Kühlung während
des Hawk-Betriebs entwickeln und testen. „Die Idee, die Nutzung der freien
Kühlung in Rechenzentren kontinuierlich zu optimieren, ist ein neuer
Ansatz, der bisher noch nicht erprobt wurde“, sagt HLRS-Direktor Prof.
Michael Resch. „Wir freuen uns darauf, diesen innovativen Versuch
gemeinsam mit unseren Partnern am IGTE zu wagen und hoffen, dass er auch
anderen Rechenzentren dazu verhelfen kann, die Energieeffizienz des
eigenen Betriebs zu verbessern.“

Wissenstransfer in kommerzielle Rechenzentren

Damit die Projektergebnisse auf andere, auch kommerzielle Rechenzentren
übertragbar sind, tragen die industriellen Projektpartner, das
Planungsbüro für Rechenzentren, ICT Facilities, und das Ingenieurbüro für
Energie- und Gebäudetechnik, T.P.I. Trippe und Partner mit ihrer
Fachkompetenz zum Projekt DEGREE bei. Der Verband der Informations- und
Telekommunikationsbranche Bitkom unterstützt das Projekt ideell. Als
Projektabschluss wird das DEGREE-Team einen Leitfaden erstellen, den
Rechenzentrumsbetreiber nutzen können, um die dynamische Kühlungsregelung
in ihren eigenen Rechenzentren zu testen und aufzunehmen. Die Integration
dieser Ansätze soll dazu beitragen, den Energieverbrauch und die
CO2-Emissionen, die durch die Kühlung von Rechenzentren entstehen, in ganz
Deutschland zu senken.