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SPEICHERSUCHE

Technischer Leitfaden

Benchmark Stromverbrauch

Weltweit steigende Energiekosten und eine 2,5%-ige Zunahme des Energieverbrauchs im Jahr 2011 machen eine Maßnahmen gegen die ausufernde Verbreitung von Servern erforderlich. Als erfolgreich haben sich hier höhere Speicherkapazitäten und Speichermodule mit höherer Frequenz erwiesen, mit denen Server bedarfsorientiert mit niedrigerem Stromverbrauch laufen. [1]

Abb. 1 – Weltweiter Verbrauch von Primärenergien [1]

Abb. 2 – Typischer Stromverbrauch durch Büroausstattung [2]

Wie aus Abb. 2 ersichtlich, verbrauchen Server aufgrund ihrer, im Verhältnis zu einem Standard-Desktop-PC oder tragbaren Computer, erhöhten Verarbeitungsleistung typischerweise den meisten Strom aller Computerplattformen in einem Unternehmen.

Bei gleichzeitiger Erfüllung steigender Client-Computing-Anforderungen spielt deshalb die Konfiguration der Serverkomponenten eine wichtige Rolle bei der Reduzierung des Stromverbrauchs. [2]

Abb. 3 – Durchschnittlicher Stromverbrauch eines Systems [3]

Für die Einschätzung des Stromverbrauchs von Servern müssen die Komponenten wie in Abb. 3 aufgeschlüsselt werden. Der Arbeitsspeicher kann dabei als drittgrößter Stromkonsumenten identifiziert werden [3]

Unternehmen suchen nach Lösungen, um die steigenden Energiekosten und niedrigeren Verbrauchstoleranzen zu bekämpfen. Dazu konsolidieren Unternehmen ihre Server, um deren Multi-Core-Prozessarchitektur und Möglichkeiten zur Speicheradressierung effizient zu nutzen und verwenden dabei Virtualisierung, um ihre Server das ganze Jahr über rund um die Uhr mit höchster Leistung zu betreiben.

Ausgewogenheit in der Zuweisung des Zielspeichers, Überbeanspruchung von Hostspeichern durch virtuelle Maschinen im Vergleich zur Effizienz, und äußerst wichtig, zu welchen Kosten diese Ressourcen für das Unternehmen verwendet werden, wirken sich auf die Gesamtbetriebskosten (TCO) und die allgemeine Service-Qualität (QoS) für den Kunden aus. [4]

Durch die Beachtung der drei nachstehenden Regeln können wir den Stromverbrauch problemlos reduzieren und haben gleichzeitig bessere Möglichkeiten neue und bestehende Server dem Bedarf stufenförmig anzupassen.

1. Weniger DIMMs (Dual Inline Memory Module) verbrauchen weniger Strom – installieren Sie die niedrigste Anzahl DIMMs zum Abdecken des Speicherbedarfs Ihrer Anwendung.

2. Quad-Rank-DIMMs verbrauchen weniger Strom je Gigabyte (GB) als alle anderen DIMM-Arten.

3. Weitere Stromeinsparungen erreichen Sie durch Serverkonfiguration der Speicherfrequenz auf die niedrigstmögliche Taktgeschwindigkeit.

Die folgenden Ergebnisse wurden zu Analysezwecken zusammengestellt, um die Staffelung des Stromverbrauchs bei neueren Servergenerationen , die mit DRAM (Dynamic Random Access Memory) DDR3-Technologie arbeiten, zu demonstrieren.

Stromverbrauch je Speicherbank

In Abb. 4 wird zum Nachweis des erhöhten Stromverbrauchs in Watt (W) in einem PassMark® BurnInTest 7.1 Pro mit einem Hewlett-Packard iLO Management Engine der gesamte Stromverbrauch einer Intel® Romley Serverplattform in Dual-Rank-Speicherkonfiguration, unter Verwendung von 1 DPC (DIMM je Kanal), 2 DPC und zuletzt von 3 DPC, in drei Szenarien unter Belastung gemessen. [5] [6]

Abb. 4 – Gesamtstromverbrauch je DPC unter voller Speicherlast*

Wie vorhergesehen, erhöht das Hinzufügen von mehr DIMMs je Kanal sowohl den Gesamtstromverbrauch des Servers als auch die gesamte Speicherkapazität, wobei jedoch kein weiteres Upgrade möglich ist, da nun alle Speichersockel bestückt sind.

Durch Hinzufügen einer zweiten Speicherbank je Prozessor (2DPC) erhöht sich der Strombedarf um ca. 10,5 Prozent, und bei einer dritten um ca. 5 Prozent.

Der Gesamtstromverbrauch und die Gesamtbetriebskosten (TCO) erhöhen sich proportional mit jedem weiteren DPC-Upgrade eines Servers nach dem ersten DPC. Wenn alle drei DPC bestückt sind, gibt es keine weiteren Möglichkeiten für ein Speicher-Upgrade, um steigenden Clientbedarf zu decken.

Stromverbrauch – Dual-Rank im Vergleich zu Quad-Rank

Als Alternative zum Upgrade nach dem ersten DPC bietet sich der Austausch der gesamten Speicherkonfiguration mit Quad-Rank-konfigurierten Speicher-DIMMS an, die mit 800MHz Speicherfrequenz laufen. Dies ermöglicht eine größere Speicherkapazität, bis zum zweifachen der 2-DPC-Konfiguration in Abb. 4, während automatisch auf 1,35V umgestellt wird, was zum Verbrauch von nur 2 Watt mehr Strom führt. Dies entspricht einem um ca. 4 % niedrigeren Stromverbrauch unter Belastung im Vergleich zu dem in Abb. 5 gezeigten System mit 384GB Speicherkapazität, das mit 3 DPC bestückt ist.

Durch die Verwendung von Quad-Rank-Modulen erhalten wir nicht nur mehr adressierbare Speicherkapazität je Server, sondern auch eine Verminderung des Stromverbrauchs unter Belastung und dadurch eine zusätzliche Energieeinsparung.

Abb. 5 – Gesamtstromverbrauch des Servers bei Einsatz von Dual-Rank anstatt von Quad-Rank unter voller Speicherlast*

Stromverbrauch bei ähnlichen Speicherkapazitäten

Am wichtigsten ist wohl die Erstausstattung eines Servers, da dieser für die vorhergesehene Arbeitsauslastung vorkonfiguriert werden muss. Bei einigen Servern helfen zwar unmittelbare Upgrades auf entweder die maximale Speicherkapazität oder Frequenz am meisten, um den unterschiedlichen Arbeitsauslastungen gerecht zu werden, jedoch kann die Vorausberechnung der Speicheranforderungen schwierig sein, wenn die Höhe der Stromeinsparungen nicht bekannt ist.

In Abb. 4 veranschaulichen wir den Stromverbrauch eines Einzelservers mit DDR3-1600 Dual-Rank- und DDR3-1066 Quad-Rank-Speicher mit 256GB, der mit zwei unterschiedlichen Frequenzen läuft, einer höheren Leistung mit 1.600 MHz und einer energiesparenden Leistung mit 1.066 MHz.

In der Quad-Rank-Speicherbestückung hat der Server ein Upgrade-Potenzial von 512GB, sollte sich der Bedarf in der Zukunft erhöhen, während das direkte Upgrade-Potenzial in der Dual-Rank-Speicherbestückung auf 384GB beschränkt ist.

Abb. 6 – Gesamtstromverbrauch des Servers bei Einsatz von Dual-Rank anstatt von Quad-Rank unter voller Speicherlast*

In der Erstkonfiguration eines 1U-Blade-Servers mit Quad-Rank- anstelle von Dual-Rank-Modulen von bis zu 256GB wird der Stromverbrauch des Systems unter Last um 13W reduziert, was 6 Prozent des gesamten Serverstromverbrauchs bei Bestückung mit Dual-Rank-Modulen entspricht.

Die Pacific Gas and Electric Company hat den Stromtarif für Gewerbekunden im Staat Kalifornien, USA, für den Sommer 2013 auf ca. 21c/kWh (US-Cents je Kilowattstunde) festgelegt. Unter Zugrundelegung dieses Tarifs bedeutet eine Einsparung im Stromverbrauch um 13 Watt für den 24 Stunden täglichen Lauf des Servers unter voller Last eine Reduzierung der Serverbetriebskosten von 33,26 USD je Monat (5.28 kWh je Tag x 30 Tage x 21C) auf 31,30 USD je Monat (4.968 kWh je Tag x 30 Tage x 21C), was einer 6-prozentigen Kosteneinsparung je Monat und Server entspricht! [7]

Bei einem Einsatz von zweiunddreißig 1U-Servern in einem standardmäßigen 42U-Rack und unter ausschließlicher Verwendung von unter voller Last laufenden Quad-Rank- Speichermodulen, werden so viele Watt eingespart, dass die Differenz im Stromverbrauch ausreicht, um zwei der 1U-Server zu betreiben. Alternativ kann die Einsparung, je nachdem, ob das Rack an einem Warm- oder Kaltgang installiert ist, der Kühlung zugewiesen werden.

Stromverbrauch im Leerlauf

In einigen Szenarien laufen nicht alle in einem Rack installierten Server täglich 24 Stunden unter voller Last. In diesem Fall verbrauchen sie möglicherweise mehr Strom im Leerlauf oder bei geringvolumiger Verarbeitung in bestimmten Tagesphasen, wie beispielsweise für den Ausgleich von Last in einem Failover-Cluster.

In diesen Fällen kann die Verwendung eines Quad-Rank-Speichers zu einer Verringerung des Stromverbrauchs auf bis zu 9W im Verhältnis zu einem mit einer ähnlichen Dual-Rank-Speicherkapazität ausgestatteten Server führen, der sich wie in der nachstehenden Abb. 7 gezeigt, im Leerlauf befindet.

Abb. 7 – Gesamter Serverstromverbrauch unter Last und im Leerlauf*

Bei einem Stromtarif von 21c/kWh, reduziert die Einsparung von insgesamt 9 Watt Strom für das System die Betriebskosten für den Server im Leerlauf 24 Stunden täglich von USD 23,59 je Monat (3.744 kWh pro Tag x 30 Tage x 21C) auf USD 22.23 je Monat (3.528 kWh pro Tag x 30 Tage x 21C), was eine Kosteneinsparung von 6% pro Monat und Server bedeutet! [7]

Wenn man die elektrischen Betriebskosten über die Lebensdauer eines Einzelservers von 3, 5 oder 10 Jahren unter Zugrundelegung des aktuellen Stromtarifs hochrechnet, können wir erkennen, dass effektiv die Kosten für einen weiteren Server in Multi-Server-Szenarien durch den reduzierten Stromverbrauch des Servers durch Verwendung von Quad-Rank-Speichermodulen amortisiert werden.

Abb. 8 – Mit 21c/kWh über eine typische Serverlebensdauer* von 3, 5 oder 10 Jahren hochgerechnete Serverbetriebskosten

Zusammenfassung

Unter Anwendung der Formel in Abb. 9 und des integrierten Servermanagement-Tools werden die Kosten für jeden beliebigen Server in einem Unternehmen durch Multiplizieren der Wattzahl des vom System verbrauchten Stroms mit der aktiven Zeit in Stunden je Tag (d. h. 0,5 Std für 30 Minuten) berechnet. Die Summe wird durch den Wert 1000 (Kilo) dividiert, um die vom System verbrauchten Kilowattstunden für einen bestimmten Zeitraum des Tages (d. h. 30 Minuten) zu erhalten.

Abb. 9 – kWh-Formel

Durch Multiplizieren dieses Wertes mit den Tagen eines Monats oder Jahres, in dem das System aktiv ist, können die langfristigen Betriebskosten für das System auf Basis des aktuellen oder erwarteten künftigen Stromtarifs, wie in Abb. 10 und 11 gezeigt, hochgerechnet werden.

Abb. 10 – Betriebskosten je Monat

Abb. 11 – Betriebskosten pro Jahr

Unter Zugrundelegung der vorstehenden Ergebnisse sind Quad-Rank-Speichermodule je Gigabyte energiesparender als Dual-Rank-Speichermodule und erlauben zu einem späteren Zeitpunkt direkte Speicherupgrades zur Reduzierung des Gesamtstromverbrauchs bei gleicher Speicherkapazität.

Sie sind deshalb ganz klar die beste Wahl für Unternehmen, die ihre Speicherkapazität maximieren und gleichzeitig den Stromverbrauch minimieren möchten.

*Testsystem: SiSoftware BurnInTest 7.1 Pro auf Intel® Romley Plattform HP Proliant ML350p Gen8 mit zwei Intel Xeon E5 2650 Prozessoren und bis zu 256GB, 384GB oder 512GB installiertem Speicher (Dual-Rank KTH-PL316/16G oder Quad-Rank KTH-PL310QLV/32G). Getestet im HP Leistungsmodus. Intel Hyperthreading-Technologie deaktiviert.

Referenzen

[1] Statistical Review 2012, BP p.l.c.
http://www.bp.com/sectiongenericarticle800.do?categoryId=9037130&contentId=7068669

[2] Electricity Used by Office Equipment and Network Equipment in the U.S., University of California
http://enduse.lbl.gov/info/lbnl-45917b.pdf

[3] Power Management in Intel® Architecture Servers, Intel Corporation
http://download.intel.com/support/motherboards/server/sb/power_management_of_intel_architecture_servers.pdf

[4] Understanding Memory Resource Management in VMware ESX Server, VMware Inc.
http://www.vmware.com/files/pdf/perf-vsphere-memory_management.pdf

[5] BurnInTest Professional Ausgabe V7.1 , PassMark Software
http://www.passmark.com/

[6] HP iLO (Integrated Lights-Out) 4, Hewlett-Packard
http://h18000.www1.hp.com/products/quickspecs/14234_div/14234_div.pdf

[7] A-1 Electric Rates schedule (commercial rate) 2013, Pacific Gas and Electric Company
http://www.pge.com/nots/rates/tariffs/CommercialCurrent.xls