Server zu Stromsparern machen

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28.01.2009

Strombedarf von Servern senken – Die Kosten für Strom und Kühlung von Servern, Switches und Storage-Systemen im Data-Center werden in den kommenden Jahren drastisch steigen. Alte, stromhungrige Geräte gegen neue auszutauschen, reicht nicht aus, um die Energiekosten im Griff zu behalten. Das gilt vor allem für Server-Systeme, einen der größten Kostenfaktoren im Data-Center. Mithilfe von einigen Maßnahmen, die relativ einfach umzusetzen sind, lässt sich der Stromverbrauch von Servern deutlich senken.

Nach einer Studie des Bundesumweltministeriums haben sich die Stromkosten der Rechenzentren in Deutschland zwischen 2006 und 2008 von rund 870 Millionen Euro auf 1,2 Milliarden Euro erhöht. Wird die Effizienz der Data-Center nicht drastisch erhöht, wird diese Summe bis 2010 auf fast 1,7 Milliarden Euro ansteigen. Dass Energieversorgung und Kühlung von Data-Centern ein erheblicher Kostenfaktor sind, belegt auch eine Untersuchung der IT-Marktforschungsfirma IDC vom vergangenen Jahr. Sie prognostiziert, dass 2009 weltweit etwa 37,5 Millionen Server im Einsatz sein werden.

Für Anschaffung, Instandhaltung, Verwaltung und für Energiekosten fallen rund 38 Milliarden Dollar an. Kühlung und Energie schlagen mit etwa 5 Milliarden Dollar zu Buche. Für neue Server-Systeme geben Unternehmen und Organisationen dagegen 2010 »nur« rund 10 Milliarden Dollar aus. Das bedeutet: IT-Manager, die Energie sparende Techniken im Data-Center einsetzen, haben mehr Geld für neue Geräte zur Verfügung.

Kühlung und IT-Systeme sind größte Stromverbraucher

Das Konsortium The Green Grid, das sich für effiziente und umweltverträgliche Rechenzentren einsetzt, hat die größten »Stromfresser« im Data-Center ermittelt. Gut 33 Prozent der Stromkosten entfallen demnach auf die Kühlung, an die 30 Prozent benötigt die IT-Ausrüstung, also Server, Switches, Speicher- und Backup-Systeme et cetera. Nicht zu unterschätzen ist auch der Anteil der unterbrechungsfreien Stromversorgungen: Sie rangieren mit 18 Prozent auf dem dritten Platz.

An die zwei Drittel des Energiebedarfs von IT-Ausrüstung geht auf das Konto von x86-Servern. Nach Angaben der Beratungsgesellschaft Gartner beträgt der Anteil solcher »Volume-Server« unter den Server-Systemen derzeit 80 Prozent. Ein x86-System ist im Schnitt pro Tag nur zu 5 bis 10 Prozent ausgelastet. Doch selbst im Leerlauf arbeitet ein solcher Server mit etwa 70 Prozent seiner Maximalleistung und vergeudet damit Strom.

Um den Wirkungsgrad von Servern zu verbessern und deren Strombedarf zu senken, gibt es zwei Möglichkeiten: Der Anwender kann Geräte mit älteren Prozessoren und wenig effizienten Netzteilen gegen Mehrkern-Systeme austauschen, etwa mit Quad-Core-»Xeon«-Prozessoren von Intel oder der neuen »Opteron«-Generation von AMD. Beide CPU-Familien weisen Leiterbahn-Breiten von 45 Nanometern auf, was sich positiv auf den Strombedarf auswirkt.

Doch gerade in wirtschaftlich schwierigen Zeiten wie heute sitzt das Geld für Neuanschaffungen nicht mehr so locker. Eine Alternative besteht darin, die Auslastung vorhandener Geräte zu erhöhen, etwa durch das Virtualisieren von Servern, Storage-Systemen und Anwendungen. Angestrebt werden sollte eine Effizienz von 60 bis 70 Prozent pro Server. Die restlichen 30 bis 40 Prozent stehen als Reserve zur Verfügung, etwa wenn sich Lastspitzen ergeben. Der High-Tech-Branchenverband Bitkom empfiehlt in seinem Leitfaden »Energieeffizienz im Rechenzentrum«, beide Verfahren parallel einzusetzen, also Virtualisierung und den Austausch veralteter Hardware.

Server-Landschaften virtualisieren

Hier ein Beispiel für die positiven Effekte, die sich mithilfe einer Konsolidierung der Server-Landschaft erzielen lassen: In einem Unternehmen sind acht Server aktiv, die im Schnitt jeweils zu 10 Prozent ausgelastet sind. Auf jedem laufen zwei Server-Applikationen. Jedes Gerät verbraucht 2 kW, sprich alle Server insgesamt 16 kW. Ohne Einbußen bei Performance und Verfügbarkeit lassen sich diese acht Systeme mithilfe von Virtualisierungssoftware wie Vmware oder Citrix-Xen auf vier reduzieren. Die vier Systeme sind dann zu etwa 50 Prozent ausgelastet. Der Stromverbrauch beträgt jedoch nur 8 kW.

Energiebilanz der Server-Systeme ermitteln

Um den Anteil von Servern an der Stromrechnung zu senken, bieten sich weitere Maßnahmen an. Zunächst sollte der IT-Manager ermitteln, wie viel Strom welche Systeme im Schnitt benötigen. Das hört sich trivial an, wird jedoch meist nicht getan. Dazu bieten sich die Out-of-Band-Managementfunktionen an, mit denen neuere Systeme standardmäßig ausgestattet sind. Mit ihnen lassen sich Werte wie die Auslastung von CPU, Arbeitsspeicher und Netzwerkverbindungen ermitteln, zudem der Stromverbrauch. Ein Manko ist, dass ältere Rechner diese Funktionen nicht unterstützen.

Mit 31 Prozent Anteil ist laut Fujitsu-Siemens Computers die CPU bei einem Server der größte Stromfresser

Eine Alternative ist der Einsatz von intelligenten Steckdosenleisten (»Power-Strips«), etwa der DI-Strip von Knürr. Diese Geräte messen die Stromaufnahme pro Phase mit einer Abweichung von 0,5 Prozent. Die Strips werden im Server-Schrank montiert. Mithilfe eines Remote-Monitoring-Moduls kann der Systemverwalter die Messwerte von einem zentralen Arbeitsplatz aus erfassen und protokollieren. Der Nachteil dieses Ansatzes: Solche Strips kosten Geld und müssen gemanagt werden – gerade in Zeiten knapper IT-Budgets ein Problem.

Wer sich mit weniger genauen Messwerten zufrieden gibt, kann von der Auslastung der CPU auf den Strombedarf eines Server rückschließen. Laut Fujitsu-Siemens Computers ist der Prozessor mit einem Anteil von 31 Prozent der größte »Energiefresser« eines Server-Systems. Wie hoch die CPU-Last eines Systems ist, lässt sich mit den meisten Systemmanagement-Tools herausfinden. Zudem veröffentlichen immer mehr Server-Hersteller Daten zum Strombedarf ihrer Systeme unter Volllast und im Ruhezustand.

Der Strombedarf eines Servers bei einer bestimmten Auslastung lässt sich mithilfe folgender Formel errechnen: (Strombedarf bei Volllast – Strombedarf Ruhezustand) x Prozentsatz Auslastung/100 + Strombedarf Ruhezustand

Dazu ein Beispiel: Ein Server verbraucht bei Höchstbelastung 400 Watt, im Ruhezustand 250 Watt. Die Auslastung liegt bei 10 Prozent. Das ergibt: (400 - 250) x 10/100 + 250 = 265 Watt. Das System benötigt also bei 10 Prozent Last an die 265 Watt. Messungen des Green-Grid-Konsortiums haben ergeben, dass dieser Wert bis auf etwa 5 Prozent genau ist. Für eine Abschätzung des Strombedarfs kleinerer und mittelgroßer Server-Farmen reicht das.

Stromsparfunktionen von Servern aktivieren

Ein merkwürdiges Phänomen ist, dass viele Systemverwalter die Stromsparmechanismen, die in Servern eh vorhanden sind, nicht aktivieren. Intel und AMD bieten solche Techniken an, etwa die »Enhanced Intel Speedstep Technology« und »Demand Based Switching« (Intel) oder »Cool‘n Quiet« und »Power Now« (AMD). Diese Verfahren reduzieren automatisch die Taktfrequenz und Kernspannung von CPUs, wenn der Server »unterbeschäftigt« ist. Erhöht sich die Auslastung des Systems, fährt das Betriebssystem den Prozessortakt wieder hoch.

Damit sich Speedstep oder Cool‘n Quiet einsetzen lassen, müssen sowohl das Betriebssystem als auch das BIOS des Rechners diese Techniken unterstützen. Mithilfe der Verfahren kann der Strombedarf einer CPU etwa um 20 bis 25 Prozent gesenkt werden. Messungen von AMD haben ergeben, dass selbst bei einer Auslastung von 80 Prozent ein Server bei Verwendung von Power Now etwa 25 Prozent weniger Strom benötigt. Bei einer Auslastung von 60 Prozent liegt der Strombedarf sogar um 65 Prozent niedriger.

Für die meisten Anwendungen ist es kein Problem, wenn ein Server mit niedrigerer Taktfrequenz läuft. Sollte eine Applikation eine höhere Rechenleistung benötigen, kann der Server innerhalb weniger Millisekunden die Frequenz erhöhen.

Auch die Hersteller von Betriebssystemen haben Techniken entwickelt, welche die CPU-Tätigkeit herabsetzen, wenn ein Server nicht unter Volllast läuft. Bei Windows-Server-2008 R2 setzt Microsoft beispielsweise »Core-Parking« ein. Dieses Verfahren kontrolliert permanent die Arbeitslast jedes Rechenkerns eines Prozessors. Cores, die im Leerlauf arbeiten, werden zeitweilig deaktiviert. Ein System mit 16 Cores arbeitet dann beispielweise mit vier Kernen. Erst dann, wenn Lastspitzen auftreten, werden wieder alle Kerne aktiviert, auch das innerhalb von Millisekunden.

Server-Farmen richtig dimensionieren

Um auf der sicheren Seite zu sein, neigen IT-Manager dazu, Rechenzentren und Server-Farmen zu großzügig auszulegen. Um nicht unnötig Geld auszugeben, sollten sie daher regelmäßig die Auslastung von Server-Farmen messen, und das über einen längeren Zeitraum hinweg, beispielsweise drei Monate. Tools dafür gibt es zuhauf, von »Bordmitteln«, also den Werkzeugen, die Server-Betriebssysteme mitbringen, bis hin zu Server-Monitoring-Software wie »Big Brother« von Quest Software (siehe Test in Network Computing 5/2008).

Auch dazu ein Rechenbeispiel: Eine Server-Farm besteht aus zehn Systemen, die im Schnitt jeweils zu 50 Prozent ausgelastet sind. Stattdessen ist aber auch folgendes Szenario denkbar: Statt zehn Rechnern sind nur sieben permanent im Einsatz. Das ergibt eine durchschnittliche Auslastung von 71 Prozent. Selbst dann, wenn ein System ausfällt, steigt die Last der sechs verbleibenden nur auf 83 Prozent an. Wer auf Nummer sicher gehen möchte, kann die eingesparten drei Server als Hot-Standby-Systeme vorhalten. Treten Engpässe auf, werden sie mittels Wake-on-LAN oder über das Netzwerkmanagement (SNMP) aktiviert. Unter dem Strich lassen sich auf diese Weise die Energiekosten von drei Servern einsparen.

Systeme ausschalten

Viele IT-Manager sind der Meinung, dass ein Server permanent durchlaufen sollte. Die Begründung: Das Ein- und Ausschalten der Systeme verkürze deren Lebenszeit und könne zu Ausfällen führen. Das ist nach Messungen von The Green Grid ein Mythos. In einer Reihe von Labortests wurden über einen Zeitraum von fünf Monaten hinweg 123 Server-Systeme mehrfach am Tag hoch- und heruntergefahren. Insgesamt summierte sich das auf fast 19000 Ein-/Ausschaltvorgänge. In keinem einzigen Fall traten Probleme auf.

Das bedeutet, dass Server sehr wohl zeitweilig deaktiviert werden können. IT-Verantwortliche sollten vor allem prüfen, ob Systeme, die nur für spezielle Aufgaben benötigt werden, ständig aktiv sein müssen. Das sind beispielsweise Geräte, die nach Arbeitsende Backups erstellen oder auf denen spezielle Batch-Jobs laufen. Zudem nutzen viele Firmen eigene – oft ältere – Server, um in bestimmten Zeiträumen Virenscans durchzuführen. Alle diese Systeme müssen nicht ständig betriebsbereit sein. Der Systemverwalter kann sie bei Bedarf aktivieren. Das lässt sich mithilfe von Techniken wie Wake-on-LAN und Management-Tools auch automatisch durchführen.

Fazit

Um die Stromkosten im Rechenzentrum zu senken, sind nicht in jedem Fall massive Umbauarbeiten notwendig. Selbstverständlich dürfen Faktoren wie die Gestaltung des Data-Centers, die Platzierung der Racks, die Kühlung und die Stromversorgung, inklusive USVs, nicht unter den Tisch fallen.

Wer jedoch ohne großen Aufwand Energiekosten sparen möchte, kann mit einer Optimierung der Server-Landschaft beginnen. Die Folge sind direkte Einsparungen durch den niedrigeren Stromverbrauch der Rechner und indirekte Effekte dank niedrigerer Abwärme der Systeme und einen geringeren Aufwand für die Kühlung des Data-Centers.

Noch ein Tipp: Am 25. und 26. März 2009 findet im Bauzentrum München das Frühjahrssymposium »Energie« der Fachzeitschrift Industriebau statt. Einer der Partner der Veranstaltung ist Network Computing. Ein Thema der Tagung: den Energieverbrauch von Serverräumen und Rechenzentren ermitteln und optimieren.