Energie-efficiency in het datacenter maximaliseren: kijk naar de fysieke laag

Energiebesparing in de datacenteromgeving is tegenwoordig van groot belang voor elke datacenter manager. En terecht, meent Alberto Zucchinali, Data Centre Solutions and Services Senior Technical Manager bij Siemon. Studies laten zien dat energiekosten alleen al 30 tot 50 procent uitmaken van de totale kosten van het datacenter. Terwijl een deel van de energie wordt verbruikt door de eigenlijke servers, switches, routers en andere actieve elektronica, is er extra vermogen nodig om deze apparatuur te koelen. Zo is berekend dat de kosten om een server van stroom te voorzien en te koelen binnen 18 maanden gelijk zijn aan de oorspronkelijke aanschafkosten van de server.

Er is een brede reeks hardware- en softwareproducten beschikbaar om de energiekosten in datacenters te verminderen. Maar voordat u overgaat tot de aanschaf van deze producten is het verstandig om even een stap terug te doen en goed te kijken naar de manier waarop de fysieke bouw van een nieuw datacenter de inspanningen om energie te besparen kan ondersteunen. Hierdoor kunnen extra kosten worden verminderd. Welke maatregelen kunnen tijdens de ontwerpfase van de fysieke laag worden genomen om de energie-efficiency van het datacenter te ondersteunen?

1. Kies de juiste architectuur voor de datacenterinfrastructuur

Twee veelvoorkomende bekabelingsconfiguraties in het datacenter zijn tegenwoordig ToR-switching (Top-of-Rack) en any-to-all (A2A) gestructureerde bekabeling. Bij gestructureerde bekabeling wordt gebruikgemaakt van flexibele, op standaarden gebaseerde verbindingen tussen apparaten. Patchpanelen die switch- en serverpoorten spiegelen zijn via permanente verbindingen gekoppeld aan corresponderende panelen in het centrale distributiegebied. Deze gebieden kunnen zich aan het einde of in het midden van een rij kasten bevinden en vormen een any-to-all configuratie waarbij elke switchpoort kan worden verbonden met elke serverpoort.

In een ToR-configuratie worden kleinere (1RU tot 2RU) edgeswitches boven in elk serverrack (of kast) geplaatst en rechtstreeks op de servers in het rack aangesloten via korte voorgemonteerde kleine form-factor pluggable (bijv. SFP+ en QSFP) twinaxiale kabelsystemen, actieve optische kabelsystemen of RJ-45 modulaire patchkabels. Door deze zogeheten point-to-point verbindingen hoeft er geen gebruik te worden gemaakt van gestructureerde bekabeling of van een geschikt centraal distributiegebied.

Met een Any-to-All (A2A) configuratie met gestructureerde bekabeling, waarbij gebruik wordt gemaakt van een distributiegebied, zoals aangeduid in TIA 942-A en ISO 24764, kunt u uw servers plaatsen waar dit het beste uitkomt in verband met voeding en koeling. Hierbij hoeft u geen rekening te houden met de afstandsbeperkingen van point-to-point kabels en met de beschikbaarheid van switchpoorten zoals in een ToR-configuratie (point-to-point kabelsystemen in ToR-configuraties zijn doorgaans beperkt tot 10 meter). Voor een gestructureerd bekabelingssysteem kan meer bekabeling nodig zijn dan bij een ToR-topologie. Als u hierdoor bijvoorbeeld het gebruik van switchpoorten kunt maximaliseren en u geen extra koeling hoeft toe te voegen, dan verdient u deze investering echter ruimschoots terug. Met een ToR-switch in elke kast (of twee voor tweeledige primaire en secundaire netwerken) is het totaal aantal switches bovendien afhankelijk van het totaal aantal kasten in het datacenter, en niet van het feitelijke aantal switchpoorten dat nodig is om de apparatuur te ondersteunen. Hierdoor kan het benodigde aantal switches en voedingsunits bijna twee keer zo groot zijn in vergelijking met gestructureerde bekabeling. In tegenstelling tot passieve gestructureerde bekabeling hebben ToR-switches stroom en regelmatig onderhoud nodig. Het is ook belangrijk om te bedenken dat niet-gebruikte switchpoorten ook in een inactieve status stroom kunnen verbruiken.

2. Zorg voor een correct bekabelingsplan om de luchtstroom te maximaliseren en de koelingsinspanningen te minimaliseren

Om de koeling zo efficiënt mogelijk te laten verlopen, moet de bekabeling goed worden ontworpen en gerouteerd om de lucht onbelemmerd te laten stromen. Volgens TIA-942 en andere aanvullende normen voor datacenters over de hele wereld moet horizontale en verticale bekabeling op groei zijn berekend zodat deze gebieden later niet meer hoeven te worden aangepast. Er zijn verschillende redenen voor deze aanbeveling, zoals het voorkomen van nadelige gevolgen van het verwijderen van vloertegels tijdens MAC-werkzaamheden. Hierbij kan de statische druk onder verhoogde vloeren afnemen, wat een negatief effect heeft op de koelingsefficiency. Een andere reden is dat de stroming van koude lucht in gangen niet wordt gehinderd door bekabeling als de kabelgootverhoudingen juist zijn.

Onder een verhoogde vloer moet de bekabeling door de warme gangen worden geleid om de luchtstroom naar geperforeerde tegels niet te belemmeren. De kabelgoten kunnen als deflector fungeren en kunnen helpen om de koude lucht waar nodig te kanaliseren naar de koude gangen.

Ook moet er aandacht worden besteed aan de richting van kabelgoten en andere obstakels onder de vloer. Als loodrecht op of vóór uitstroomopeningen van het luchtbehandelingssysteem kabels lopen, blokkeren deze de luchtstroom. Tevens moeten high-density kabelbundels meer in het midden van de vloer worden aangebracht om obstructie zoveel mogelijk te beperken.

Binnen een kast moet lucht ook kunnen stromen. Kasten met een breedte van 600 mm hebben vaak geen ruimte voor de bekabeling, met name wanneer ze vol zitten met servers en switches. Een van de mogelijkheden om de benodigde ruimte te verkrijgen voor zowel actieve apparatuur als bekabeling is het gebruik van bredere kasten. Sommige nieuwere en bredere kasten bieden 'zero-U' (geen bekabeling in ruimten waar hardware is geplaatst), door de verticale ruimte tussen gekoppelde kasten te gebruiken voor patching en kabelmanagement terwijl de bekabeling uit de buurt blijft van ventilatoren die de apparatuur koelen.

Het aanbrengen van de bekabeling boven de kast kan ook problemen opleveren indien dit niet op de juiste wijze gebeurt. Overheadsystemen moeten niet boven de warme gangen worden geplaatst, aangezien de warme lucht hierdoor mogelijk niet kan worden verwijderd. De oplossing in dit geval is om de bekabeling in een overheadscenario boven de koude gangen te laten lopen.

3. Kies voor thermisch efficiënte kasten

Behalve voor bredere kasten met beter kabelmanagement is het verstandig om te kiezen voor thermisch efficiënte kasten, zoals Siemon's VersaPOD met zero-U kabelmanagement en patchingruimte tussen gekoppelde kasten en aan het einde van de rij. Deze kasten zijn speciaal ontworpen om de luchtstroom te regelen en zo de koelingsefficiency te optimaliseren zonder concessies te doen aan de dichtheid van bekabeling en apparatuur. High-flow voor- en achterdeuren bevorderen een efficiëntere luchtstroom waardoor een goede circulatie tussen warme en koude gangen wordt gegarandeerd. Optionele accessoires, zoals op het dak gemonteerde koelventilatoren, brush guards, blindpanelen en doorvoertules, bevorderen een goede luchtstroming en temperatuurregeling. Sommige kastfabrikanten bieden de mogelijkheid om verticale uitlaatkanalen of 'schoorstenen' te gebruiken. Door de warme lucht van actieve hardware rechtstreeks naar de retourluchtruimte te leiden wordt de efficiency van de klimaatregeling verhoogd.

Voor kasten met hogere warmtelasten kan gerichte extra koeling ook een zeer efficiënte aanpak zijn. Warmtewisselaars van de koeldeur kunnen de operationele kosten verlagen doordat koeling alleen wordt toegevoegd wanneer en waar de warmtelast dit vereist. Deze features zorgen voor een laag energieverbruik: ze hebben 80 procent minder energie nodig dan alternatieve oplossingen. Ze zijn bovendien onderhoudsarm en stil.

4. Implementeer monitoring- en toezichtsystemen

Met monitoring- en toezichtsystemen kunt u de werking van het datacenter regelmatig of real-time controleren. U kunt de efficiency meten en bewaken en op basis van automatisering, belasting en vraag aanpassingen doorvoeren. Hoe meer het systeem is geautomatiseerd (zelf-detecterend), des te meer energie er wordt bespaard.

Uiteraard kunt u geen oplossing vinden voor wat u niet kunt meten en zonder nulmeting kunt u niet vaststellen of de oplossing heeft gewerkt. DCIM (Data Center Infrastructure Management) en andere tools voor energiebeheer kunnen op contactdoosniveau bepalen hoe effectief hardware functioneert in een bepaalde omgeving. Tevens is het van belang om belastingen over het gehele vloeroppervlak van het datacenter te meten en te bewaken. Het oorspronkelijke ontwerp wordt in de praktijk immers zelden gehandhaafd. De praktijksituatie kan zelfs in minder dan twee jaar al behoorlijk zijn veranderd. Verder moet ervoor worden gezorgd dat de verzamelde data nuttig en bruikbaar zijn en toegankelijk via een gebruiksvriendelijke softwaretool die overweg kan met 'what-if'-scenario's. Intelligente stroomverdeling kan waardevolle energieverbruiksgegevens leveren, terwijl kritische IT-apparatuur betrouwbaar van stroom wordt voorzien. Verschillende opties zorgen voor real-time energiegegevens met intelligente functies op verschillende niveaus, variërend van eenvoudige registratie tot en met compleet beheer met diverse opties afhankelijk van de vereisten ten aanzien van data en beheer. De potentiële voordelen van het toepassen van intelligente stroomverdeling zijn lagere energiekosten, verbeterd beheer en optimalisatie van de energievoorziening, en identificatie en preventie van mogelijke problemen. Hierdoor worden de uptime en het efficiënte beheer van energiefuncties geoptimaliseerd en kunnen problemen snel worden verholpen.

5. Installeer beter presterende shielded bekabelingssystemen voor betere warmtedissipatie en energiebesparing bij actieve elektronica

Bij PoE voorbereide bekabelingssystemen die stroom leveren via de bekabeling moet er rekening mee worden gehouden dat er in de bekabeling warmte ontstaat. De aanbevolen methode om de risico's die verband houden met een excessieve temperatuurstijging tot een minimum te beperken, is het kiezen van bekabeling met superieure prestaties op het gebied van warmtedissipatie. Shielded bekabeling is de beste keuze hiervoor. Feitelijk is categorie 7A-bekabeling beter geschikt om warmte die door toepassingen voor remote voeding en gebruik in warmere omgevingen wordt veroorzaakt, af te voeren dan andere koperbekabelingsopties.

Alberto Zucchinali, Data Centre Solutions and Services Senior Technical Manager bij Siemon

Tot besluit

Om het energiebeheer in het datacenter te verbeteren hebben datacenterprofessionals er alle belang bij om goed te kijken naar (de vaak vergeten) fysieke laag. Als tijdens de ontwerpfase van een nieuwe voorziening de juiste stappen worden genomen, kan er aanzienlijk op de energievoorziening en koeling van het datacenter worden bespaard. De juiste keuze van de bekabelingsarchitectuur kan gaandeweg een enorme invloed hebben op allerlei zaken, bijvoorbeeld waar moderne warmteproducerende apparatuur met een hoger vermogen al dan niet fysiek kan worden geplaatst. Een correct bekabelingsplan en een goede keuze van de kasten kunnen de luchtstroom optimaliseren en zo de warmte-efficiency verbeteren. Deze en andere maatregelen betreffende de fysieke laag kunnen een groot effect hebben op het functioneren en de beheerkosten van het datacenter. Dankzij monitoring en meting is er bovendien meer aandacht voor zorgvuldig beheer.