SI/502866

Schlussbericht

Ein Faktor, der die Effizienz von Rechenzentren (RZ) beeinflusst, sind die Server-Eingangstemperaturen. Eine Erhöhung dieser Temperaturen kann die Effizienz der Kühlsysteme erheblich steigern, indem sie eine stärkere Nutzung der „freien Kühlung“ ermöglicht, bei der Umgebungswärmesenken anstelle von energieintensiven mechanischen Kälteanlagen genutzt werden können. Höhere Eingangstemperaturen können sich jedoch auch negativ auf den Energieverbrauch der IT-Ausrüstung auswirken, vor allem dadurch, dass die internen Serverlüfter stärker arbeiten müssen. In welchem Ausmass sich diese beiden gegensätzlichen Effekte manifestieren, ist jedoch umstritten. Empfehlungen, die ein Jahrzehnt oder mehr zurückreichen, schlagen relativ weite Temperaturbereiche vor, wie etwa die 18 – 27 °C der American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers (ASHRAE). Die gängige Branchenpraxis liegt in der oberen Hälfte dieses Bereichs, oft bei 24 – 25 Grad. Über die Zeit wurden sowohl theoretische wie auch empirische Argumente für und gegen eine weitere Erhöhung der Eingangstemperaturen – sogar über 27 Grad hinaus – vorgebracht. Angesichts der widersprüchlichen Effekte von Temperaturänderungen sowie vager und möglicherweise veralteter Empfehlungen, analysiert diese Studie, wie der Server-Stromverbrauch von den Eingangstemperaturen abhängt, ob eine weitere Erhöhung der Temperaturen Gesamtvorteile bringt oder nicht und ob verbreitete Metriken wie die Power Usage Effectiveness (PUE) in der Bewertung hilfreich sind. Die Analyse basierte auf akademische und industrielle Fachliteratur, einigen Interviews, aber hauptsächlich auf der Fallstudie eines Colocation-Anbieters in der Schweiz. In den letzten Jahren hat dieser die Server-Eingangstemperaturen in zwei seiner Rechenzentren erhöht. Die vorliegende Studie hatte somit Zugang zu detaillierten Primärdaten zu Temperaturen, Server-Stromverbrauch und, für eines der beiden Rechenzentren, auch zum gebäudeweiten Stromverbrauch während dieses Zeitraums. Die Ergebnisse bestätigen die positive Korrelation zwischen Eingangstemperaturen und dem Stromverbrauch der Server. In dieser Fallstudie betrug die Temperaturempfindlichkeit des Stromverbrauchs des gesamten Serverraums am oberen Ende des ASHRAE-Bereichs und leicht darüber (d.h. zwischen 23 – 30 °C), 0,35 – 0,5 Prozent Strommehrverbrauch pro Grad Celsius. Welcher der beiden Effekte überwiegt – und ob folglich weitere Temperaturerhöhungen sinnvoll sind – konnte nicht abschliessend beurteilt werden. Daten zum gebäudeweiten Stromverbrauch waren für eines der RZ verfügbar. Bei mehreren aufgezeichneten Temperaturänderungen waren die Analyseergebnisse jedoch gleichmässig zwischen signifikant vorteilhaften und nachteiligen Effekten aufgeteilt. Diese widersprüchlichen Ergebnisse traten auf, obwohl mehrere Serverräume die Eingangstemperatur synchron änderten und dabei einen wesentlichen Anteil am Gesamtstromverbrauch des Gebäudes ausmachten. Eine vernünftige Erwartung war daher, dass die gebäudeweiten Effekte klar und eindeutig sein würden. Die Mehrdeutigkeit könnte auf den Einfluss von Rauschen, Scheineffekten und Störfaktoren zurückzuführen sein, die auf Gebäudeebene relevanter zu sein scheinen als für einzelne Serverräume. Ein vielversprechender Lösungsansatz könnte ein kontrolliertes Experiment sein, bei dem die Temperaturen in allen (oder zumindest einem wesentlichen Teil der) Serverräume eines Rechenzentrums synchron verändert werden, während die Rechenlasten kontrolliert und während des gesamten Experiments konstant gehalten werden. Dies würde den Faktor eliminieren, der sich in dieser Analyse als der wahrscheinlich wichtigste Störfaktor herausgestellt hat, nämlich die Rechenlasten im Rechenzentrum. PUE sollte in diesem Zusammenhang nicht zur Analyse herangezogen werden. Obwohl PUE zur Bewertung der Energieeffizienz von RZ (und insbesondere ihrer Kühlinfrastrukturen) weithin verwendet wird, ist die Metrik ungeeignet, den Kompromiss zwischen Verbrauch der Kühlinfrastruktur und der Serverlüfter zu bewerten. Aus pragmatischen, aber semantisch falschen Gründen wird der Verbrauch der Serverlüfter in den Stromverbrauch der Server einbezogen und landet somit im falschen Teil des PUE-Bruchs. Eine Erhöhung der Eingangstemperaturen führt daher immer zu einer PUE-Senkung, da sowohl der Stromverbrauch der Kühlung sinkt als auch der Stromverbrauch der Serverlüfter (und damit scheinbar auch der Server) steigt. Eine solche PUE-Senkung informiert jedoch nicht, welcher Effekt stärker ist, und kann daher leicht irreführend sein. Solange eine genaue Antwort aussteht, deuten einige Anzeichen darauf hin, dass die optimalen Einlasstemperaturen am oberen Ende der ASHRAE-Empfehlung (etwa 25–27 °C) liegen könnten; dies würde auch mit den Erkenntnissen aus Hyperscale-Rechenzentren übereinstimmen, wie auch mit der Meinung eines befragten Experten.