Forschung­sarbeiten zum Rechenzentrums­betrieb

Plenums-Konzept

Das Plenums-Konzept für das LZR der TU Dresden wird unterschiedlichsten Anforderungen gerecht: höchste Leistungsdichten für warmwassergekühlte Hochleistungsrechner, Skalierbarkeit von Luftkühlung, hohe Verfügbarkeit für sensible IT-Systeme, maximale Energieeffizienz, Abwärmenachnutzung und langfristig flexible Nutzbarkeit. Die architektonische Umsetzung eines grundlegend neuen Raumkonzeptes ermöglicht dank horizontaler Schichtung der Funktionszonen die Trennung von IT- und grober Infrastruktur für hohe Betriebssicherheit und Wartungsfreundlichkeit. Eine flexible Unterteilung der IT-Fläche bietet hohe Freiheitsgrade für haustechnische Installationen wie Wasserkühlung und sonstige Medienführungen inkl. Umbauten im laufenden Betrieb sowie die Möglichkeit zur Anpassung an sich wandelnde Anforderungen der Nutzer. Flexibilität führt als wichtiger Nachhaltigkeitsfaktor zu einer langfristig effizienten Nutzung der eingesetzten Ressourcen. Das ZIH und die Generalplaner der ARGE Informatik haben 2014 ihr Plenums-Konzept für den Rechenzentrumsneubau der TU Dresden in der Kategorie „Energie- und Ressourcen-effiziente Rechenzentren“ für den Deutschen Rechenzentrumspreis der Fachausstellung „future thinking“ eingereicht und belegten damit den ersten Platz (Pressemitteilung).

Effiziente und betriebssichere Luftkühlung mit hoher Leistungsdichte

Die lufgekühlten Rechnerräume im LZR sind aus modularen Warmgang-Clustern aufgebaut, die jeweils aus 24 eingehausten Racks bestehen und für die Kühlung von bis zu 300 kW Wärmelast ausgelegt sind. Dafür wurde ein weltweit einzigartiges, am ZIH entwickeltes Konzept für die Aufstellung der Umluftkühlgeräte (ULKG) im Plenum direkt unterhalb des Warmgangs umgesetzt. Neben der hohen Leistungsdichte bei gleichzeitiger physischer Trennung der sensiblen Informationstechnik von der Kühlungsinfrastruktur ist vor allem die besonders effiziente Luftführung über große freie Querschnitte hervorzuheben, die maßgeblich zur Minimierung des Energiebedarfs für den Kühllufttransport beiträgt. Im Rahmen einer Studie in einem der Rechnerräume konnte der praktische Nachweis für die zuverlässige Funktion dieses innovativen Konzepts bei Leistungsdichten von über 20 kW pro Rack (500 kW im Warmgang) erbracht werden. In Kooperation mit dem ULKG-Hersteller erfolgte zudem eine Optimierung der individuellen Regelungsstrategieen für die bedarfsgerechte Steuerung von Kühlluft-Temperatur und -Volumenstrom unter Berücksichtigung wichtiger Aspekte wie Redundanz, schwankenden Wärmelasten (Kaskadierung von ULKG) und Wiederanlauf nach Umschaltung auf Netzersatzanlage. Die Ergebnisse der Studie wurden in der Publikation "Evaluation of a new data center air-cooling architecture: The down-flow Plenum" (s.u.) veröffentlicht.

Messen, speichern, optimieren

Über das BACnet-basierte Gebäudeautomationssystem im LZR hat das ZIH Zugriff auf über 25.000 Datenpunkte, von denen ca. 2.000 mit zeitlichen Auflösungen von bis zu einem Messwert pro Sekunde aufgezeichnet werden. Neben diesen ca. 250 GB Messdaten pro Jahr werden Tausende weitere Datenpunkte aus den IT-Systemen erfasst. Für die Nutzung dieser Daten zu Forschungszwecken sowie für die Optimierung von Energieeffizienz und Betriebssicherheit entwickelt das ZIH geeignete Software-Werkzeuge. Zusätzliches Optimierungspotenzial erschließt der Datenaustausch in die umgekehrte Richtung - also aus den IT-Systemen (z.B. die Ventilstellung der wassergekühlten Racks der Hochleistungsrechner) in die Gebäudeautomation. Im Rahmen von Kooperationen (z.B. mit dem Forschungsprojekt CAMPER) werden in studentischen Arbeiten Möglichkeiten für die weitere Effizienzoptimierung evaluiert, beispielsweise innovative Konzepte zur Abwärmenutzung.

ZIH-Kontakt

Daniel Hackenberg

Publikationen

• Daniel Hackenberg. "Ein Beitrag zum energie- und kostenoptimierten Betrieb von Rechenzentren mit besonderer Berücksichtigung der Separation von Kalt- und Warmluft", Dissertation, 2021

• Daniel Hackenberg, Michael K. Patterson. "Evaluation of a new data center air-cooling architecture: The down-flow Plenum", In: IEEE Intersociety Conference on Thermal and Thermomechanical Phenomena in Electronic Systems (ITherm), 2016. DOI: 10.1109/ITHERM.2016.7517576

• Daniel Hackenberg. "The Plenum concept: Improving scalability, security, and efficiency for data centers", In: IEEE Intersociety Conference on Thermal and Thermomechanical Phenomena in Electronic Systems (ITherm), 2014. DOI: 10.1109/ITHERM.2014.6892408