Hitte en stroomverbruik zijn belangrijkste problemen in rekencentra

Denken in performance-per-Watt

Tot een paar jaar terug was het stroomverbruik van een rekencentrum zelden een issue. Computersystemen werden strak onder elkaar in de rekken geprikt, en de airconditioning blies de warmte van al die snorrende machines het gebouw weer uit. Met de sterk toegenomen vermogens en de dichtheid van de systemen zijn hitte en stroomverbruik inmiddels uitgegroeid tot de belangrijkste kopzorgen van de beheerder.

Hoewel niet bekend is hoeveel stroom er precies door de Nederlandse rekencentra wordt verbruikt, is daar in breder verband wel iets over te zeggen. Volgens Jonathan Koomey, als onderzoeker verbonden aan het Amerikaanse Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL) en Stanford University, is het stroomverbruik van datacenters in de periode van 2000 tot 2005 verdubbeld. Zo schrijft hij in zijn rapport "Estimating Total Power Consumption by Servers in the US and the World". Daarmee zijn rekencentra in de Verenigde Staten inmiddels verantwoordelijk voor 1,2 procent van het stroomverbruik.

De rekening voor de 45 miljard kWh die door de Amerikaanse datacenters in 2005 werd verbruikt, bedraagt 2,7 miljard dollar, aldus Koomey. Dat is vergelijkbaar met het verbruik van alle Amerikaanse kleurentelevisies, die zoals u wellicht weet daar de hele dag aan staan. Wereldwijd gaat het om 125 miljard kWh, ter waarde van 7,2 miljard dollar. Dat is meer dan de 110 miljard kWh die we in dat jaar in heel Nederland verbruikten.

Stroomrekening

Volgens IDC bedroeg de stroomrekening voor alle server-systemen ter wereld - ook die niet in rekencentrum staan opgesteld - in 2005 26 miljard dollar. Dat is twee keer zo veel als tien jaar daarvoor. Bovendien verwachten de analisten dat de kosten voor energie en koeling in 2010 nog eens zullen zijn verdubbeld tot 45 miljard dollar.

Zouden bij al deze getallen ook de verbruiken voor data-opslag, netwerkapparatuur en PC's opgeteld worden, dan gaat het om nog veel meer.

IDC signaleert dan ook een steeds grotere discrepantie de ontwikkelingen op gebied van computersystemen en die in het rekencentrum. Daarmee is het stroomverbruik inmiddels het belangrijkste punt van zorg van de beheerders, en is koelcapaciteit hun grootste bottleneck.

Milieu

Een bekende vuistregel voor de dimensionering van een datacenter is dat de periferie van de systemen nog eens zo veel stroom verbruikt als de computers zelf. Het leeuwendeel daarvan komt voor rekening van de airconditioning. Al die energie komt immers vrij in de vorm van warmte en moet het gebouw weer uitgevoerd worden.

Tot voor kort was dat geen enkel probleem. Men plaatste simpelweg de benodigde airco-systemen, met daarnaast nog een noodstroomvoorziening voor het geheel. De beheerder kon vervolgens de rekken in zijn rekencentrum naar hartelust volbouwen met computer-servers.

De laatste jaren zijn energieverbruik en dissipatie echter ook in het rekencentrum belangrijke aandachtsgebieden geworden. Enerzijds heeft dat te maken met de veranderde positie van ICT in organisaties. Anderzijds met de sterk gestegen energiekosten en alle aandacht voor ecologisch rentmeesterschap en de opwarming van de aarde.

Facilitaire dienst

Waar de automatiseerders voorheen binnen het bedrijf behoorlijk wat autonomie hadden, worden zij inmiddels behandeld als een facilitaire dienst. Dat heeft te maken met de opkomst van service centers, de trend naar uitbesteding, en een kosten-georiënteerde benadering. IT-afdelingen die niet efficient kunnen werken, worden ontmanteld of overgedaan aan een dienstverlener die vervolgens de hele automatisering onder zijn hoede neemt.

Maar ook de dotcom-crash in het jaar 2000 speelt hierin een belangrijke rol. ICT-afdelingen hebben de grote beloften van destijds immers niet waar kunnen maken. De Chief Information Officer (CIO) - de hoogte IT-functionaris in grote ondernemingen - is daarmee zijn aanspraken op een plekje in de boardroom kwijtgeraakt. Hij valt tegenwoordig meestal onder de Chief Financial Officer (CFO). Gevolg daarvan is dat IT-afdelingen inmiddels niet meer worden beloond voor hun toegevoegde waarde aan de business, maar vooral worden afgerekend op de kosten.

Pizza-dozen

Daarnaast zorgen ontwikkelingen binnen het rekencentrum zelf voor hele praktische dissipatie-problemen. Processoren, chipsets en andere computeronderdelen worden almaar kleiner en kleiner. Bovendien worden deze steeds verder met elkaar geïntegreerd. Dat maakt het voor fabrikanten mogelijk om de onderdelen steeds dichter op elkaar te zetten, in steeds kleinere systemen.

Meest in het oog springende ontwikkeling op dit gebied is wel die van de multi-core processoren. De laatste producten van fabrikanten Intel en AMD zijn zonder uitzondering dual- of quad-core. Dat betekent dat twee of vier processoren die vroeger in aparte behuizingen zaten, nu op één enkele chip worden gezet. En daarvan kunnen er weer meerdere in een kast worden geplaatst die vroeger slechts één enkel serversysteem kon bevatten. Deze zogenaamde blade-systemen worden heel dicht op elkaar, rij aan rij, strak naast elkaar in de rekken van de datacenter geplaatst. Zelfs losse systemen zijn tegenwoordig maar een kwart van het formaat dat ze vroeger hadden. Insiders spreken in dit geval dan ook van pizza-dozen.

Verwerkingskracht

Tenslotte is er nog de trend naar virtualisatie. Daarbij worden software-toepassingen niet langer uitgevoerd op een echt computersysteem, maar op een zogenaamde virtuele machine. Omdat er meerdere van die virtuele machines tegelijkertijd op een serversysteem kunnen draaien, neemt de belasting van de hardware — en daarmee het stroomverbruik — toe.

Resultaat van deze sterk toegenomen dichtheid van verwerkingskracht is dat beheerders de rekken van hun rekencentra niet meer vol kunnen stoppen. Waar een standaardrek in het jaar 2000 nog was ingericht op een verbruik van één kW, ligt dat volgens IDC nu op zes tot acht kW. En waar tien jaar geleden een rek gemiddeld zeven systemen bevatte, zijn dat er in het blade-tijdperk maar liefst twintig. Omdat de koelsystemen alle hitte eenvoudigweg niet meer kunnen afvoeren, moet in die oudere rekencentra soms wel de helft van de slots opengelaten worden. Volgens AMD gaat op die manier 18 procent van de beschikbare ruimte verloren.

Power management

Sinds twee jaar wordt op alle fronten enorm hard gewerkt om deze problemen het hoofd te bieden. Dat begint bij de fabrikanten van de hardware. Waar voorheen alleen processoren voor laptop-computers uitgebreide mogelijkheden voor power management hadden, zijn die inmiddels ook standaard onderdeel van alle server-systemen.

Virtualisatie van servers zorgt ervoor dat hardware veel beter dan voorheen wordt uitgenut. Hoewel deze aanpak dus leidt tot lokale problemen in het datacenter, verhoogt het wel de over-all efficiëntie.

En ook op beheersniveau gebeuren interessante dingen. Leveranciers van management software breiden hun pakketten uit met faciliteiten voor power management. Die trend sluit bovendien aan bij de vraag van de CFO en de business om inzicht in en gedetailleerde specificatie van de kosten.

Waterkoeling

Aanpak van de koeling is heel interessant omdat die zo'n groot deel van het totale stroomverbruik voor zijn rekening neemt. Daar hebben we het afgelopen jaar een complete omslag in het denken kunnen zien. Voorheen was het doel om de gegenereerde hitte zo veel mogelijk door het rekencentrum te verspreiden, en die warme lucht met een airco de ruimte uit te werken.

Inmiddels wil een leverancier als APC de hitte juist zo veel mogelijk concentreren, om die vervolgens heel gericht het datacenter uit te kunnen geleiden. Daarvoor wordt gebruik gemaakt van warmtewisselaars die via een water-circuit op de airconditioning worden aangesloten.

Die methode opent echter ook hele nieuwe mogelijkheden. Door een extra, buiten geplaatste warmtewisselaar in het circuit op te nemen, hoeft 's nachts en op koude dagen niet actief gekoeld te worden. Op die manier kunnen de kosten daarvoor met maar liefst de helft worden teruggebracht. Volgens APC wordt die extra warmtewisselaar op dit moment veel bijgeplaatst. Bovendien zit in deze koeltechnologie nog ruimte voor verdere verbetering. Door de waterkoeling niet op het systeem maar op de processor zelf te plaatsen, zou de temperatuur van het koelwater nog een flink stuk omhoog kunnen. Daarmee zou de airco zelfs driekwart van de tijd uitgeschakeld kunnen blijven.

Performance-per-Watt

Hoewel veel van dit soort oplossingen zich nog in een pril stadium bevinden, wordt er op alle fronten hard gewerkt aan het terugdringen van het stroomverbuik in het rekencentrum. Met name het denken in performance-per-Watt heeft belangrijke veranderingen in productontwikkeling, -implementatie en -gebruik tot gevolg.

De komende tijd kunnen we nog veel meer initiatieven en ontwikkelingen op energie-gebied verwachten. Zo werkt de Environmental Protection Agency (EPA) aan een label voor energie-zuinige servers. Dat moet het grotere broertje worden van het Energy Star label dat nu voor PC's wordt gebruikt.

Daarnaast zijn er inmiddels twee samenwerkingsverbanden door de leveranciers zelf opgericht: de Green Grid Alliance met daarin onder andere AMD, APC, Dell, HP, IBM, Sun en VMware, en het Eco Forum met daarin AMD, EPA, Google, Intel, Microsoft en Sun.

Of dat alles daadwerkelijk zal leiden tot lagere stroomrekeningen is echter nog maar de vraag. Het zou immers heel goed kunnen dat rendementsverbeteringen in het rekencentrum volledig zullen worden opgesoupeerd door de constante vraag naar meer verwerkingskracht.

Dit artikel verscheen eerder in Energy Magazine.