Beitrag der IT zur Energieeinsparung. Teil 4: Lösungskonzept

1.1 Ausnutzung von Ressourcen

1.1.1 Betrieb von Ressourcenpools

Die Idee vom Ressourcenpool als skalierbarer Raum für Rechenleistung findet seit dem Populärwerden von Virtualisierungslösungen um die Jahrtausendwende[1] selbst in mittelständischen und teilweise sogar kleinen Unternehmen Einzug. Produkte wie Hyper-V, VMware vCenter oder Citrix sowie viele weitere erlauben den Betrieb von Strukturen, deren VMs im Betrieb auf leistungsfähigere Hosts verlegt, oder aber aufs Gesamtsysten betrachtet einfach nur weniger oder mehr Rechenleistung erhalten können.[2] In der Praxis können Unternehmen verschiedenartige Server bereits auf nur einem (dann aber ohne Redundanz) oder zwei bis drei (mittlere Unternehmen) physikalischen Maschinen betreiben.[3]

Sogenannte Ressourcenpools ermöglichen innerhalb von vCenter das Zusammenfassen von VMs sowie das Zuteilen von Ressourcenrichtlinien.[4] Der als Pool zusammengefassten Gruppe können hiermit Anteile an der Leistung von Prozessoren, Arbeitsspeicher und Festplattenaktivität zugeteilt werden. Diese Anteile stehen immer in Relation zur Gesamtkapazität des jeweiligen Ressourcenlieferanten. Beispielsweise beträgt die Standardeinstellung auf jeder Ebene für eine mit der Priorität „normal“ betriebene VM 1000 Anteile. Eine VM CPU-Prioritätseinstufung „hoch“, also mit 2000 zugeteilten CPU-Anteilen, erhält bei Inbetriebnahme die doppelte Menge an Prozessorleistung wie die als „normal“ klassifizierte Maschine. Werden auf einem Host beispielsweise die Maschine A mit der Einstufung „normal“ sowie die Maschine B mit der Einstufung „hoch“ betrieben, so erhält A ein Drittel und B zwei Drittel der insgesamt abrufbaren Leistung.

1.1.2 Verlagerung der Netzwerkinfrastruktur in die virtuelle Umgebung

Selbst Netzwerkkomponenten können in virtuelle Umgebungen realisiert werden. Als entsprechende VM aufgesetzt und an das virtuelle Netz angebunden, können Managed Switches wie auch Firewalls realisiert werden. Im Gegenzug fällt der Betrieb physikalischer Netzwerkgeräte weg.

Aktive Netzwerkkomponenten können also durch virtuelle Maschinen ersetzt werden. Da sie nur einen Bruchteil der Rechenleistung voll ausgestatteter Server leisten müssen, bleibt ihr Ressourcenbedarf eher gering und ihr Betrieb im VM-Host stellt keine nennenswerte Minderung der Leistung dar.

1.1.3 Mehrzweck-Nutzung bestehender Systeme

Ein großer Mangel von Single-Purpose-Systemen stellt die in der Praxis häufig auftretende Tatsache dar, dass diese nur zu Stoßzeiten ihre volle verfügbare Leistung erbringen müssen. Eine Mehrzweckverwendung solcher Maschinen erspart den Betrieb weiterer Verbraucher. Eine elegante Lösung ist beispielsweise der Betrieb einer Datensicherungslösung auf einem Mailserver, Domänencontroller oder DHCP-/DNS-Server. Alle diese Server erfahren die höchste Last zu den Arbeitszeiten im Unternehmen. Außerhalb dieser Zeiten können sie gut für Aufgaben genutzt werden, die in die Zeit nach der Arbeitszeit verlegt werden können.

Weitere Aufgaben können die Deduplizierung von Daten oder die Erstellung von Berichten sowie die Einplanung von Unternehmensprozessen sein, etwa bei Nutzung von ERP-Systemen. Software wie proALPHA von ABS erlauben sogar den Betrieb des sogenannten Optimierers, eines Servers, der Aufgaben und Prozesse einplant, auf Maschinen außerhalb des ERP-Hosts.

1.2 Sparsamere Komponenten in Servern und PCs

Mit dem Green-IT-Hype begann auch das aktive Bewerben besonders energiesparender Komponenten. So lieferten viele Hersteller sogar spezielle und prominent gekennzeichnete Produkte wie Mainboards[5], Prozessoren und Festplatten[6].

Die damit ausgestatteten Computersysteme wiesen anfangs noch einen Rückstand gegenüber ihren Pendants ohne „grüne Etikettierung“ auf, für den Einsatz als Bürocomputer spielte das jedoch keine Rolle.

Auch in das Segment der leistungsfähigeren Heimcomputer hielt der Energiespar-trend Einzug, als der Halbleiterhersteller AMD 2011 seine Technologien PowerTune und ein Jahr später ZeroCore Power vorstellte. Diese Technologien erlauben das Heruntertakten von Grafikprozessoren, wenn kein Bedarf für volle Leistung besteht. Besonders hohe Einsparungen können mit ZeroCore Power erzielt werden. Die Technologie wird aktiviert, wenn beispielsweise eine Anwendung, die hohe Rechenleistung der Grafikeinheit fordert, beendet wird, sei es ein Spiel oder eine Renderingsoftware. Wird das Betriebssystem im Desktopmodus verwendet, wird durch Heruntertakten und Abschaltung aller PCI-Express-Lanes bis auf einer laut AMD die Energieaufnahme auf unter 3 Watt reduziert.[7] Dies entspricht einer Energieeinsparung von 95 % gegenüber früheren Modellen.

Solid-State-Disks, kurz SSDs genannt, wurden in den vergangenen 10 Jahren erschwinglich und stießen in den Massenmarkt vor. Trotz der an der Kapazität gemessenen hohen Preise sind SSDs inzwischen zum Quasi-Standard für neue Computer der Mittelklasse und darüber geworden. Insbesondere Laptops profitieren von den mit den SSDs möglich werdenden langen Akkulaufzeiten. Ihr mittlerer Energieverbrauch beträgt nämlich weniger als 1 Watt.

Nicht zu verachten ist auch die Energieeinsparung durch größer werdende Festplatten. In diesen Anwendungsfällen fallen SSDs zwar aus dem Raster des wirtschaftlich Sinnvollen, aber dank der Kapazitäten von 2 und mehr Terabytes werden auch in Speichereinheiten wie Netzwerkgebundenen Speichern oder Speichernetzwerken (also NAS und SAN) weniger Festplatten nötig als früher bei kleineren Kapazitäten.

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Abbildung 6: Stromverbrauch von klassischen Festplatten und Solid-State-Disks im Vergleich zueinander.[8]

Angenommen, die Datenbank einer großen ERP-Installation befand sich bislang auf einem SAN mit 14 Festplatten à 140 Gigabytes[9], so bietet ein aufwendig abgesichertes RAID-10-System aus vier Festplatten zu jeweils 1 Terabyte fast die doppelte Kapazität. Die Energieaufnahme fällt also auf weniger als ein Drittel des ursprünglichen Bedarfs. Hinzu kommt, dass das aufwendige Rack und damit ein weiterer Verbraucher wegfällt.

Energieeffiziente Netzteile weisen hohe Wirkungsgrade von bis zu 95 % auf. Das Bewusstsein hierfür wurde mit der „80 Plus“-Spezifikation geschaffen, die bereits 2004 vorgestellt, aber erst im Jahr 2007 durch Fachzeitschriften und Produktwerbung im großen Stil bekannt gemacht wurde. Die damalige Spezifikation sah einen Wirkungsgrad von 80 %, der inzwischen jedoch überholt ist.

Die Aufstellung zeigt, dass eine Vielzahl an Server- und PC-Komponenten verfügbar ist, die den Bau energiesparender Computer erlauben. In Kombination mit der eingangs beschriebenen Miniaturisierung und den bereits damit einhergehenden Ursachen zur Energieeinsparung kommt mit dem gezielten Bau sparsamer Komponenten ein weiterer Faktor hinzu, der es ermöglicht, moderne Computersysteme bei steigender Leistung mit weniger Energieaufwand zu betreiben. Insbesondere an Orten, wo es gleichermaßen auf hohe Leistung wie auf hohe Energieeinsparung ankommt, führt der Einsatz moderner Hardware bereits in großen Schritten zu einer erheblichen Einsparung an elektrischer Energie.

1.3 Energiesparende und zentrale Datenhaltung

Ergänzend zu Datenspeichern aus weniger Komponenten mit höherer Kapazität lassen sich Techniken wie die Deduplizierung einsetzen[10], um Speicherplatz zu sparen und damit die Anschaffung weiterer Festplatten herauszuzögern.

Der Einsatz einer SAN in einem Rack und in Verbindung mit VM-Hostmaschinen aber auch mit Single-Purpose-Servern erlaubt die zentrale Datenspeicherung an nur einem Ort. Eigenständige Maschinen wie Hosts und das, was früher einmal Volumenserver waren, benötigen lediglich noch eine kleine Festplatte für ihr eigenes Betriebssystem.

1.4 Umstieg von PCs auf Thin Clients

Die wohl wirksamste Lösung zur Energieeinsparung führt über die Masse. Die meisten Computer in Unternehmen sind Rechner an PC-Arbeitsplätzen. Bereits in kleineren Unternehmen mit vergleichsweise wenig Arbeitsplätzen (15 seien angenommen) führt der Einsatz einer Lösung mit Terminalserver und Thin Clients gegenüber einem Aufbau mit herkömmlichen PCs zu einer Energieeinsparung von über 40 %.

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Tabelle 4: Ersparnis des Energiebedarfs nach Umstellung auf Thin Clients bei 15 PC-Arbeitsplätzen. Eigene Arbeit.

Bei mittleren Unternehmen mit 100 PC-Arbeitsplätzen steigt diese Ersparnis sogar auf fast 50 %.

In den Berechnungen wird davon ausgegangen, dass auf ein Terminalserver 20 Sitzungen betrieben werden können. Höhere Sitzungszahlen auf einzelnen Servern sind bei entsprechender Dimensionierung möglich.

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Tabelle 5: Ersparnis des Energiebedarfs nach Umstellung auf Thin Clients bei 100 PC-Arbeitsplätzen. Eigene Arbeit.

Weil rein statistisch betrachtet davon ausgegangen werden kann, dass in größeren Unternehmen aufgrund von Krankheit oder Außendiensttätigkeiten nicht immer alle PC-Arbeitsplätze besetzt sind, kann die Anzahl der erforderlichen Terminalserver im Verhältnis zu den Clients bei zunehmender Größe herabgesetzt werden. Nachfolgend wird von einer Abdeckung von 1 Terminalserver für 25 Clients ausgegangen:

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Tabelle 6: Ersparnis des Energiebedarfs bei Einsatz von 500 Thin Clients und 20 Terminalservern. Eigene Arbeit.

Die obigen Berechnungen lassen die Annahme zu, dass sich die Energieersparnis durch den Einsatz von Terminalservern und Thin Clients bei größer werdenden Infrastrukturen bei ca. 50 % einpendelt und ein ökonomischer und ökologischer Mehrwert bei großen Infrastrukturen eher eintritt als bei kleineren.

Der Weggang von PCs als Arbeitsstationen bringt noch weitere Vorzüge mit sich: Besonders solche PCs, bei denen ein Absturz einen hohen Wiederherstellungs-aufwand mit sich ziehen würde, werden in der Praxis oft durch USV-Geräte gegen einen Stromausfall abgesichert. Da ein Terminalserver als Objekt im Rechenzentrum ohnehin abgesichert wird, kann auf die Absicherung des Clientgeräts verzichtet werden.

Zusätzliche Lizenzkosten für die auf den Thin Clients laufenden Betriebssysteme können entfallen, wenn auf freie Software gesetzt wird. Nahezu jedes Linux-Derivat wird heute mit RDP-Clients ausgeliefert, die mit Windows-Servern kommunizieren. Für Thin Clients genügt also in fast allen Fällen ein Linux-System. Lizenzkosten fallen lediglich für die sogenannten CALs, die Client Access Licenses an.

1.5 Umbau von Unternehmensnetzwerken zu vollständig virtualisierten Strukturen

Setzt man die Gedanken an Mehrzwecksysteme, den Weggang von physikalischen Servern und den Einsatz von Terminalservern zusammen, so liegt der Schluss nahe, all diese Systeme in einer virtuellen Umgebung einzurichten.

Zwecks Absicherung gegen Ausfälle können mit gängigen Lösungen aus mehreren VM-Hosts bestehende Ressourcenpools aufgebaut werden, sodass im Falle eines Ausfalls ein anderer Host einspringt. Bereits im Normalbetrieb kann die anfallende Last zwischen diesen Hosts verteilt werden, sodass dieses System seine höchste Leistung erzielen kann. Werden die Hosts getrennt voneinander gegen einen Stromausfall abgesichert und fällt einer von drei Hosts aus, so können die zwei verbleibenden Hosts die anfallende Last auf sich nehmen.

Nachfolgend sei der Betrieb mehrerer Server mit unterschiedlichen Aufgaben sowie zweier Terminalserver inklusive virtueller Netzwerkkomponenten in einer komplett virtualisierten Umgebung schematisch dargestellt.

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Abbildung 7: Schematische Darstellung: verschiedene Server in einer virtuellen Umgebung; mit eigenständigem SAN. Der Mainframe steht hier stellvertretend für die komplette Infrastruktur aus VM-Hosts. Eigene Arbeit.

Die Untersuchung des Energieverbrauchs eines solchen Systems setzt voraus, dass Leistungsaufnahme und typische Auslastung bekannt sind. Geht man bei einem Aufbau aus drei VM-Hosts aus, die in der Regel zu ca. 60 % ausgelastet sind und die eine maximale Leistungsaufnahme von 1000 Watt haben, so ergibt sich die Berechnung:

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Tabelle 7: Angenommene Leistungsaufnahme für eine Infrastruktur mit 3 VM-Hosts bei einer Auslastung von 60 %. Eigene Arbeit.

Im Falle einer Störung auf einem der VM-Hosts bleibt das System unter fortbestehender regulärer Auslastung mit einer Gesamtauslastung von 90% handlungsfähig und hat sogar immer noch freie Ressourcen.

Festzuhalten bleibt, dass im oben dargestellten Aufbau auch bei einer Minderbelastung ein hohes Energiesparpotenzial besteht, da moderne Lösungen wie vCenter in der Lage sind, Hosts bei geringem Bedarf in einen Bereitschaftsmodus zu versetzen und für die Behandlung eingehender Anfragen theoretisch nur eine Maschine genutzt werden kann.

1.6 Energiesparrichtlinien

Energiesparrichtlinien sollten eingesetzt werden, um Domänencomputern bestimmte Einstellungen vorzugeben. Solche Einstellungen können genau denjenigen entsprechen, die auch auf jedem Computer individuell eingestellt werden können.

Mit Blick auf die Einsparung von Energie sollten insbesondere drei Einstellungsmöglichkeiten evaluiert und umgesetzt werden:

  1. Energiesparmodus nach … Minuten.
    Diese Einstellung versetzt den Computer nach einem eingestellten Zeitraum der Nichtbenutzung in den Stand-By-Modus. Die Sitzung kann (gegebenenfalls nach Anmeldung) schnell wieder aufgenommen werden. Moderne Computer sind im Stand-By äußerst sparsam. Eine Leistungsaufnahme von 1 Watt ist durchaus möglich. Wie viel das tatsächlich ist, hängt vom Modell ab und kann den Begleitdokumenten des Computers entnommen werden.
  2. Ruhezustand nach … Minuten.
    Wird der Computer in den Ruhezustand versetzt, so wird der Inhalt des Arbeitsspeichers auf der Festplatte gespeichert und das System heruntergefahren. Die Sitzung kann nach einer etwas verkürzten Zeit des Hochfahrens wieder aufgenommen werden. Der Computer ist im Ruhezustand ausgeschaltet und verbraucht keinen Strom.
  3. Bildschirm ausschalten.
    Diese Einstellung bewirkt ein Abschalten des Bildschirms nach einem eingestellten Zeitraum der Nichtbenutzung. Um das Abschalten anzukündigen, kann der Bildschirm vor dem Abschalten abgedunkelt werden, also etwa: abdunkeln nach 2 Minuten, abschalten nach 4 Minuten.
    Auf Bildschirmschoner sollte verzichtet werden, weil diese unnötig Rechenleistung verursachen.[11]

Weil Arbeitspausen im Büroalltag vorkommen und ein PC-Arbeitsplatz normalerweise nie zu 100 % der Arbeitszeit bedient wird, wird nachfolgend von einer 80prozentigen Auslastung ausgegangen, anhand derer die Ersparnis durch Nutzung von Energiespareinstellungen aufgezeigt werden soll.

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Tabelle 8: Ersparnis bei Nutzung von Energiespareinstellungen an einem durchschnittlichen Büroarbeitstag. Eigene Arbeit. [12]

Der Einsatz von Energiesparrichtlinien wirkt auch dem Verhalten einiger Anwender entgegen, die PCs gar nicht ausschalten. Deren Geräte werden dann nach Ende des Arbeitstages automatisch in den Ruhezustand versetzt.

Diese Richtlinien lassen sich gleichermaßen und sinnvoll auf Thin Clients anwenden, wenngleich die Stromersparnis dann geringer ausfällt. Auch Thin Clients müssen nicht in Betrieb bleiben, wenn niemand damit arbeitet.

1.7 Einsparung von Energie für Entwärmung

Bislang unbehandelt blieb der in IT-Infrastrukturen mit etwa 50 % größte Posten unter den Verbrauchern elektrischer Energie. Die zuvor genannten Analysen schlagen eine Anhebung der durchschnittlichen Zieltemperatur der Klimatisierung von Serverräumen von 18 auf 26° C vor. In der Folge wird eine Reduktion des Verbrauchs um bis zu 40 % erwartet.[13]

Die Anhebung der Zieltemperatur im Serverraum sollte Schrittweise erfolgen und es sollte genügend Zeit eingeplant werden, diese Änderung auch zu erproben. Praktischerweise sollte hierfür ein Arbeitstag abgewartet werden, um die Reaktion des Systems auf die alltägliche Last zu erproben.

Eine Anhebung der Temperatur um 2° C pro Tag und bis zu einem Zwischenziel von 22 °C wird an dieser Stelle für erprobenswert befunden. Danach sollte in kleineren Schritten fortgefahren werden und fortlaufend die Temperaturen der einzelnen Systeme überwacht werden.

1.8 Kombination der Lösungen mit den höchsten Wirkungsgraden

Für ein Unternehmensnetzwerk mit 100 PC-Arbeitsplätzen, 3 Servern für Mail, Dateifreigabe, Domänencontroller ergibt sich nach der Umstellung auf eine Lösung mit hohem Virtualisierungsgrad eine Ersparnis des Energieverbrauchs von 39 %.

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Tabelle 9: Ermittlung der Energieeinsparungsmöglichkeiten durch Kombination von Virtualisierung, Mehrzweckeinsatz und Anhebung der Zieltemperatur im Serverraum. Eigene Arbeit.

Weiter zu Teil 5: Umsetzung im Modell


Einzelnachweise. Das vollständige Quellenverzeichnis kann hier heruntergeladen werden.

  1. Zarnekow und Kolbe 2013, S. 17
  2. VMware 2009, S. 14
  3. Erfahrungswert des Verfassers aus einem IT-Projekt in einem Unternehmen mit 100 PC-Arbeitsplätzen.
  4. VMware 2009, S. 64
  5. z.B. „Centrino“ als energiesparender Chipsatz für Mainboards von Intel
  6. z.B. „WD Green“ von Western Digital
  7. Advanced Micro Devices 2012
  8. Reisinger 2014, S. 29
  9. Solche Kapazitäten sind in älteren SCSI-Racks gängig.
  10. Marx Gómez 2013, S. 56
  11. Umweltbundesamt 2013
  12. Für Verbrauchswerte siehe „Aufschlüsselung der Leistungsaufnahme verschiedener IT-Komponenten“ im Anhang.
  13. Vgl. Adrian Altenburger 2004, S. 2
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