So entwerfen und bauen Sie ein Rechenzentrum

Ein Rechenzentrum ist das technologische Zentrum moderner Unternehmensabläufe. Das Rechenzentrum stellt die kritische IT-Infrastruktur bereit, die für die Bereitstellung von Ressourcen und Diensten für Geschäftsmitarbeiter, Partner und Kunden auf der ganzen Welt erforderlich ist.

Ein kleines oder mittleres Unternehmen kann oft mit wenigen oder gar keinen Änderungen ein nützliches „Rechenzentrum“ innerhalb eines Schranks oder eines anderen praktischen Raums einrichten. Allerdings erfordert die schiere Größe des Enterprise Computing einen großen dedizierten Raum, der sorgfältig konzipiert ist, um die Platz-, Stromversorgungs-, Kühlungs-, Verwaltungs-, Zuverlässigkeits- und Sicherheitsanforderungen der IT-Infrastruktur zu erfüllen.

Daher stellt eine Rechenzentrumsanlage den größten und teuersten Vermögenswert dar, den das Unternehmen besitzen wird – sowohl im Hinblick auf die Kapitalinvestition als auch auf die wiederkehrenden Betriebskosten. Unternehmens- und IT-Führungskräfte müssen den Problemen bei der Planung und dem Bau von Rechenzentren große Aufmerksamkeit widmen, um sicherzustellen, dass die entstehende Einrichtung den Geschäftsanforderungen während des gesamten Lebenszyklus der Einrichtung und den sich ändernden Geschäftsbedingungen entspricht.

Jedes Rechenzentrum besteht aus zwei Hauptaspekten: der Einrichtung und der IT-Infrastruktur, die sich innerhalb der Einrichtung befindet. Diese Aspekte existieren nebeneinander und wirken zusammen, sie können jedoch separat besprochen werden.

Einrichtung. Die Einrichtung ist das physische Gebäude, das für das Rechenzentrum genutzt wird. Vereinfacht ausgedrückt ist ein Rechenzentrum lediglich ein großer offener Raum, in dem die Infrastruktur bereitgestellt wird. Obwohl fast jeder Raum über das Potenzial verfügt, eine gewisse IT-Infrastruktur zu betreiben, berücksichtigt eine ordnungsgemäß konzipierte Einrichtung die folgenden Faktoren:

Infrastruktur. Eine Infrastruktur stellt die große Bandbreite an IT-Geräten dar, die in der Einrichtung eingesetzt werden. Dies ist die Ausrüstung, die Anwendungen ausführt und Dienste für das Unternehmen und seine Benutzer bereitstellt. Eine typische IT-Infrastruktur umfasst die folgenden Komponenten:

Wenn ein Unternehmen beschließt, ein Rechenzentrum zu entwerfen und zu bauen, liegt der Schwerpunkt natürlich auf der Planung und dem Bau der Anlage. Aber IT-Leiter müssen auch die Infrastruktur berücksichtigen, die in die Einrichtung eingebaut wird, um das Projekt zu validieren.

Es gibt keine erforderlichen oder verbindlichen Standards für die Gestaltung oder den Bau von Rechenzentren; Ein Rechenzentrum soll den individuellen Anforderungen des gesamten Unternehmens gerecht werden, nicht umgekehrt. Der Hauptzweck eines jeden Standards besteht jedoch darin, eine gemeinsame Plattform für bewährte Verfahren zu schaffen. Es gibt eine Reihe aktueller Standards für Rechenzentren, und ein Unternehmen kann einen oder mehrere Standards – oder Teile von Standards – in ein Rechenzentrumsprojekt integrieren. Standards tragen dazu bei, sicherzustellen, dass unter anderem diesen Faktoren angemessene Aufmerksamkeit geschenkt wird:

Nachfolgend sind nur einige der wichtigsten Design- und Infrastrukturstandards für Rechenzentren aufgeführt:

Darüber hinaus gibt es viele verschiedene regulatorische und betriebliche Standards, die auf Rechenzentren angewendet werden können. Zu den regulatorischen Standards gehören HIPAA, Sarbanes-Oxley Act, SAS 70 Typ I oder II und Gramm-Leach-Bliley Act. Zu den betrieblichen Standards können ISO 9000 für Qualität, ISO 14000 für Umweltmanagement, ISO 27001 für Informationssicherheit, der Payment Card Industry Data Security Standard für die Sicherheit von Zahlungskarten und EN 50600-2-6 für Management- und Betriebsinformationen gehören.

Standards tragen dazu bei, die ordnungsgemäße Gestaltung, den Bau und den Betrieb von Rechenzentren sicherzustellen. Darüber hinaus kann die Übernahme und sorgfältige Dokumentation der Anwendung relevanter Standards einem Unternehmen dabei helfen, durch geeignete Vorbereitungen für die Belastbarkeit der Anlagen, das Management und die Geschäftsfortführung eine angemessene Einhaltung sicherzustellen.

Im Kern ist ein Rechenzentrum kaum mehr als ein großer offener Raum – ein sorgfältig vorbereitetes Lagerhaus, das für die Unterbringung und den Betrieb anspruchsvoller IT-Infrastruktur vorgesehen ist. Obwohl ein Rechenzentrum der Enterprise-Klasse ein großes und komplexes Unterfangen sein kann, ist das wichtigste Problem einfach eine Frage der Fläche, ausgedrückt in Quadratfuß oder Quadratmetern.

Das vielleicht bedeutendste und verwirrendste Platzproblem ist die richtige Dimensionierung des Rechenzentrums für das Unternehmen. Rechenzentren sind unglaublich teuer: zu klein, und das Rechenzentrum wird möglicherweise nicht den aktuellen oder zukünftigen Geschäftsanforderungen gerecht; zu groß, und enormes Kapital kann durch die Bereitstellung ungenutzten Raums verschwendet werden. Es ist von entscheidender Bedeutung, eine Anlage zu errichten, die Wachstumskapazität bietet und gleichzeitig die Auslastung optimiert. Die Dimensionierung von Rechenzentren wird manchmal als eine Kunst für sich betrachtet. Zu den unzähligen weiteren Faktoren, die innerhalb eines Rechenzentrumsraums berücksichtigt werden müssen, gehören:

Über den physischen Raum hinaus müssen bei der Gestaltung von Rechenzentren auch die Standorte und Anordnungen der Geräte sorgfältig berücksichtigt werden – also der Ort, an dem die IT-Infrastruktur innerhalb der Einrichtung platziert wird. Das häufigste Merkmal jedes Rechenzentrumslayouts ist das Server-Rack – oder einfach Rack. Ein Rack ist ein leerer Metallrahmen mit Standardabständen und Montageoptionen, der zur Aufnahme standardisierter Rack-IT-Geräte wie Server, Speichersubsysteme, Netzwerkgeräte, Kabel, Hilfsstromsysteme wie USV-Geräte und E/A-Optionen wie z. B. dient Tastaturen und Monitore für den administrativen Zugriff.

Racks spielen auch eine wichtige Rolle bei Kühlsystemen für Rechenzentren. Gestelle mit Geräten werden üblicherweise so angeordnet, dass Warm- und Kaltgänge entstehen, die die Kühleffizienz verbessern können, indem gekühlte Luft in einen Kaltgang eingeleitet wird, die von Geräten erwärmt und in einen Warmgang geleitet wird, aus dem die erwärmte Luft effektiv entfernt werden kann das Zimmer. Die Organisation der Gänge kann auch dazu beitragen, die Einführung zusätzlicher Türen und Sicherheitsmaßnahmen an den Enden jedes Gangs zu erleichtern, um den menschlichen Zugang zu beschränken.

Die Sicherheit von Rechenzentren umfasst typischerweise die drei unterschiedlichen Aspekte Zugangssicherheit, Anlagensicherheit und Cybersicherheit.

Zugriffssicherheit. Bei jeder Diskussion über Rechenzentrumseinrichtungen muss die physische Sicherheit berücksichtigt werden. Unter physischer Sicherheit versteht man die Verwaltung des menschlichen Personals und den Schutz der physischen Anlage sowie ihrer IT-Infrastruktur. Bei richtiger Umsetzung stellt die Sicherheit sicher, dass nur autorisiertes Personal Zugang zur Anlage und Ausrüstung hat und dass alle menschlichen Aktivitäten dokumentiert werden. Sicherheit kann die folgenden Maßnahmen umfassen:

Anlagensicherheit. Die physische Sicherheit erstreckt sich auch auf die Integrität der Rechenzentrumsumgebung, einschließlich Temperatur, Luftfeuchtigkeit und Rauch-/Feuer-/Überschwemmungsbedingungen. Dieser Aspekt des Schutzes von Rechenzentren wird häufig von einem BMS übernommen, das Umgebungs- oder Notfallbedingungen überwacht und den Gebäudemanagern meldet.

Internet-Sicherheit. Cybersicherheit konzentriert sich auf die Kontrolle des Zugriffs auf Unternehmensdaten und Anwendungen, die in der IT-Infrastruktur des Rechenzentrums gehostet werden. Cybersicherheit soll sicherstellen, dass nur ordnungsgemäß authentifizierte Benutzer auf Daten zugreifen oder Anwendungen nutzen können und dass etwaige Verstöße sofort gemeldet und behoben werden. Beispielsweise verhindert die physische Sicherheit, dass ein Mensch eine Festplatte im Rechenzentrum berührt, während die Cybersicherheit verhindert, dass derselbe Mensch aus Hunderten von Kilometern Entfernung über ein Netzwerk auf Daten auf der Festplatte zugreift. Cybersicherheit nutzt eine Mischung aus Antimalware, Konfigurationsmanagement, Erkennung/Verhinderung von Eindringlingen, Aktivitätsprotokollierung und anderen Tools, um die Netzwerkaktivität zu überwachen und potenzielle Bedrohungen zu identifizieren.

Die Stromversorgung stellt für jedes Rechenzentrum der Enterprise-Klasse eine ständige Herausforderung dar. Eine große Anlage kann etwa 100 Megawatt verbrauchen – genug, um rund 80.000 Haushalte mit Strom zu versorgen – und der Strom stellt den größten Betriebsaufwand für ein Rechenzentrum der Enterprise-Klasse dar. Daher stellen Betreiber von Rechenzentren folgende Anforderungen an die Stromversorgung:

Diese Probleme werden zunehmend mit lokal erzeugten und zunehmend erneuerbaren Optionen angegangen, darunter Wind-, Solar- und Vor-Ort-Erzeugung.

Damit ein Unternehmen jedoch die Stromversorgungsprobleme eines Rechenzentrumsstandorts verstehen kann, ist es wichtig, dass Rechenzentrumsdesigner und IT-Leiter den Strombedarf der Einrichtung und ihrer IT-Infrastruktur berechnen. Dieser Benchmark ermöglicht es einem Unternehmen, die ungefähren Stromkosten zu verstehen und die Kapazität mit regionalen Versorgungsunternehmen zu besprechen.

Es gibt kein einheitliches Mittel zur Schätzung des Energiebedarfs. Für die Anlage ist der Stromverbrauch eine einfache Schätzung des Beleuchtungs- und HVAC-Bedarfs. Der Strombedarf der IT-Infrastruktur kann komplizierter sein, da der Strombedarf der Server je nach Arbeitslast schwankt – also wie viel Arbeit die Anwendungen leisten – und der Konfiguration jedes Servers, einschließlich der Auswahl von CPU, installiertem Speicher und anderen Erweiterungsgeräten, wie z GPUs.

Herkömmliche Leistungsschätzungen umfassen Rack-basierte und Typenschild-basierte Ansätze.

Der Rack-basierte Ansatz weist im Allgemeinen eine standardisierte Schätzung der Leistung pro Rack zu. Beispielsweise könnte ein IT-Leiter eine Schätzung von 7 kW bis 10 kW pro Rack vorgeben. Wenn das Rechenzentrum den Einsatz von 50 Racks plant, beträgt die geschätzte Leistung ein einfaches Vielfaches. Ein ähnlicher Ansatz ist eine allgemeine Schätzung des Rechenzentrums in Watt pro Quadratfuß (W/ft2). Da dieser Ansatz jedoch wenig Rücksicht auf die in jedem Rack installierte Ausrüstung nimmt, ist er häufig die ungenaueste Methode zur Leistungsschätzung.

Der auf dem Typenschild basierende Ansatz ermöglicht es IT-Leitern, den auf dem Typenschild jedes Servers oder anderen IT-Geräts aufgeführten Strombedarf zu addieren. Dies ist ein detaillierterer Ansatz und kann in der Regel zu besseren Schätzungen führen. Dennoch kann der auf dem Typenschild jedes Geräts angegebene Strombedarf bekanntermaßen ungenau sein und berücksichtigt nicht die tatsächliche Arbeit, die das Gerät leistet.

Ein neuerer Ansatz besteht darin, tatsächliche Leistungsmessungen pro Server zu verwenden, die mit IT-Stromverarbeitungsgeräten wie intelligenten Stromverteilungseinheiten (PDUs) in jedem Rack durchgeführt werden. Tatsächliche Messungen können die genauesten Schätzungen liefern und Rechenzentrumsbetreibern ein besseres Gefühl dafür geben, wie Strombedarf und -kosten je nach Arbeitslast schwanken können.

Schließlich wird es bei der Stromerzeugung und -verteilung zwangsläufig zu gelegentlichen Unterbrechungen kommen, weshalb Rechenzentren über eine oder mehrere Optionen für redundante oder Notstromversorgung verfügen müssen. Je nachdem, vor welchen Problemen sich das Unternehmen schützen möchte, können mehrere Schichten sekundärer Stromversorgung eingerichtet werden.

Auf Anlagenebene kann ein Rechenzentrum diesel- oder erdgasbetriebene Notstromgeneratoren integrieren, die den Betrieb der gesamten Anlage langfristig gewährleisten. Die Notstromversorgung kann durch lokale erneuerbare Energiequellen wie Solar- oder Windparks ergänzt werden. Auf der Ebene der IT-Infrastruktur können Racks USV-Optionen integrieren, die kurzfristige Batterie-Backups bereitstellen, um ein ordnungsgemäßes Herunterfahren des Systems zu ermöglichen, wenn Stromunterbrechungen unvermeidbar werden.

Der an ein Rechenzentrum gelieferte Strom wird in von der IT-Infrastruktur geleistete Arbeit sowie in ein unerwünschtes Nebenprodukt umgewandelt: Wärme. Diese Wärme muss von Servern und Systemen abgeführt und anschließend aus dem Rechenzentrum abgeleitet werden. Daher sind Kühlsysteme für Entwickler und Betreiber von Rechenzentren von entscheidender Bedeutung.

Es gibt zwei Hauptprobleme bei der Kühlung. Das erste Problem ist die erforderliche Kühlmenge, die letztendlich die Größe oder Kapazität der HVAC-Subsysteme des Rechenzentrums bestimmt. Allerdings müssen Designer den Leistungsbedarf des Rechenzentrums in Watt (W) in die Kühlkapazität in Tonnen (t) umrechnen – also die Menge an Wärmeenergie, die erforderlich ist, um eine Tonne Eis bei 32 Grad Fahrenheit in einer Stunde zu schmelzen . Die typische Berechnung erfordert zunächst die Umrechnung von Watt in British Thermal Units (BTU) pro Stunde, die dann in Tonnen umgerechnet werden können:

B x 3,41 = BTU/Stunde

BTU/Stunde / 12.000 = t

Der Schlüssel liegt darin, den Leistungsbedarf des Rechenzentrums in Watt und die geplante Skalierbarkeit zu verstehen. Daher ist es wichtig, das Kühlsubsystem des Gebäudes richtig zu dimensionieren. Wenn das Kühlsystem zu klein ist, kann das Rechenzentrum nicht die erwartete Menge an IT-Infrastruktur aufnehmen oder skalieren. Wenn das Kühlsystem zu groß ist, stellt es einen kostspieligen und ineffizienten Nutzen für das Unternehmen dar.

Das zweite Kühlproblem für Rechenzentren ist die effiziente Nutzung und Handhabung gekühlter und erwärmter Luft. In einem gewöhnlichen menschlichen Raum führt das bloße Einleiten gekühlter Luft aus einer Lüftungsöffnung und das anschließende Ausstoßen erwärmter Luft aus einer anderen Lüftungsöffnung an einer anderen Stelle im Raum zu einer Vermischung und Temperaturmittelung, die für ein angemessenes menschliches Wohlbefinden sorgt. Dieser übliche Heim- und Büroansatz funktioniert jedoch nicht gut in Rechenzentren, wo Geräte-Racks in konzentrierten Räumen extreme Hitze erzeugen. Racks mit extrem heißer Ausrüstung erfordern eine sorgfältige Anwendung gekühlter Luft sowie eine gezielte Eindämmung und Entfernung der erhitzten Abgase. Konstrukteure von Rechenzentren müssen darauf achten, die Vermischung von heißer und kalter Luft zu vermeiden, die in klimatisierten Räumen für Menschen ein angenehmes Klima gewährleistet.

Planer befassen sich routinemäßig mit der Luftbehandlung von Serverräumen durch den Einsatz von Eindämmungssystemen, wie z. B. Warmgang-/Kaltgang-Layouts. Stellen Sie sich zwei Reihen von Geräteträgern vor, deren Rückseiten einander zugewandt sind (siehe zweites Diagramm unten). Kalte Luft aus dem HVAC-System wird in die Gänge vor jeder Regalreihe eingeleitet, während die erwärmte Luft gesammelt und aus dem gemeinsamen Warmgang abgeführt wird. Zusätzliche physikalische Barrieren sollen verhindern, dass sich die erwärmte Luft mit der gekühlten Luft vermischt. Solche Eindämmungssysteme ermöglichen eine sehr effiziente Nutzung der HVAC-Kapazität.

Andere Ansätze zur Kühlung umfassen End-of-Rack- und Top-of-Rack-Klimaanlagen, die gekühlte Luft in Teile einer Rackreihe einleiten und erwärmte Luft in heiße Gänge abführen.

Einige Rechenzentren nutzen sogar neue Flüssigkeitskühlungstechnologien, bei denen IT-Geräte in Bäder mit gekühlten, elektrisch neutralen Flüssigkeiten wie Mineralölen getaucht werden. Der Flüssigkeitskühler ist klein und energieeffizient, und Flüssigkeiten können eine um ein Vielfaches höhere Wärmeübertragungseffizienz bieten als Luftkühlung. Die Flüssigkeitskühlung steht jedoch vor anderen Herausforderungen, darunter Lecks/Überschwemmungen, Teilekorrosion oder Anfälligkeit für das Eindringen von Flüssigkeiten, Flüssigkeitsfilterung und -sauberkeit sowie die Sicherheit von Menschen.

Die heutigen Bedenken hinsichtlich der Umweltauswirkungen der CO2-Emissionen bei der Stromerzeugung haben viele Unternehmen dazu veranlasst, neuen Wert auf die Effizienz und Nachhaltigkeit des Rechenzentrums zu legen.

Effizienz ist im Wesentlichen ein Maß für die geleistete Arbeit im Vergleich zur Menge an Energie, die für diese Arbeit aufgewendet wird. Wenn die gesamte zugeführte Energie erfolgreich in nutzbare Arbeit umgewandelt wird, beträgt der Wirkungsgrad 100 %. Wenn keine dieser zugeführten Energien zu einer erfolgreichen Arbeit führt, beträgt der Wirkungsgrad 0 %. Unternehmen streben danach, die Effizienz auf 100 % zu steigern, sodass jeder Dollar, der in Energie investiert wird, in sinnvolle Arbeit im Rechenzentrum mündet.

Maßnahmen wie die Power Usage Effectiveness (PUE) stehen zur Verfügung, um Unternehmen bei der Messung der Effizienz zu unterstützen. PUE wird berechnet als die in das Rechenzentrum eingespeiste Leistung dividiert durch die in der IT-Infrastruktur verbrauchte Leistung. Dies ergibt ein einfaches Verhältnis, das sich 1,0 nähert, wenn die Effizienz 100 % erreicht, und der entsprechende Prozentsatz wird als Effizienz der Rechenzentrumsinfrastruktur ausgedrückt. Unternehmen können das PUE-Verhältnis verbessern, indem sie die Energiemenge bei Nicht-IT-Anwendungen reduzieren, z. B. indem sie die Beleuchtung und Kühlung in Nicht-IT-Räumen reduzieren und andere energieeffiziente Gebäudedesigns implementieren.

Nachhaltigkeit ist ein weiteres Anliegen. Die Stromerzeugung erzeugt Umweltverschmutzung, von der man annimmt, dass sie den Klimawandel vorantreibt und die Gesundheit des Planeten beeinträchtigt. Die Schaffung eines nachhaltigen oder umweltfreundlichen Rechenzentrums bedeutet, bei der Energie, die Rechenzentren antreibt, Netto-CO2-Emissionen von Null anzustreben. Netto-Null bedeutet, dass Energie aus erneuerbaren Quellen gewonnen wird, die der Atmosphäre kein CO2 zuführen.

In manchen Fällen kann sich das Unternehmen dafür entscheiden, sich dem Netto-Nullpunkt zu nähern, indem es Strom aus umweltfreundlichen Quellen wie Solar- oder Windparks nutzt. In anderen Fällen kann Strom von Stromanbietern gekauft werden, die in der Lage sind, eine entsprechende Menge an CO2, die bei der Energieerzeugung ausgestoßen wird, aufzufangen oder zurückzugewinnen, was zu Netto-Null-Emissionen führt. Um Netto-Null zu erreichen, müssen Unternehmen Energieeinsparung, Energieeffizienz – wie etwa PUE-Initiativen – und erneuerbare, umweltfreundliche Energiequellen nutzen.

Es gibt keine einheitliche Möglichkeit, ein Rechenzentrum zu entwerfen, und es gibt unzählige Designs, die auf die individuellen Anforderungen jedes Unternehmens zugeschnitten sind. Die folgenden Strategien können jedoch zu einem Rechenzentrumsdesign mit höchster Effizienz und Nachhaltigkeit führen:

Obwohl es keine einheitliche Formel für die Planung und den Bau von Rechenzentren gibt, stehen die Planer und Betreiber von Rechenzentren immer wieder vor zahlreichen Herausforderungen. Im Folgenden sind einige allgemeine Überlegungen und Herausforderungen aufgeführt:

Rechenzentren sind komplexe Organismen, die eine kontinuierliche Überwachung und Verwaltung sowohl auf der Ebene der Einrichtung als auch der IT-Infrastruktur erfordern. Betreiber von Rechenzentren nutzen in der Regel DCIM-Tools, um einen Einblick in den Betrieb der Anlage und der Infrastruktur zu erhalten. Zu den allgemeinen Verwaltungsaufgaben, die für den Betrieb eines Rechenzentrums erforderlich sind, gehören die folgenden:

Das Management ist ein zentrales Element der Business Service Assurance und Service Level Agreements (SLAs). Viele Rechenzentren sind an irgendeine Form von SLA gebunden – entweder an interne Abteilungen oder Abteilungen oder an externe Geschäftspartner und Kunden. Überwachung und Management mit DCIM und anderen Tools sind unerlässlich, um die Einhaltung eines SLA zu gewährleisten oder SLA-Verstöße zu identifizieren, die umgehend isoliert und behoben werden können. Darüber hinaus trägt eine umfassende Überwachung und Verwaltung dazu bei, die Geschäftskontinuität und Notfallwiederherstellung sicherzustellen, was für die heutigen gesetzlichen Compliance-Verpflichtungen von entscheidender Bedeutung sein kann.