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Energieeffizienz des Rechnersystems Mistral

Das DKRZ optimiert seit 2011 seine Energieeffizienz, um seiner Umweltverantwortung gerecht zu werden. So enthielt die Ausschreibung des Hochleistungsrechners Mistral die Vorgabe für einen reduzierten Energieverbrauch. Hochleistungsrechner benötigen viel Energie. Supercomputer, wie Mistral am DKRZ, verbrauchen etwa so viel Energie wie 1.000 Privathaushalte, allerdings auf einer Fläche von lediglich 200 m². Die Energie ist jedoch gut genutzt, hilft sie doch mit den damit errechneten Prognosen, Abschätzungen zu möglichen Klimaänderungen zu erstellen und dieses Wissen für Entscheidungsträger in Politik und Wirtschaft verfügbar zu machen.

Die ersten drei Betriebsjahre von Mistral zeigen, dass sich trotz einer Steigerung der Rechenleistung um den Faktor 20 und der Erhöhung der Speicherkapazität um den Faktor 10 gegenüber dem Vorgänger der Energieverbrauch nicht erhöht hat, sondern sogar jährlich eine Energiemenge von mehr als 1 GWh eingespart werden konnte. Wegen der großen Effizienzsteigerungen in der Rechentechnik ist es sowohl umwelttechnisch als auch finanziell geboten, den Hochleistungsrechner alle fünf Jahre durch einen neuen zu ersetzen.

Wesentliche Einsparungen erzielte die eingesetzte direkte Hochtemperatur-Flüssigkeitskühlung, mit der 85% der Wärmeenergie gekühlt werden, die die Rechenknoten freisetzen. Zur Kühlung werden lediglich 2% zusätzliche Energie benötigt, da diese Systeme ganzjährig freie Kühlung und keine zusätzlichen Kältemaschinen nutzen. In älteren Anlagen werden typischerweise deutlich mehr als 20% benötigt.

Schemata_Kuehlung_Mistral

Abbildung 1: Bei der direkten Hochtemperatur-Flüssigkeitskühlung wird ein Glykol-Wassergemisch verwendet, um die Wärme direkt von den Rechenknoten abzuführen. Die Kühlflüssigkeit wird anschließend auf das Dach des DKRZ-Gebäudes gepumpt und gibt dort die Wärme an die Außenluft ab. Diese Art der Kühlung ist wegen der hohen Wärmekapazität von Wasser um etwa das Zehnfache effizienter als eine herkömmliche Luftkühlung. Dadurch kann bei der neuesten Generation von Hochleistungsrechnern der Einsatz von energieintensiven Kältemaschinen stark reduziert werden.

Der PUE-Wert (Power Utilization Efficiency), der die Energieeffizienz eines Rechenzentrums angibt, liegt im Jahr 2017 für Mistral im Jahresmittel unter 1,19. Das bedeutet weniger als 19% der Energie werden zusätzlich benötigt, um die Kühlung der Rechner und die Energieversorgung sicher zu stellen.

PUE_2017

Abbildung 2: Power Utilization Efficiency (PUE) für das Jahr 2017 - Der PUE ist ein Maß für die Energieeffizienz eines Rechenzentrums. Der Wert für das DKRZ liegt im Jahresmittel unter 1,19. Das bedeutet weniger als 19% der Energie werden zusätzlich benötigt, um die Kühlung der Rechner und die Energieversorgung sicherzustellen. Für die direkt flüssigkeitsgekühlten Rechenknoten werden sogar nur etwa 2% zusätzliche Energie für die Kühlung benötigt, da diese Systeme ganzjährig in freier Kühlung ohne zusätzliche Kältemaschinen gekühlt werden können.

Das DKRZ konnte weitere Energie durch den Einsatz einer unterbrechungsfreien Stromversorgung (USV), die einen Wirkungsgrad von 98,5% hat, einsparen. Bei den meisten heute eingesetzten Anlagen liegt dieser Wert lediglich unter 95%.

Um die Energieeffizienz weiter zu steigern, wird zukünftig die Abwärme des Rechenzentrums zum Beheizen von Laboren im Nachbargebäude genutzt. Dadurch werden bis zu 30% der Abwärme wiederverwendet.

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