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19. Februar 2014
Kategorien: 1/2014, staff, green-it

Green IT: Energieeffiziente Serverraumkühlung


Steckdose mit grünen Blättern

Nachdem wir uns in der Kolumne „Green:IT – Stromsparen bei High Per­formance Computing-Cluster” mit der steigenden Energieeffizienz im Laufe von Clustergenerationen befasst haben, wollen wir diesmal das Einsparungspotential bei der Kühlung von Clustern bzw. von Servern in den vom ZID betriebenen Serverräumen beleuchten.

Prinzip der Serverkühlung

High Performance Computing-Cluster bzw. Server, Blade-Center, Storage-Einheiten etc. verfügen über eine definierte Luftrichtung. Dies bedeutet, dass kalte Luft zumeist an der Gerätevorderseite angesaugt und die im Gerät aufgrund der Geräteabwärme erzeugte warme Luft an der Geräterückseite mittels Ventilatoren ausgeblasen wird.

Berücksichtigt man diese spezielle Anordnung der kalten und warmen Luftbereiche, so erkennt man rasch die Sinnhaftigkeit der Schaffung von „kalten und warmen Gängen“ bei der Anordnung der Serverracks in Serverräumen. Dabei wird die kalte Luft mittels Doppelboden zu den kalten Bereichen gebracht. Diese am ZID bereits seit über 15 Jahren angewandte Anordnung ist der erste Schritt zu einem energieeffizienten Serverraumbetrieb.

Bei einer benötigten Kühlleistung von 6 bis 12 kW pro Rack müssen diese Bereiche zusätzlich baulich voneinander mittels „Einhausungen“ getrennt werden. So wurde beispielsweise der an der TU aufgestellte Vienna Scientific Cluster 1 (VSC-1) aufgrund der hohen erzeugten Abwärme mit einer „Warmgangeinhausung“ versehen. Ab einem Kühlbedarf von 12 kW sind aufwendigere Technologien wie z. B. direkt wassergekühlte Serverracks zur Abfuhr der durch die Geräte erzeugten Abwärme erforderlich. Ein Beispiel dafür ist der am Standort Arsenal Objekt 214 aufgestellte High Performance Computing-Cluster VSC-2. Die pro Rack erzeugte Abwärme von rund 14 kW wird mittels eines in der rückwärtigen Türe integrierten Kühlregisters abgeführt, welches die im Rack erzeugte warme Luft beim Austritt bzw. Durchströmen des Registers wieder auf Raumtemperatur abkühlt.

Zur weiteren Einsparung von Energie sind in vom ZID maßgeblich geplanten Serverräumen auch bereits die Präzisionsklimaschränke auf einen energieeffizienten Betrieb ausgelegt: Der Parallelbetrieb aller n+1 redundant ausgelegten Klimaschränke mit der dadurch möglichen reduzierten Belastung pro Einzelschrank erlaubt eine Energieeinsparung um 50 % bei den Ventilatoren. Zusätzlich ermöglicht eine Berücksichtigung der technischen Ausführung weitere Einsparungen – ein größeres Gehäuse gestattet geringere Luftgeschwindigkeiten.

Eine Ventilatoren-Konstruktion mit wenig Umlenkungen, wie beispielsweise vertikal aufgehängte EC-Lüfter im Doppelboden, spart 70 % Energie gegenüber der herkömmlichen Bauform. Präzisionsklimaschränke mit EC-Lüftern im Doppelboden konnten aufgrund der verfügbaren Doppelbodenhöhe bereits im Jahr 2011 im Institutsserverraum HPC-1 im Arsenal eingebaut werden. Auch der im Jahr 2014 in Betrieb gehende Institutsserverraum HPC-2 wird so ausgestattet sein.

Wie kann bei der Kälteerzeugung gespart werden?

Die derzeit technisch gebräuchlichste Form von Energieeinsparung bei der Kälteerzeugung ist die Nutzung niedriger Lufttemperaturen in den Winter- und Übergangsmonaten bzw. in der Nacht mittels des so genannten Freecooling-Verfahrens. Während üblicherweise die erforderliche Kälte durch energiefressende „Kompressoren“ erzeugt wird, wird beim Freecooling das Kältemittel direkt durch die kältere Umgebungsluft abgekühlt. Für dieses Verfahren ist jedoch zum einen eine größere Fläche der Kälteregister erforderlich, zum anderen kann das Kältemittel eben nur bis knapp über der jeweils herrschenden Lufttemperatur heruntergekühlt werden. In der Praxis wird in unseren Breitengraden eine Kombination zwischen den beiden Verfahren (Kompressor- und Freecooling-Betrieb) mit automatischer Umschaltung angewandt. Um in den vom ZID verwalteten Serverräumen die niedrigen Lufttemperaturen mittels Freecooling bestmöglich ausnutzen zu können, wird die Kältemittel-Vorlauftemperatur auf rund 18°C und die Kaltlufttemperatur im Serverraum auf rund 22°C eingestellt.

Weitere Energieeinsparungen im Gesamtsystem können durch eine zusätzlich verbesserte Ausnutzung von Freecooling erreicht werden, indem die Kältemittel-Temperaturniveaus bei der Serverkühlung weiter angehoben werden. Dies ist jedoch nur bei Einsatz von speziell darauf abgestimmter Serverhardware mit z. B. direkt wassergekühlten CPUs möglich.

Mineralöl-Kühlung beim VSC-3

Ein neuer Weg zur Erreichung der besten derzeit technisch möglichen Energieeffizienz wird mit dem neuen Vienna Scientific Cluster beschritten. Die Rechenknoten und InfiniBand Leaf- und Spine-Switches dieses High Performance Computing-Clusters werden mittels Submersion Cooling Technology (www.grcooling.com) gekühlt. Verortet in Kühlcontainern werden diese in Öl gebadet, wobei als Kühlmittel ein klares, geruchloses Mineralöl (GreenDEF) dient. Es ist geplant, den VSC-3 mit einer Kühlmittel-Vorlauftemperatur von 43°C zu betreiben, wodurch gänzlich auf energieeffizientes Freecooling in der Kälteerzeugung gesetzt werden kann. Die kostenintensive Beschaffung und der Betrieb von Rückkühlern mit Kompressoren entfallen.

Bis diese Technologie jedoch im klassischen Serverraumbetrieb Einzug halten wird, dürfte wohl noch einige Zeit verstreichen. [ma]

Serverhousing für Institute

Der ZID bietet Instituten und Dienststellen der Universität Wien die Möglichkeit, ihre selbstverwalteten Services in der Infrastruktur des ZID unterzubringen.
Info: Opens external link in new windowzid.univie.ac.at/serverhousing/


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