Wie Sie ein Rechenzentrum entwerfen und aufbauen

Was sind die Hauptkomponenten eines Rechenzentrums?

Jedes Rechenzentrum hat zwei Hauptaspekte: die Einrichtung und die IT-Infrastruktur, die sich in der Einrichtung befindet. Diese Aspekte bestehen nebeneinander und arbeiten zusammen, können aber auch getrennt behandelt werden.

Einrichtung

Die Anlage ist das physische Gebäude, in dem das Rechenzentrum untergebracht ist. Vereinfacht ausgedrückt ist ein Rechenzentrum ein großer offener Raum, in dem die Infrastruktur eingerichtet ist. Obwohl fast jeder Raum das Potenzial hat, ein gewisses Maß an IT-Infrastruktur zu betreiben, berücksichtigt eine richtig konzipierte Einrichtung die folgenden Faktoren:

• Platz: Es muss ausreichend Platz vorhanden sein, um die gesamte IT-Infrastruktur aufzustellen, die das Unternehmen jetzt und in Zukunft einsetzen will. Die Fläche muss sich an einem gut durchdachten Standort mit erschwinglichen Steuern und Zugang befinden. Der Raum wird oft unterteilt, um verschiedene Zwecke oder Nutzungsarten zu ermöglichen.
• Energie: Für den Betrieb der gesamten IT-Infrastruktur muss eine ausreichende Leistung – in Watt, oft bis zu 100 Megawatt – vorhanden sein. Der Strom muss erschwinglich, sauber – das heißt, frei von Schwankungen oder Unterbrechungen – und zuverlässig sein. Erneuerbare Energien und Zusatz-/Hilfsenergie müssen berücksichtigt werden.
• Kühlung: Die enorme Energiemenge, die einem Rechenzentrum zugeführt wird, wird in Rechenleistung – das heißt Arbeit – und viel Wärme umgewandelt, die mit herkömmlichen HVAC-Systemen sowie anderen unkonventionellen Kühltechnologien aus der IT-Infrastruktur abgeführt werden müssen.
• Security: In Anbetracht des Wertes des Rechenzentrums und seiner kritischen Bedeutung für das Unternehmen muss das Rechenzentrum über einen kontrollierten Zugang verfügen, wobei eine Vielzahl von Maßnahmen zum Einsatz kommt, die vom Zugang mit Mitarbeiterausweis bis zur Videoüberwachung reichen.
• Verwaltung: Moderne Rechenzentren verfügen in der Regel über ein Gebäudemanagementsystem (BMS), mit dem IT- und Unternehmensleiter die Umgebung des Rechenzentrums in Echtzeit überwachen können, einschließlich der Kontrolle von Temperatur, Luftfeuchtigkeit, Stromverbrauch und Kühlung sowie der Zugangs- und Sicherheitsprotokollierung.

Infrastruktur

Die Infrastruktur umfasst eine Vielzahl von IT-Geräten, die in der Einrichtung eingesetzt werden. Das ist die Ausrüstung, die Anwendungen ausführt und Dienste für das Unternehmen und seine Benutzer bereitstellt. Eine typische IT-Infrastruktur umfasst die folgenden Komponenten:

• Server: Auf diesen Computern werden Unternehmensanwendungen gehostet und Datenverarbeitungsaufgaben ausgeführt.
• Storage: Subsysteme, wie zum Beispiel Festplatten-Arrays, werden zum Speichern und Schützen von Anwendungs- und Geschäftsdaten verwendet.
• Netzwerke: Zu den Geräten, die für den Aufbau eines Unternehmensnetzwerks benötigt werden, gehören unter anderem Cybersicherheitselemente wie Switches, Router und/oder Firewalls.
• Kabel und Racks: Kilometerlange Kabel verbinden die IT-Geräte miteinander, und physische Serverschränke werden verwendet, um Server und andere Geräte innerhalb der Einrichtung zu organisieren.
• Notstromversorgung: Unterbrechungsfreie Stromversorgungen (USV), Schwungrad- und andere Notstromsysteme sind von entscheidender Bedeutung, um ein geordnetes Verhalten der Infrastruktur im Falle einer Unterbrechung der Hauptstromversorgung sicherzustellen.
• Verwaltungsplattformen: Eine oder mehrere DCIM-Plattformen (Data Center Infrastructure Management) sind erforderlich, um die IT-Infrastruktur zu überwachen und zu verwalten und Berichte über Systemzustand, Verfügbarkeit, Kapazität und Konfiguration zu erstellen.

Wenn ein Unternehmen beschließt, ein Rechenzentrum zu planen und zu bauen, liegt der Schwerpunkt natürlich auf dem Design und der Konstruktion der Einrichtung. IT-Verantwortliche müssen jedoch auch die Infrastruktur berücksichtigen, die in die Einrichtung integriert wird, um das Projekt zu validieren.

Wie entwirft man ein Rechenzentrum?

Es gibt keine vorgeschriebenen oder verbindlichen Standards für die Planung oder den Bau von Rechenzentren. Ein Rechenzentrum soll den einzigartigen Anforderungen des gesamten Unternehmens entsprechen, nicht umgekehrt. Der Hauptzweck jeder Norm besteht jedoch darin, eine gemeinsame Plattform für Best Practices zu schaffen. Es gibt eine Reihe aktueller Standards für Rechenzentren, und ein Unternehmen kann einen oder mehrere Standards – oder Teile von Standards – in ein Rechenzentrumsprojekt einbeziehen. Standards tragen dazu bei, dass unter anderem diese Faktoren angemessen berücksichtigt werden:

• konzeptionelle Gestaltung
• Layout und Raumplanung
• Anforderungen an die Gebäudekonstruktion
• Fragen der physischen Sicherheit
• Gebäudeinnenausstattung (mechanische, elektrische, Sanitär- und Brandschutzsysteme)
• Betrieb und Arbeitsabläufe
• Instandhaltung

Im Folgenden finden Sie einige der wichtigsten Standards für den Entwurf von Rechenzentren und deren Infrastruktur:

• Uptime Institute Tier Standard: Der Uptime Institute Tier Standard konzentriert sich auf den Entwurf, die Konstruktion und die Inbetriebnahme von Rechenzentren und wird verwendet, um die Ausfallsicherheit der Einrichtung in Bezug auf vier Redundanz-/Zuverlässigkeitsstufen zu bestimmen.
• ANSI/TIA 942-B: Diese Norm bezieht sich auf die Planung, den Entwurf, den Bau und die Inbetriebnahme von Baugewerken sowie auf Brandschutz, IT und Wartung. Sie verwendet ebenfalls vier Stunden von Zuverlässigkeitsbewertungen, die von BICSI-zertifizierten Fachleuten durchgeführt werden.
• EN 50600-Reihe: Diese Normenreihe konzentriert sich auf die Gestaltung von IT-Kabeln und -Netzwerken und enthält verschiedene Redundanz- und Zuverlässigkeitskonzepte für die Infrastruktur, die sich eng an den Tier Standard des Uptime Institute anlehnen.
• ANSI/BICSI 002-2019: Das Dokument mit dem Titel Data Center Design and Implementation Best Practices (Bewährte Praktiken für die Planung und Implementierung von Rechenzentren) enthält Diskussionen über Wärmeabfuhr und Kühlsysteme, die Verwendung von Lithium-Ionen-Batterietechnologien, Colocation-Planung und Unterstützung für Open-Compute-Project-Initiativen.
• ASHRAE: Die ASHRAE-Richtlinien – die nicht speziell für IT- oder Rechenzentren gelten – beziehen sich auf die Planung und Umsetzung von Heizungs-, Belüftungs-, Klima- und Kühlanlagen sowie auf verwandte Bereiche.

Darüber hinaus gibt es viele verschiedene gesetzliche und betriebliche Standards, die auf Rechenzentren angewendet werden können. Zu den regulatorischen Standards gehören HIPAA, DSGVO, Sarbanes-Oxley Act, SAS 70 Typ I oder II und Gramm-Leach-Bliley Act. Zu den betrieblichen Normen gehören ISO 9000 für Qualität, ISO 14000 für Umweltmanagement, ISO 27001 für Informationssicherheit, Payment Card Industry Data Security Standard für Zahlungskartensicherheit und EN 50600-2-6 für Management- und Betriebsinformationen.

Obwohl behördliche Standards und Praktiken nicht direkt mit dem Design von Rechenzentren in Verbindung gebracht werden, kann durch die Einhaltung dieser Standards sichergestellt werden, dass das Design des Rechenzentrums den behördlichen Auflagen für das Unternehmen entspricht. Weitere geeignete Best Practices sind die Verfügbarkeit von Einrichtungen und Arbeitslasten, die Unternehmensführung und die Aufrechterhaltung des Geschäftsbetriebs.

Physischer Raum und Rechenzentrumsorganisation

Im Kern ist ein Rechenzentrum ein sorgfältig vorbereites Lager, das für die Unterbringung und den Betrieb einer anspruchsvollen IT-Infrastruktur vorgesehen ist. Obwohl ein Rechenzentrum der Unternehmensklasse ein großes und komplexes Unterfangen sein kann, ist die wichtigste Frage eine einfache Frage des Platzes, ausgedrückt in Quadratmeter.

Das vielleicht wichtigste und verwirrendste Platzproblem ist die richtige Dimensionierung des Rechenzentrums für das Unternehmen. Rechenzentren sind unglaublich teuer: zu klein, und das Rechenzentrum entspricht möglicherweise nicht den aktuellen oder zukünftigen Geschäftsanforderungen; zu groß, und es kann enormes Kapital für die Bereitstellung ungenutzten Raums vergeudet. Es ist von entscheidender Bedeutung, eine Einrichtung anzulegen, die Kapazität für Wachstum bietet und gleichzeitig die Auslastung optimiert. Die Dimensionierung von Rechenzentren wird manchmal als eine Kunst für sich betrachtet. Zu den zahllosen anderen Faktoren, die bei der Einrichtung eines Rechenzentrums zu berücksichtigen sind, gehören folgende:

• Beleuchtung: In den meisten Rechenzentren ist die Beleuchtung schwach oder ohne menschliche Anwesenheit ausgeschaltet.
• Temperatur: Der Kühlungsbedarf kann die Temperaturen niedrig halten, so dass Menschen möglicherweise Schutzkleidung benötigen.
• Lärm: Die Lüfter von Dutzenden oder gar Hunderten von Servern können eine Kakophonie erzeugen, die einen Gehörschutz erfordert.
• Gewicht: Die Geräte sind schwer, und der Boden muss so ausgelegt sein, dass er das extreme Gewicht tragen kann. Besondere Überlegungen zum Gewicht sind unter Umständen bei Doppelböden erforderlich, die zur Bewältigung der Kühlluftströme verwendet werden.

Neben dem physischen Raum müssen bei der Planung von Rechenzentren auch die Standorte und die Anordnung der Geräte sorgfältig berücksichtigt werden, das heißt, wo die IT-Infrastruktur in der Einrichtung platziert wird. Das häufigste Merkmal eines jeden Rechenzentrumslayouts ist der Serverschrank – auch als Rack bezeichnet. Ein Rack ist ein leerer Metallrahmen mit Standardabständen und Montageoptionen, der für die Aufnahme von standardisierten, in Racks montierten IT-Geräten wie Servern, Storage-Subsystemen, Netzwerkgeräten, Verkabelung, Hilfsstromsystemen wie USV-Geräten und E/A-Optionen wie Tastaturen und Monitoren für den administrativen Zugriff bestimmt ist.

Racks spielen auch eine wichtige Rolle bei der Kühlung von Rechenzentren. Diese können die Kühleffizienz verbessern, indem sie die Zufuhr von gekühlter Luft in einen kalten Gang ermöglichen, die von den Geräten erwärmt und in einen warmen Gang geleitet wird, wo die erwärmte Luft effektiv aus dem Raum entfernt werden kann. Die Organisation der Gänge kann auch dazu beitragen, die Einführung zusätzlicher Türen und Sicherheitsmaßnahmen an den Enden jedes Ganges zu erleichtern, um den Zugang von Personen zu begrenzen.

Sicherheit im Rechenzentrum

Die Sicherheit von Rechenzentren umfasst in der Regel drei verschiedene Aspekte: Zugangssicherheit, Anlagensicherheit und Cybersicherheit.

Zugangssicherheit

Bei jeder Diskussion über die Einrichtungen von Rechenzentren muss auch die physische Sicherheit berücksichtigt werden. Bei der physischen Sicherheit geht es um die Verwaltung des Personals und den Schutz der physischen Einrichtung und ihrer IT-Infrastruktur. Bei ordnungsgemäßer Umsetzung stellt die Security sicher, dass nur befugtes Personal Zugang zu den Einrichtungen und Geräten hat und das alle menschlichen Aktivitäten dokumentiert werden. Die Sicherheit kann die folgenden Maßnahmen umfassen:

• Zugang zum Gebäude und zu den Anlagen (einschließlich der Gerätebereiche) mit Ausweisen
• Schlüssel für den Zugang zu bestimmten Racks und Servern
• Protokolle für den Zugang von Mitarbeitern und Besuchern/Lieferanten
• Begleitpersonen für externe Besucher
• Videoüberwachung
• Sicherheitspersonal vor Ort

Anlagensicherheit

Die physische Sicherheit erstreckt sich auch auf die Integrität der Umgebung des Rechenzentrums, einschließlich Temperatur, Luftfeuchtigkeit und Rauch-, Brand- und Überschwemmungsbedingungen. Dieser Aspekt des Schutzes von Rechenzentren wird häufig von einem BMS übernommen, das die Umgebungsbedingungen oder Notfälle überwacht und dem Gebäudemanager meldet.

Cybersecurity

Die Cybersecurity konzentriert sich auf die Kontrolle des Zugriffs auf Unternehmensdaten und Anwendungen, die in der IT-Infrastruktur des Rechenzentrums gehostet werden. Die Cybersicherheit soll sicherstellen, dass nur ordnungsgemäß authentifizierte Benutzer auf Daten zugreifen oder Anwendungen nutzen können und dass etwaige Verstöße sofort gemeldet und behoben werden. So verhindert beispielsweise die physische Sicherheit, dass ein Mensch eine Festplatte im Rechenzentrum berührt, während die Cybersicherheit verhindert, dass derselbe Mensch über ein Netzwerk aus Hunderten von Kilometern Entfernung auf Daten auf der Festplatte zugreift. Die Cybersicherheit nutzt eine Mischung aus Anti-Malware, Konfigurationsmanagement, Intrusion Detection/Prevention, Aktivitätsprotokollierung und anderen Tools, um die Netzwerkaktivitäten zu überwachen und potenzielle Bedrohungen zu erkennen.

Energie- und Leistungsanforderungen an Rechenzentren

Die Stromversorgung ist für jedes Rechenzentrum der Unternehmensklasse eine ständige Herausforderung. Eine große Anlage kann etwa 100 Megawatt verbrauchen – genug, um etwa 80.000 Haushalte zu versorgen. Der Stromverbrauch ist der größte Kostenfaktor für ein Rechenzentrum der Unternehmensklasse; daher stellen die Betreiber von Rechenzentren die folgenden Anforderungen an die Stromversorgung:

• Kapazität: Es muss ausreichend Strom für den Betrieb des Rechenzentrums zur Verfügung stehen.
• Kosten: Die Stromversorgung muss so kostengünstig wie möglich sein.
• Qualität: Der Strom muss elektrisch sauber sein (das heißt frei von unerwünschtem elektrischem Rauschen, Überspannungen und Spannungsspitzen).
• Verlässlichkeit: Die Stromversorgung muss frei von Spannungsabfällen, Stromausfällen oder anderen Unterbrechungen sein.

Diese Probleme werden zunehmend durch lokal erzeugte und zunehmend erneuerbare Energiequellen wie Windkraft, Solarenergie und Stromerzeugung vor Ort angegangen.

Damit ein Unternehmen jedoch die Stromversorgungsprobleme eines jeden Rechenzentrumsstandorts verstehen kann, ist es wichtig, dass die Konstrukteure von Rechenzentren und IT-Leiter den Strombedarf der Einrichtung und ihrer IT-Infrastruktur berechnen. Auf dieser Grundlage kann ein Unternehmen die ungefähren Stromkosten abschätzen und mit regionalen Versorgungsunternehmen über Kapazitäten sprechen.

Es gibt sicherlich keine einheitliche Methode zur Schätzung des Energiebedarfs. Für die Einrichtung ist der Strombedarf eine einfache Schätzung des Beleuchtungs- und HVAC-Bedarfs. Der Strombedarf der IT-Infrastruktur kann komplizierter sein, da der Strombedarf von Servern je nach Arbeitslast – das heißt wie viel Arbeit die Anwendungen verrichten – und der Konfiguration der einzelnen Server, einschließlich der Auswahl der CPU, des installierten Memorys und anderer Erweiterungsgeräte wie GPUs, schwankt.

Zu den traditionellen Stromverbrauchsschätzungen gehören Rack-basierte und Nameplate-basierte Ansätze.

Beim Rack-basierten Ansatz wird im Allgemeinen eine standardisierte Schätzung der Leistung pro Rack vorgenommen. So könnte ein IT-Leiter beispielsweise eine Schätzung von 7 bis 10 kW pro Rack vornehmen. Wenn das Rechenzentrum den Einsatz von 50 Racks plant, ist die Leistungsschätzung ein einfaches Vielfaches davon. Ein ähnlicher Ansatz ist eine allgemeine Schätzung des Rechenzentrums in Watt pro Quadratmeter. Da bei diesem Ansatz jedoch die in den einzelnen Racks installierten Geräte kaum berücksichtigt werden, ist er häufig die ungenaueste Methode zur Leistungsabschätzung.

Der auf dem Typenschild (Nameplate) basierende Ansatz ermöglicht es IT-Leitern, den auf dem Typenschild jedes Servers oder anderen IT-Geräts angegebenen Strombedarf zu addieren. Das ist ein detaillierterer Ansatz und kann in der Regel bessere Schätzungen liefern. Der auf dem Typenschild jedes Geräts angegebene Strombedarf kann jedoch bekanntermaßen ungenau sein und berücksichtigt nicht die Arbeit, die das Gerät verrichtet.

Ein neuerer Ansatz ist die Verwendung tatsächlicher Strommessungen pro Server, die mit IT-Stromversorgungsgeräten, wie zum Beispiel intelligenten Stromverteilungseinheiten, die sich in jedem Rack befinden, vorgenommen werden. Tatsächliche Messungen können die genauesten Schätzungen liefern und geben den Betreibern von Rechenzentren ein besseres Gefühl dafür, wie der Strombedarf und die Kosten mit der Arbeitslast schwanken können.

Schließlich kommt es bei der Energieversorgung unweigerlich zu gelegentlichen Unterbrechungen bei der Erzeugung und Verteilung, so dass Rechenzentren eine oder mehrere Optionen für redundante oder Ersatzstromversorgung vorsehen müssen. Je nachdem, gegen welche Probleme sich das Unternehmen absichern will, können mehrere Ebenen der Sekundärstromversorgung eingerichtet werden.

Auf der Ebene der Anlage kann ein Rechenzentrum mit diesel- oder erdgasbetriebenen Notstromgeneratoren ausgestattet werden, die in der Lage sind, die gesamte Anlage über einen längeren Zeitraum zu betreiben. Die Notstromversorgung kann durch lokale erneuerbare Energiequellen wie Solar- oder Windkraftanlagen ergänzt werden. Auf der ebene der IT-Infrastruktur können Racks mit USV-Optionen ausgestattet werden, die kurzfristige Batterie-Backups bieten, um ein geordnetes Herunterfahren des Systems zu ermöglichen, wenn Stromunterbrechungen unvermeidlich sind.

Kühlsysteme für Rechenzentren

Die an ein Rechenzentrum gelieferte Energie wird in Arbeit umgesetzt, die von der IT-Infrastruktur verrichtet wird, sowie in ein unerwünschtes Nebenprodukt: Wärme. Diese Wärme muss von Servern und Systemen abgeführt und dann aus dem Rechenzentrum abgeleitet werden. Folglich sind Kühlsysteme ein wichtiges Anliegen für die Entwickler und Betreiber von Rechenzentren.

Bei der Kühlung gibt es zwei Hauptprobleme. Der erste Punkt ist die erforderliche Kühlleistung, die letztlich die Größe oder Kapazität der HVAC-Subsysteme des Rechenzentrums bestimmt. Die Planer müssen jedoch den Leistungsbedarf des Rechenzentrums in Watt (W) in die Kühlkapazität in Tonnen (t) umrechnen, das heißt in die Menge an Wärmeenergie, die erforderlich ist, um eine Tonne Eis bei 32 Grad Celsius in einer Stunde zu schmelzen. Die typische Berechnung erfordert zunächst die Umrechnung von Watt in British Thermal Units (BTU) pro Stunde, die dann in Tonnen umgerechnet werden können:

W x 3,41 = BTU/Stunde
BTU/Stunde / 12.000 = t

Entscheidend ist, dass man den Energiebedarf des Rechenzentrums in Watt und die geplante Skalierbarkeit kennt, weshalb es wichtig ist, das Kühlsubsystem des Gebäudes richtig zu dimensionieren. Wenn das Kühlsystem zu klein ist, kann das Rechenzentrum die erwartete Menge an IT-Infrastruktur nicht aufnehmen oder skalieren. Ist das Kühlsystem zu groß, stellt es eine kostspielige und ineffiziente Versorgungseinrichtung für das Unternehmen dar.

Das zweite Problem bei der Kühlung von Rechenzentren ist die effiziente Nutzung und Handhabung von gekühlter und erwärmter Luft. In einem gewöhnlichen Raum führt die Zufuhr von gekühlter Luft aus einer Entlüftungsöffnung und die Ableitung von erwärmter Luft aus einer anderen zu einer Vermischung und einem Temperaturdurchschnitt, der ein angemessenes menschliches Wohlbefinden bewirkt. Aber dieser übliche Ansatz für Wohnungen und Büros funktioniert nicht gut in Rechenzentren, wo Geräte extreme Hitze in konzentrierten Räumen erzeugen. Racks mit extrem heißen Geräten erfordern eine sorgfältige Zufuhr von gekühlter Luft sowie eine gezielte Eindämmung und Ableitung der erhitzten Abluft. Die Konstrukteure von Rechenzentren müssen die Vermischung von heißer und kalter Luft vermeiden, die in klimatisierten Räumen für ein angenehmes Raumklima sorgt.

Die Probleme bei der Wärmeverteilung werden durch schwankende Leistungsdichten in den Racks noch verschärft. Herkömmliche Server können in ihrem Stromverbrauch und der daraus resultierenden Leistungs-/Kühldichte recht einheitlich sein. Moderne Geräte wie hyperkonvergente Infrastrukturausrüstungen können jedoch eine wesentlich höhere Leistungsdichte im Verhältnis zur Rack-Fläche aufweisen. Daraus ergeben sich potenzielle Hotspots im gesamten Rack, die von den Konstrukteuren für Stromversorgung und Kühlung berücksichtigt werden müssen.

Konstrukteure gehen die Belüftung von Serverräumen routinemäßig mit Hilfe von Einschließungsschemata an, wie zum Beispiel Warmgang/Kaltgang-Layouts. Stellen Sie sich zwei Reihen von Racks vor, deren Rückseiten einander gegenüberliegen (siehe Abbildung Rechenzentrum mit Warm- und Kaltgängen). Kalte Luft aus dem HVAC-System wird in die Gänge vor jeder Rack-Reihe eingeleitet, während die erwärmte Luft gesammelt und aus dem gemeinsamen Warmgang abgeleitet wird. Durch zusätzliche physische Barrieren wird verhindert, dass sich die erwärmte Luft mit der gekühlten Luft vermischt. Solche Einschließungssysteme bieten eine sehr effiziente Nutzung der HVAC-Kapazität.

Andere Ansätze zur Kühlung umfassen Klimatisierungssysteme am Ende der Reihe und am oberen Ende des Racks, die gekühlte Luft in Teile einer Reihe von Racks einleiten und erwärmte Luft in heiße Gänge ableiten.

In einigen Rechenzentren werden sogar neue Technologien zur Flüssigkeitskühlung eingesetzt, bei denen die IT-Geräte in ein Bad aus gekühlten, elektrisch neutralen Flüssigkeiten wie Mineralölen getaucht werden. Die Flüssigkeitskühlung ist klein und stromsparend, und Flüssigkeiten bieten eine um ein Vielfaches höhere Wärmeübertragungseffizienz als Luftkühlung. Die Flüssigkeitskühlung ist jedoch auch mit anderen Problemen konfrontiert, zum Beispiel Leckagen/Überschwemmungen, Korrosion von Bauteilen oder Anfälligkeit für das Eindringen von Flüssigkeiten, Flüssigkeitsfilterung und -reinheit sowie menschliche Sicherheit.

Effizienz und Nachhaltigkeit von Rechenzentren

Die heutigen Bedenken hinsichtlich der Umweltauswirkungen von Kohlendioxidemissionen bei der Stromerzeugung haben viele Unternehmen dazu veranlasst, der Effizienz und Nachhaltigkeit von Rechenzentren neue Bedeutung beizumessen.

Die Effizienz ist im Grunde ein Maß für die geleistete Arbeit im Verhältnis zur Energiemenge, die für diese Arbeit verbraucht wird. Wenn die gesamte eingesetzte Energie erfolgreich in nützliche Arbeit umgewandelt wird, beträgt der Wirkungsgrad 100 Prozent. Wenn keine der zugeführten Energie zu erfolgreicher Arbeit führt, beträgt der Wirkungsgrad 0 Prozent. Unternehmen sind bestrebt, die Effizienz in Richtung 100 Prozent zu verbessern, so dass jeder Euro, der für Energie ausgegeben wird, in nützliche Arbeit im Rechenzentrum umgesetzt wird.

Messgrößen wie die Stromverbrauchseffektivität (Power Usage Effectiveness, PUE) helfen Unternehmen bei der Beurteilung der Effizienz. PUE wird berechnet als die in das Rechenzentrum eingehende Energie geteilt durch die in der IT-Infrastruktur verbrauchte Energie. Daraus ergibt sich ein einfaches Verhältnis, das sich 1,0 nähert, wenn sich die Effizienz 100 Prozent nähert, und der entsprechende Prozentsatz wird als Effizienz der Rechenzentrumsinfrastruktur ausgedrückt. Unternehmen können das PUE-Verhältnis verbessern, indem sie die Energiemenge in Nicht-IT-Bereichen reduzieren, zum Beispiel durch eine geringere Beleuchtung und Kühlung in Nicht-IT-Bereichen und durch die Implementierung anderer energieeffizienter Gebäudedesigns.

Ein weiteres Anliegen ist die Nachhaltigkeit. Die Stromerzeugung verursacht Umweltverschmutzung, von der man annimmt, dass sie den Klimawandel vorantreibt und die Gesundheit des Planeten beeinträchtigt. Ein nachhaltiges oder grünes Rechenzentrum bedeutet, das für den Strom, der die Rechenzentren antreibt, eine Netto-Null-Emission angestrebt wird. Netto-Null bedeutet, dass die Energie aus erneuerbaren Quellen gewonnen wird, die kein Kohlendioxid in die Atmosphäre abgeben.

In einigen Fällen kann sich das Unternehmen dafür entscheiden, den Netto-Nullpunkt zu erreichen, indem es Strom aus umweltfreundlichen Quellen wie Solar- oder Windparks nutzt. In anderen Fällen kann der Strom von Energieversorgern bezogen werden, die in der Lage sind, die gleiche Menge an Kohlendioxid, die bei der Energieerzeugung freigesetzt wird, abzuschneiden oder zurückzugewinnen, was zu Netto-Null-Emissionen führt. Um Netto-Null-Emissionen zu erreichen, müssen Unternehmen Energieeinsparungen, Energieeffizienz (zum Beispiel PUE-Initiativen) und erneuerbare, schadstofffreue Energiequellen einbeziehen.

Weitere Aspekte der Nachhaltigkeit sind Abfall- und Recyclingpraktiken. Bei IT-Geräten fällt viel Abfall in Form von Verpackungsmaterial an. Bei der Herstellung neuer Geräte werden zunehmend biologisch abbaubare Verpackungsmaterialien mit minimalen oder reduzierten Toxinen verwendet, die sich im Abfallstrom leicht zersetzen.

Bei der Entsorgung veralteter und ausgemusterter Geräte können Metalle und anorganische – potenziell toxische – Komponenten in den Abfallstrom gelangen. Viele Unternehmen verwenden ältere Geräte weiter, um die Lebensdauer von Geräten zu verlängern, die nicht mehr benötigt werden, oder spenden gebrauchte Geräte an andere Organisationen.

Bewährte Praktiken für das Design von Rechenzentren

Es gibt kein Patentrezept für die Gestaltung eines Rechenzentrums, und es gibt unzählige Entwürfe, die auf die individuellen Bedürfnisse jedes Unternehmens abgestimmt sind. Die folgenden Strategien können jedoch dazu beitragen, ein Rechenzentrum mit überlegender Effizienz und Nachhaltigkeit zu entwerfen:

• Messen Sie die Stromeffizienz: Betreiber von Rechenzentren können nicht verwalten, was sie nicht messen. Verwenden Sie Messgrößen wie PUE, um die Effizienz des Rechenzentrums zu überwachen. PUE sollte eine kontinuierliche Messung sein, die in regelmäßigen Abständen und das ganze Jahr über durchgeführt wird, da Jahreszeiten den Stromverbrauch beeinflussen können.
• Ziehen Sie kreative Raumkonzepte in Betracht: Anstelle eines herkömmlichen, großen, offenen Raums für die IT-Ausrüstung sollten Sie einen separaten oder unterteilten Raum für das Rechenzentrum in Betracht ziehen. Das kann Bereiche umfassen, die leer bleiben können, wenn sie nicht benötigt werden, oder in denen verschiedene Arten von Geräten mit ähnlichem Energie-/Kühlungsbedarf untergebracht werden können, oder andere Ansätze zur Reduzierung des Energie- und Kühlungsbedarfs.
• Überprüfen Sie den Luftstrom: Die Kühlung ist für den sicheren Betrieb der IT-Infrastruktur unerlässlich, aber der Luftstrom muss verwaltet und optimiert werden. Das kann die Begrenzung der Vermischung von heißer und kalter Luft, die Verwendung von Schemata zur Eingrenzung von heißen und kalten Gängen und sogar die Verwendung von Abdeckplatten zur Abdeckung ungenutzter Rack-Öffnungen umfassen, die verhindern, dass gekühlte Luft an Stellen strömt, die keine Geräte kühlen.
• Erhöhen Sie die Temperatur: Je kälter ein Serverraum ist, desto stromhungriger und teurer ist er. Anstatt den Serverraum kälter zu halten, sollten Sie die Auswirkungen einer tatsächlichen Temperaturerhöhung prüfen. Anstatt einen Kaltgang mit einer Temperatur von 68 bis 72 Grad Celsius zu betreiben, sollten Sie den Kaltgang mit 78 bis 80 Grad Celsius betreiben. Die meisten IT-Geräte können auf diese Weise höhere Temperaturen vertragen, solange sie bei gleichbleibender Temperatur betrieben werden.
• Versuchen Sie eine alternative Kühlung: Ein HVAC-System ist zwar Standard für Rechenzentren, aber es gibt Möglichkeiten, die Abhängigkeit von herkömmlichen HVAC-Systemen zu verringern oder ganz zu beseitigen. Rechenzentren in kühleren Klimazonen können beispielsweise den Einsatz von HVAC-Anlagen reduzieren und kühlere Außenluft – die so genannte freie Kühlung – in die Einrichtung einleiten. Ebenso kann die HVAC durch wassergekühlte Kältemaschinen – das heißt Economizer – oder andere Wärmetauschtechnologien, die weit weniger Energie verbrauchen, ergänzt oder ersetzt werden.
• Verbessern Sie die Stromverteilung: Die Effizienz der Stromversorgung in Rechenzentren wird oft durch ineffiziente Stromverteilungs- und -übertragungsgeräte wie Transformatoren, PDUs und USV-Anlagen beeinträchtigt. Verwenden Sie hocheffiziente Stromverteilungsgeräte und minimieren Sie die Anzahl der Stufen, das heißt, der Spannungs- und Stromänderungen, sowie die Gefahr von Stromverlusten.

Herausforderungen bei der Planung von Rechenzentren

Obwohl es keine einheitliche Formel für die Planung und den Bau von Rechenzentren gibt, stehen die Planer und Betreiber von Rechenzentren immer wieder vor zahlreichen Herausforderungen. Im Folgenden werden einige allgemeine Überlegungen und Herausforderungen aufgeführt:

• Skalierbarkeit: Ein Rechenzentrum ist eine langfristige Anlage, die jahrzehntelang in Betrieb bleiben kann. Rechenzentren, die heute in Betrieb sind, können sich jedoch erheblich von Rechenzentren unterscheiden, die in ein oder zwei Jahrzehnten in Betrieb sein werden. Die Planer müssen überlegen, wie sie die heutigen Arbeitslasten und Dienste bewältigen können, und gleichzeitig berücksichtigen, wie diese Ressourcen in Zukunft skaliert werden sollen. Die Herausforderung besteht darin, Raum für ein Wachstum in Bezug auf Platz, Energie und Kühlung zu schaffen und gleichzeitig die Kosten für diese Kapazitäten zu minimieren, bis sie benötigt werden.
• Flexibilität: Ein Rechenzentrum ist ein bisschen wie eine Fertigungshalle. Die Ausrüstung ist an ihrem Platz, aber es kann unmöglich sein, sie zu bewegen und zu verändern, wenn sich die Anforderungen ändern. Die Unfähigkeit, Gänge zu verlegen und zu verschieben, kann Unternehmen daran hindern, sich anzupassen und zu verändern, um neue Geschäftsanforderungen zu erfüllen. Die Herausforderung besteht darin, den Bedarf an Veränderungen ohne Ausfallzeiten oder kostspielige und zeitaufwändige Umgestaltungen zu erfüllen.
• Ausfallsicherheit: Ein Unternehmen verlässt sich auf sein Rechenzentrum. Wenn das Rechenzentrum nicht funktioniert, funktioniert auch das Unternehmen nicht. Stromausfülle, Netzwerkunterbrechungen, Umweltkatastrophen und sogar Hackerangriffe und andere böswillige Handlungen können ein Rechenzentrum zum Erliegen bringen. Konstrukteure stehen vor der Herausforderung, die häufigsten Bedrohungen zu verstehen und eine angemessene Ausfallsicherheit zu entwickeln, um diesen Bedrohungen zu begegnen.
• Veränderung: Es werden ständig neue Computertechnologie und neue Anforderungen entwickelt und eingeführt. Die Konstrukteure von Rechenzentren müssen überlegen, wie sie sich an häufig unvorhersehbare Änderungen anpassen und diese integrieren können, ohne die IT-Infrastruktur für jede Änderungen grundlegend umgestalten zu müssen.

Software und Tools zur Verwaltung der Rechenzentrumsinfrastruktur

Rechenzentren sind komplexe Organismen, die eine kontinuierliche Überwachung und Verwaltung sowohl auf der Ebene der Anlage als auch der IT-Infrastruktur erfordern. Betreiber von Rechenzentren setzen in der Regel DCIM-Tools ein, um einen Überblick über den Betrieb der Anlage und der Infrastruktur zu erhalten. Zu den allgemeinen Verwaltungsaufgaben, die für den Betrieb eines Rechenzentrums erforderlich sind, gehören unter anderem folgende:

• Beobachtung und Überwachung: Zu den Beobachtungsaufgaben gehört die Überwachung von Strom, Temperatur und Luftfeuchtigkeit innerhalb der Anlage. Die Beobachtung der Infrastruktur kann die verfügbare Kapazität umfassen, das heißt welche Systeme genutzt werden und welche frei sind, den Zustand der Anwendungen, um den ordnungsgemäßen Betrieb der wichtigsten Unternehmens-Workloads zu überwachen, sowie die allgemeine Betriebszeit oder Verfügbarkeit. Die Überwachungsaufgaben sind in der Regel mit Warn- und Ticketingsystemen verknüpft, um Probleme zu priorisieren und zu beheben, sobald sie entdeckt werden.
• Security: Für die Sicherheit des Rechenzentrums werden umfangreiche Tools und Frameworks eingesetzt. Die physische Sicherheit umfasst einen elektronisch protokollierten Zugang und eine zunehmend intelligente Videoüberwachung, zum Beispiel mit Hilfe von KI-gestützter Gesichtserkennung. Mithilfe von KI kann festgestellt werden, ob sich jemand in einem Geräteraum aufhalten sollte und wer diese Person ist. Viele weitere Tools helfen IT-Administratoren und Sicherheitsspezialisten beim Schutz vor Netzwerkangriffen, Systemeinbrüchen, Malware und Fehlverhalten von Mitarbeitern.
• Vorbereitung und Behebung: Die Verwaltung von Rechenzentren umfasst auch Vorbereitungsaufgaben, zum Beispiel Disaster Recovery und Backup-Prozesse, sowie Funktionen für die Workload-Migration, um rechtzeitige System-Serviceaufgaben zu ermöglichen. Zu den Behebungsaufgaben gehören Routineservice, regelmäßige System-Upgrades, Fehlerbehebung und Reparaturen.
• Kapazität und Leistungsfähigkeit: Datenmanagement-Tools können die aktuelle Kapazität überwachen – das heißt genutzte und freie Ressourcen – und helfen den Betreibern von Rechenzentren, die Auslastung zu verfolgen, um mehr Kapazität zu planen. Sie unterstützen auch die regelmäßige Verbesserung der Rechenzentrumskapazität, zum Beispiel durch System-Upgrades, technologische Aktualisierungen und die Einführung neuer Rechenzentrumstechnologien.

Das Management ist ein zentrales Element bei der Sicherstellung von Geschäftsdienstleistungen und Service Level Agreements (SLAs). Viele Rechenzentren sind an eine Form von SLA gebunden – entweder an interne Abteilungen oder Bereiche oder an externe Geschäftspartner und Kunden. Überwachung und Management mit DCIM und anderen Tools sind unerlässlich, um die Einhaltung eines SLA zu gewährleisten oder SLA-Verletzungen zu erkennen, die umgehend isoliert und behoben werden können. Darüber hinaus tragen eine umfassende Überwachung und Verwaltung dazu bei, die Aufrechterhaltung des Geschäftsbetriebs und Disaster Recovery zu gewährleisten, was für die Einhaltung der heutigen gesetzlichen Vorschriften von entscheidender Bedeutung sein kann.

Rechenzentren und Cloud Computing

Cloud-Computing-Technologien haben das Gesicht der modernen Unternehmensinformatik verändert. Die Zeiten, in denen ein Unternehmen ein eigenes vollwertiges Rechenzentrum aufbauen und betreiben musste, sind vorbei und wurden durch Dienste von Drittanbietern ersetzt, die von globalen IaaS-, PaaS- und SaaS-Anbietern bereitgestellt werden. Heutzutage können Arbeitslasten und Dienste in einer Public Cloud genauso einfach und oft zu den gleichen oder geringeren Kosten ausgeführt werden wie in einem herkömmlichen Rechenzentrum.

Ein Unternehmen kann sich auch für die Implementierung einer Private Cloud in seinem Rechenzentrum entscheiden. Das kann dazu beitragen, Cloud-ähnliche Vorteile wie Flexibilität und Self Service in den IT-Betrieb zu integrieren. Die Entscheidung für die Implementierung einer Private Cloud ändert nichts an der Konzeption oder den betrieblichen Überlegungen eines Rechenzentrums. In der Praxis wird eine Private Cloud dieselbe Hardware und Infrastruktur verwenden, die auch von anderen Arbeitslasten genutzt wird. Eine Private Cloud wird durch das Hinzufügen einer speziellen Softwareschicht oder eines Frameworks wie OpenStack ermöglicht.

Die Wahl der Cloud-Nutzung kann einen tiefgreifenden Einfluss auf die Gesamtgröße, den Umfang und die Kosten eines Rechenzentrums haben. Einige der fortschrittlichsten Cloud-first-Unternehmen, die heute tätig sind, könnten sich dafür entscheiden, auf ein dediziertes Rechenzentrum zu verzichten und stattdessen alle Arbeitslasten in einer Public Cloud zu entwickeln und bereitzustellen.

Die meisten Unternehmen entscheiden sich jedoch dafür, eine gewisse Anzahl von Arbeitslasten in einem lokalen Rechenzentrum aufrechtzuerhalten, in dem das Unternehmen die direkte Kontrolle über die Arbeitslast und ihre Infrastruktur ausübt. In diesen Fällen kann die Cloud-Nutzung es dem Unternehmen ermöglichen, weniger kritische, experimentelle oder temporäre Workloads in der Cloud auszuführen. Dadurch können der Platzbedarf, die Ausrüstung, die Skalierbarkeit und die Kosten für ein herkömmliches lokales Rechenzentrum reduziert werden.