Moderne datacenters vereisen intelligent ontwerp

Onlangs vond in München het ‘Huawei Energy Symposium 2015’ plaats. Marco Wenzkowski, als consultant Mission Critical Facilities werkzaam bij Royal HaskoningDHV, gaf op dit symposium een presentatie over ‘datacenter facility evoluties, trends en requirements’.

De presentatie gaf een breed beeld van de datacentermarkt in Europa, hoofdzakelijk gericht op de facilitaire kant van datacenters. Daarbij moeten we ons wel bedenken dat de facilitaire eisen en inrichting van een datacenter de laatste jaren hoofdzakelijk bepaald worden door de voorwaarden die door de IT-apparatuur worden geschept. Daarnaast spelen andere factoren zoals wetgeving en klant Service Level Agreements (SLA’s) een belangrijke rol.

Oorsprong

Als we naar de geschiedenis van datacenters kijken, zien we dat er twee oorsprongen zijn. Allereerst zien we hoe grotere bedrijven met een eigen ‘Main Equipment Room’ (MER) hogere eisen gingen stellen dan zij daarvoor deden. Een tweede ontwikkeling speelt eind jaren ‘90 toen de commerciële datacenters ontstonden. Deze datacenters sprongen handig in op de vraag vanuit de markt om niet meer zelf de IT-apparatuur in huis te hebben, maar om deze extern onder te brengen. Met andere woorden: te outsourcen.

Belangrijke kenmerken van datacenters die eind jaren ’90 zijn ontwikkeld:

• Een hoge EUE van 1.7 tot 2.2. Efficiëntie van datacenters was is die tijd geen echt belangrijk onderwerp;
• Niet modulair. De oudere datacenters waren niet modulair opgebouwd en bestonden hoofdzakelijk uit traditionele componenten zoals traditionele koelmachines, CRAC units op de datavloer, traditionele UPS systemen en dergelijke;
• Beschikbaarheid van de IT-omgeving was minder aan de orde. Dit zien we terug in lagere beschikbaarheidsanalyses en TIER classificaties, hoofdzakelijk Tier II. Redundantie op component niveau, maar niet op distributieniveau;
• Lage temperaturen. De gekoelde lucht op een datazaal kende een lage temperatuur van rond de 18°C. Die waarde werd veelal door de IT-leveranciers voorgeschreven.

Al deze ontwikkelingen hebben de laatste jaren een mooie evolutie doorgemaakt.

Anno 2015

Moderne datacenters zijn ontwikkeld met een geheel andere visie dan 15 jaar geleden. We kunnen dan ook spreken dat zich een evolutie heeft afgespeeld. In 1999 waren maar twee datacenters in Europa gecertificeerd door het Uptime Institute. Vandaag de dag zijn dat er maar liefst 71, waarbij Spanje er met kop en schouders bovenuit steekt met 15 gecertificeerde datacenters. Nederland heeft er welgeteld 2. Ondanks dat Nederland door de grotere multinationals gezien wordt als ‘de IT-toegangspoort tot Europa’, vindt Nederland het blijkbaar niet zo belangrijk om gecertificeerd te zijn.

Figuur 1. De belangrijkste vestigingsplaatsen van datacenters die zich op colocatie-diensten richten

Source: European Data Centres MarketView. Q3 2014. CBRE

Te enthousiast

Als we gaan kijken naar de datacentermarkt in Europa, dan zien we dat Londen met kop en schouders boven de rest van Europa uitsteekt. In Londen wordt circa 350 MW aan elektrische energie puur en alleen door datacenters afgenomen. De Duitse stad Frankfurt is tweede en Amsterdam is goede derde met bijna 155 MW. Bij alle grote datacenter-steden valt op dat het resterende beschikbare vermogen nog maar 15 tot 20% bedraagt van het actuele vermogen. De vraag is dan uiteraard ook welke uitdagingen wij hier in de toekomst kunnen verwachten.

Naast totale vermogens spelen een aantal andere factoren een belangrijke rol in de trends. Eén daarvan is het gemiddelde IT-vermogen per vierkante m (kW/m²). Begin 2000 ofwel in de opkomstperiode van de datacenters, zagen we een sterke groei in het gemiddelde IT-vermogen per vierkante meter. In 2000 was het gemiddelde vermogen circa 0,25 kW/m². Rond 2007 was dit gegroeid naar circa 1 kW/m². Het opvallende is dat dit getal sindsdien maar licht gestegen is. Vandaag de dag zitten we gemiddeld tussen de 1 kW/m² en 1,3 kW/m². We kunnen daarom stellen dat de forse stijgingen tussen 2000 en 2007 met 300 tot 400% is afgenomen tot een groei tussen 2007 en 2014 met ‘maar’ circa 50%.

Dit staat overigens haaks op de voorspellingen die rond 2007 werden gedaan, waarin gesteld werd dat het gemiddelde IT-vermogen per vierkante meter significant zou doorstijgen. Toen werden getallen van gemiddeld 3 tot 5 kW/m² genoemd. Deze getallen bleken te enthousiast te zijn.

Figuur 2. Wat vinden datacenters op dit moment belangrijk?

Source: Pd7Research

Belangrijkste parameters

Als we figuur 2 bekijken dan zien we dat men energie-efficiency de belangrijkste parameter vindt. Er is een sterke behoefte aan een hogere energie-efficiency. Dat is duidelijk. Het totale benodigde IT-vermogen per vierkante meter moet ook groeien. Dat is ook logisch, want de meeste datacenters stammen nog uit de beginjaren ’90, waarin ontwikkeld werd op 0,25 kW/m².

Opvallend in deze tabel is de beschikbaarheid (uptime) van een datacenter. Uit deze tabel blijkt dat de beschikbaarheid (de uptime van IT-apparatuur) op dit moment geen belangrijk onderwerp in de datacenters is. Mijn verklaring hiervoor is dat de meeste datacenters de laatste jaren hard gewerkt hebben aan dit thema, waardoor het op dit moment geen echt issue meer is.

Drie visies op de toekomst

Voor de toekomst zien we een aantal trends. De meeste trends zullen u niet verrassen, maar een aantal wellicht wel.

We zien de komende 5 jaar een te verwachten afname van een eigen ‘in huis’ datacenter. Daarnaast zien we een zeer sterke toename van hosting- en cloud-diensten en het uitbesteden van IT-diensten met een toename van circa 50% in de komende 5 jaar.

Begin jaren 2000 waren de datacenters letterlijk koud van binnen. De gekoelde lucht werd met 16 tot 18°C ingeblazen. Dit gebeurde met name omdat sommige IT-componenten deze eis stelden. Vandaag de dag is dat gelukkig anders. We zien dat de IT-apparatuur op hogere temperaturen worden uitgelegd. Dat is mooi, want we kunnen daarmee de temperatuur van de gekoelde lucht in het datacenter verhogen, waardoor aan de ene kant de energie-efficiency verhoogd wordt en aan de andere kant de methodiek van koelen kan worden verruimd. De mogelijkheden voor vrije koeling worden immers beduidend groter. De zogeheten ‘indoor envelop’ wordt verruimd (figuur 3).

Figuur 3. de zogeheten ‘indoor envelop’ van Ashrae

Een verhoging van deze indoor envelop resulteert in een lagere Power Usage Effectiveness (PUE) en is daarmee dus energie-efficiënt. Maar is deze stelling wel juist (figuur 4)?

Figuur 4. Klopt de stelling dat een verhoging van de zogeheten ‘indoor envelop’ tot een lagere PUE leidt?

Als de ruimtetemperatuur gaat toenemen, zal op een gegeven moment het IT-vermogen ook gaan toenemen. Dit is een gevolg van het feit dat de ventilatoren van de IT-apparatuur gaan ‘optoeren’. Het vreemde is dat dit een positief effect zal geven op de PUE-waarde. Een toename van het IT-vermogen bij gelijkblijvende overige vermogens/verliezen, geeft immers een hogere PUE-waarde. Het totale energieverbruik zal echter ook toenemen. De energierekening valt daarmee dus hoger uit in plaats van - zoals de verwachting vaak zal zijn - lager. Een goede balans tussen de hoogte van de inblaastemperatuur en het gedrag van de serverapparatuur is daarmee dus essentieel.

Visie nummer 1: de stelling dat een verhoging van de zogeheten ‘indoor envelop’ tot een lagere PUE leidt, is dus niet per definitie juist. Het vergroten van de indoor envelop dient altijd afgestemd te zijn op de specificaties van de IT-apparatuur. Een te grote indoor envelop kan juist een averechts effect geven (zie figuur 5).

Figuur 5: Het vergroten van de indoor envelop dient altijd afgestemd te zijn op de specificaties van de IT-apparatuur

Intelligent ontwerpen

We kunnen een datacenter vandaag de dag intelligent ontwerpen en bouwen. De uitdaging ligt er echter ook in of we in staat zijn om deze installaties en systemen voor de komende 15 tot 20 jaar optimaal te onderhouden en beheren. Als we ons realiseren dat 2 op de 3 storingen in een datacenter wordt veroorzaakt door menselijke interventies, is het noodzakelijk om buiten de techniek ook te investeren in mensen en opleidingen. Alleen dan kan een datacenter optimaal onderhouden en beheerd worden.

Visie nummer 1 is daarmee: energie-efficiency = geïntegreerd ontwerp + intelligent beheer

Figuur 6. Energie-efficiency = geïntegreerd ontwerp + intelligent beheer

Tot een paar jaar geleden kenden we een zogeheten ‘lineaire’ energiestroom in een datacenter. Er werd elektrische energie ingekocht, deze werd in een datacenter omgezet in warmte en de warmte werd weer aan de buitenlucht afgegeven. Vandaag de dag gaan we daar gelukkig slimmer mee om. Indien we de hele koeling van een datacenter geïntegreerd laten werken, waarbij de toevoer luchttemperaturen omhoog gebracht kunnen worden, genereert dit meer mogelijkheden om de warmte af te geven aan de omgeving, het ecosysteem (zie figuur 7).

Figuur 7. Als we de hele koeling van een datacenter geïntegreerd laten werken, genereert dit meer mogelijkheden om de warmte af te geven aan de omgeving

Gaan we nog een stap verder, dan gaan we niet alleen de warmte afgeven aan het ecosysteem, maar kunnen we ook andere energiebronnen onttrekken vanuit dit systeem (figuur 8).

Figuur 8. We kunnen ook warmte onttrekken vanuit het ecosysteem

Visie 2: datacenters gaan in de nabije toekomst onderdeel uitmaken van grote ecosystemen.

Ieder datacenter uniek

Het bijzondere aan datacenters is dat er geen twee identiek zijn. De vraag die we ons moeten stellen of dit ‘eigenwijsheid’ van de ontwerpers is of omdat het niet anders kan. Hebben we elke keer echt een ander ontwerp van een datacenter nodig? Het antwoord op deze vraag is eigenlijk niet zo moeilijk. Gaan we kijken naar een datacenter, dan zien we drie pijlers (zie figuur 9).

Figuur 9. De die pijlers onder het datacenter

Bij alle drie de pijlers zijn er continu verschuivingen waarneembaar. Het internet wordt almaar groter en het krijgt een industrieel, minder vatbaar karakter. Vraagstukken als toegankelijkheid en privacy zijn vandaag de dag zeer actueel.

De behoeftes en vraagstukken waarmee co-locaties en in-huis datacenters worden geconfronteerd, zijn zeer divers. Onderwerpen als een sterke groei in elektriciteit- en continuïteitsbehoefte nemen sterk in belang toe. Daarnaast is modulariteit en flexibiliteit een belangrijk onderwerp om de business case van een eigenaar te laten renderen.

Figuur 10. We zien een sterke trend van ‘in één keer’ bouwen van een datacenter naar faciliteiten die als lego-steentjes worden samengesteld

Zoals reeds in het begin van dit artikel aangegeven, zien we een sterke trend van ‘in één keer’ bouwen van een datacenter naar faciliteiten die als lego-steentjes worden samengesteld (figuur 10). Flexibiliteit is een zeer belangrijk element in zowel uitbreidingsmogelijkheden als ook krimp scenario’s. Alles is afhankelijk van de business case van de klant. Uitbreiden als de IT-klanten erom vragen en krimpen als de IT behoefte afneemt.

Als derde trend zien we de in-huis datacenters. Deze eigenaren kampen met belangrijke vraagstukken. Denk aan meer behoefte aan vierkante meters en een toename in elektrisch vermogen. Daarnaast zijn deze locaties vaak gelegen op een kantorencomplex, wat de levering van elektriciteit moeilijker maakt.

Kortom, er bestaat niet zoiets als ‘het datacenter’. Door de diversiteit in vraagstukken zal altijd een bedrijfsspecifieke benadering nodig blijven.

Daarmee is onze derde visie op de toekomst van het datacenter: er zal altijd een diversiteit in soorten en typen datacenters blijven.