Microsofts grünes Rechenzentrum

Datacenter und Serverräume werden immer mehr zu großen Energiekonsumenten. Eine Studie der US-Umweltschutzbehörde EPA, die kürzlich dem amerikanischen Kongress vorgelegt wurde, spricht davon, dass die in dem Land vorgehaltenen IT-Kapazitäten 2006 rund 61 Milliarden Kilowattstunden Strom geschluckt hätten – 1,5 Prozent des gesamten Verbrauchs in dem Land. Kein Wunder, dass es inzwischen zahlreiche Forschungsprojekte gibt, die versuchen, das Problem anzugehen. Bei Microsoft Research arbeitet die Network Embedded Computing-Gruppe an einem interessanten Projekt, bei dem auf ein zweistufiges Modell zurückgegriffen werden soll. Idee eins: Neue Algorithmen machen es möglich, Server von Last zu befreien und sie in einen Schlafmodus zu versetzen. Idee zwei: Sensoren bestimmen, welche Server am besten abgeschaltet würden – und zwar basierend auf den Umgebungsbedingungen in den verschiedenen Bereichen des Serverraums.

Werden dabei besonders heiße "Hotspots" eliminiert und die Anzahl aktiver Server auf ein Minimum heruntergeschraubt, glauben die Forscher an eine Energieeinsparung von bis zu 30 Prozent. Die Sensoren, erläutert Studienleiter Feng Zhao, reagierten genauso auf Hitze wie auf Feuchtigkeit. Sie besitzen eine Internet-Anbindung und können vernetzt und zu Web-Diensten zusammengefügt werden. Zhao wünscht sich dabei "eine neue Art von wissenschaftlichem Instrument" für den Serverraum, das sich auch bei anderen Projekten nutzen lasse. Erste Prototypen existieren bereits.

In einem Rechenzentrum können die Eigenheiten des Gebäudes und die der einzelnen Server große Auswirkungen darauf haben, wie die Kühlsysteme arbeiten – mit direktem Effekt auf den Energieverbrauch. Rund die Hälfte des Stroms geht dabei für Lüfter & Co. drauf. Zhao glaubt außerdem, dass solche Sensoren, die sich in Massenproduktion für fünf bis zehn Dollar verkaufen ließen, auch für Wohnräume geeignet sind, wo sie dann in Verbindung mit Web-basierten Energiesparlösungen eingesetzt werden könnten.

Lin Xiao, Kollege von Zhao bei dem Projekt, sieht viele Vorteile auch in neuen Algorithmen, die die Lastverteilung verbessern. Traditionell sorgen "Loadbalancing"-Technologien dafür, dass der Datenverkehr über eine Anzahl von Servern immer gleichmäßig verteilt wird. Das Microsoft-System verteilt die Last hingegen in ruhigeren Zeiten so, dass nur bestimmte Maschinen die Aufgaben übernehmen und der Rest sich dann "schlafen legen" kann. Derzeit ist der Algorithmus für Kommunikationsserver angepasst, etwa IM-Dienste oder Multiplayer-Spiele. Weil hier lange Sitzungen der Normalfall sind, wird das Umleiten der Last nochmals schwieriger – die Verbindung darf nicht unterbrochen werden. Das erfordert eine gute Vorbereitung. Laut Xiao wurden deshalb zwei Algorithmenarten entwickelt: Einer für die vorhergesagte Last, der ein paar Stunden im Voraus ermitteln kann, wie viele Server man später braucht – und eine Lastverschiebungstechnik, die den Datenverkehr je nach Vorhersage verteilt und die leeren Server dann abschaltet.

Das Schöne an dem System sei das gute Ineinandergreifen, sagt Xiao. Die Sensoren beobachteten die Server auch, um sicherzustellen, dass sie nicht "überkühlt" werden – in Rechenzentren ein Standardproblem, weil viele Administratoren sehr locker mit der Klimaanlage umgehen und lieber mehr kühlen als notwendig. Die Sensoren halten deshalb nach Hotspots Ausschau, wo es wirklich zu heiß wird. Die Informationen werden dann benutzt, um eventuelle Lastverschiebungen zu starten. Zu wissen, dass man 400 Server herunterfahren muss, sei eine Sache, sagen die Microsoft-Forscher. Durch die Sensoren dabei Hilfe zu bekommen, welche Maschinen am wenigsten belastet werden, die andere.

Jonathan Koomey, Forscher am Lawrence Berkeley National Laboratory und Autor mehrerer Beiträge zum Energieverbrauch von Rechenzentren, hält solche und ähnliche Arbeiten für einen ersten Schritt in Richtung eines Gesamtbildes, das die Betreiber großer Serverfarmen benötigten. "Bei den großen Mitspielern in diesem Markt konzentriert man sich zunehmend darauf, an einen Punkt zu kommen, an dem man die Last verteilen kann – und zwar nicht nur auf Basis der aktuellen Strompreise, sondern auch anhand des Wetters und anderer Merkmale." Auf längere Sicht sei auch denkbar, dass diese Technik nicht nur in einem einzigen Rechenzentrum verwendet werde, sondern ganze Regionen erfasse.

Die Microsoft-Forscher ließen eine Simulation mit Daten des Instant-Messaging-Dienstes Windows Live Messenger laufen und fanden dabei heraus, dass ihr System rund 30 Prozent Energieeinsparungen liefern könnte – je nach physischer Struktur des Rechenzentrums und der Konfiguration der Systeme. Zhao sagt, dass die Einsparungen auch damit zusammenhängen, wie Nutzer mit dadurch notwendigen Einschränkungen umgehen. Dazu gehören unerwartete Dinge wie Lastspitzen, die ebenfalls modelliert werden müssen. Ein Anwender könne dann entscheiden, ob er mehr Server bereithalte, als grundsätzlich notwendig, um Reserven zu haben – was dann eben zusätzlich Strom koste. "Unsere Methode zeigt auf, wenn es einen Zusammenhang zwischen Energieeinsparung und eingeschränkter Performance gibt, und überlässt dem Nutzer dann, die richtige Balance zu finden."

Andere Forscher arbeiten an Techniken, mit denen Server zu optimalen Zeiten heruntergefahren werden können. Die Microsoft-Arbeit unterscheidet sich davon allerdings, weil sie sich an Kommunikationsservern orientierte, die mit Lastveränderungen rechen müssen, weil der Nutzer typischerweise stundenlang online bleibt.

"Server werden nur zu rund 15 Prozent der Zeit mit ihrer Maximalrechenleistung verwendet. Das heißt, dass da jede Menge totes Kapital herumliegt", meint Koomey. Er erwartet, dass Firmen bald genügend Motivation zeigten, Forschungserkenntnisse wie die von Microsoft umzusetzen, weil sich diese brachliegenden Ressourcen dann nutzen ließen. "Energie und Rechenleistung zu verschwenden ist einfach schlecht fürs Geschäft." (bsc)