Was ist eine Stromverteilungseinheit und wie funktioniert sie?

Die Überwachungsteams in Rechenzentren arbeiten stets daran, Ausfälle zu verhindern.

Sie suchen nach Hardwareausfällen, thermischen Ereignissen und anderen Anzeichen dafür, dass ein Ausfall unmittelbar bevorsteht. Die Vermeidung von Ausfällen ist für Rechenzentren so entscheidend, dass die Überwachung der Effizienz in der Denkweise dieser Teams in den Hintergrund tritt. Das sollte nicht so sein.

Eine effiziente Stromverteilung in einem Rechenzentrum führt zu erheblichen Kosteneinsparungen. Stromverteilungseinheiten (PDUs) sind das Geheimnis, das dafür sorgt, dass jedes Rack in einem Rechenzentrum mit der richtigen Strommenge versorgt wird und gleichzeitig die Hardware vor Überlastungen und einer zu hohen Leistungsdichte geschützt wird.

PDUs sind keine Technologie, die man einmal einrichtet und dann vergessen kann. Betreiber von Rechenzentren müssen verstehen, was diese Technologie leisten kann und wie sie eingesetzt wird, bevor sie ihre Stromversorgungen wahllos mit PDUs ausstatten.

Kurzinfo: Was Sie über Stromverteilereinheiten wissen müssen

• Eine PDU verteilt den Strom von einer Eingangsquelle auf mehrere Geräte in einem Rack. Sie ist nicht mit einem Netzteil (PSU) zu verwechseln, das diesen Strom in eine Form umwandelt, die das Gerät tatsächlich nutzen kann.
• PDUs reichen von einfachen Steckdosenleisten bis hin zu vollständig vernetzten Überwachungssystemen auf Steckdosenebene. 
• Eine ineffiziente Stromverteilung kann 10–12% des gesamten Energieverbrauchs eines Rechenzentrums verschwenden, und hocheffiziente Transformatoren schließen diese Lücke um 2–3 Punkte.
• Die Energieeffizienz (PUE) ist der Standard-Effizienz-Maßstab, und erst die Überwachungsdaten auf PDU-Ebene ermöglichen deren Berechnung überhaupt.
  

Was ist eine PDU und welche Funktion hat sie in einem Rack?

Ein Stromverteiler nimmt eine Stromzufuhr entgegen und verteilt sie auf alle Geräte im Rack: Server, Switches, Speicher-Arrays – einfach alles, was angeschlossen ist. Man kann sich das als das elektrische Äquivalent eines Netzwerk-Switches vorstellen, nur dass er statt Datenpakete Stromstärke weiterleitet.

In den meisten Rechenzentren wird bei Standard-Workloads eine PDU pro Rack und bei geschäftskritischen Racks jeweils zwei PDUs eingesetzt. Jede PDU wird von einer separaten Stromquelle gespeist, sodass der Ausfall einer einzelnen PDU oder eines Stromkreises nicht zum Ausfall des Racks führt. Racks, in denen Blade-Server oder GPU-intensive Berechnungen Oftmals wird mehr als eine PDU benötigt, unabhängig von der Kritikalität, einfach weil die Stromaufnahme pro Rack-Einheit zu hoch ist, als dass eine einzelne Einheit diese sicher bewältigen könnte.

Aufgrund des sprunghaften Anstiegs der Nachfrage nach KI-Anwendungen ist der auf GPUs ausgerichtete Ansatz wichtiger denn je. Ein Rack mit GPU-Beschleunigern zieht so viel Strom, wie vor einem Jahrzehnt noch für eine ganze Serverreihe ungewöhnlich gewesen wäre. Wenn Ihr PDU-Bestand für die Serverdichte des Jahres 2018 ausgelegt war, ist er wahrscheinlich zu klein für die Geräte, die heute tatsächlich daran angeschlossen sind.

So funktionieren PDUs – von der Steckdosenleiste bis zur vernetzten Intelligenz

Nicht alle PDUs erfüllen genau dieselbe Aufgabe. Die Funktionen Ihrer eingesetzten PDUs entscheiden darüber, ob Sie „blind fliegen“ oder jedes Watt im Blick haben.

Grundlegende PDUs. Ungefilterte, nicht überwachte Steckdosenleisten für den Einbau in Serviceracks. Sie dienen weder der Datenverwaltung noch unterstützen sie den Fernzugriff. Für einen kleinen Schrank sind sie zwar ausreichend, stellen jedoch ein Risiko dar, wenn Sie Ihre Anlage effizient betreiben möchten.

PDUs mit Stromzähler. Dieses Modell verfügt über ein digitales Display, das die Last in Echtzeit anzeigt. Sie können sehen, welche Last Sie ziehen, aber niemand an einem anderen Ort kann dies mitverfolgen, und es erfolgt keine Protokollierung.

Überwachte (intelligente) PDUs. Bei der nächsten PDU-Stufe übermitteln die Geräte Leistungsdaten über das Netzwerk, darunter Stromstärke, Spannung und häufig auch den Verbrauch pro Steckdose. Die Steckdosen lassen sich jedoch nicht aus der Ferne schalten.

PDUs mit Switch. Diese Geräte bieten alle Funktionen einer überwachten PDU und zusätzlich die Möglichkeit, jede Steckdose aus der Ferne ein- und auszuschalten. Dank dieser Funktion können Sie einen abgestürzten Server direkt von Ihrem Schreibtisch aus neu starten, anstatt zum Serverraum gehen zu müssen.

PDUs mit ATS (automatischem Umschalter). Dieses Gerät verfügt über zwei Stromanschlüsse und schaltet automatisch auf die Reserveversorgung um, falls die Hauptstromquelle ausfällt. Dies ist bei Geräten mit einem einzigen Netzkabel in redundanten Umgebungen Standard.

Die vor all diesen Komponenten installierten, bodenstehenden PDUs sind häufig mit Trenntransformatoren ausgestattet, die die Hochspannungs- und Hochstrom-Netzversorgung auf die 120-V-/208-V-Steckdosen heruntertransformieren, die Ihre Geräte tatsächlich nutzen.

So messen Sie den Wirkungsgrad einer PDU

Was man nicht misst, kann man auch nicht steuern – und was PDUs angeht, ist das kein Klischee, sondern eine tatsächliche Lücke in den meisten Einrichtungen.

Beginnen Sie mit der PUE. Die Energieeffizienz (Power Usage Effectiveness, PUE) ist das Verhältnis zwischen der Gesamtstromleistung der Anlage und der tatsächlich an die IT-Geräte gelieferten Leistung. Daten auf PDU-Ebene dienen in der Regel als Grundlage für diese Berechnung auf Rack-Ebene. Eine Umfrage des Uptime Institute aus dem Jahr 2014 ergab einen branchenweiten PUE-Durchschnitt von 1,7. Je näher der Wert an 1,0 liegt, desto weniger Energie geht durch Nebenkosten wie Stromverteilung und Kühlung verloren.

Lastverteilung prüfen. Eine ungleichmäßige Lastverteilung auf die Phasen einer dreiphasigen PDU führt zu einem höheren Stromfluss zwischen den Transformatorzweigen, was sich in Form von Abwärme und einem geringeren Wirkungsgrad des Transformators bemerkbar macht. Wenn ein Zweig heiß läuft und zwei andere ungenutzt sind, zahlen Sie für eine Ineffizienz, die sich leicht beheben lässt.

Beachten Sie die Transformatorqualität. PDUs mit hocheffizienten Transformatoren laufen 2%-3% länger effizient insgesamt als Geräte mit herkömmlichen Transformatoren. Über die gesamte Lebensdauer einer Anlage hinweg ergibt sich daraus eine wiederkehrende Differenz bei den Stromkosten.

Ungenutzte Kapazitäten aufspüren und beseitigen. Nicht genutzte Redundanzkapazitäten verursachen weiterhin Stromverbrauch, solange sie nicht abgeschaltet werden. Target schaltete zwei unbelastete 300-kVA-PDUs in einem seiner zertifizierten Rechenzentren ab und sparte laut der von ENERGY STAR zu diesem Projekt veröffentlichten Fallstudie jährlich 261.000 kWh ein. 

Beachten Sie die Regel 80%. Bei der Dimensionierung der PDU-Last in Nordamerika sollte die Summe der Nennleistungen der angeschlossenen Geräte 80% der Nennkapazität der PDU im Dauerbetrieb nicht überschreiten. Wenn Sie näher an 100% herankommen, geht Ihre Sicherheitsreserve verloren, sobald ein weiteres Blade in das Rack eingesetzt wird.

Die PDU-Modelle, die Teams in Rechenzentren kennen sollten

Wenn Sie auf der Suche nach einem Hersteller sind, ist die Liste kurz und enthält größtenteils dieselben Namen, die Ihr Elektroinstallateur bereits kennt: 

• APC von Schneider Electric, Eaton
• Vertiv (Produktreihen Geist und Liebert)
• Raritan, Server Technology
• CyberPower
• Delta Electronics
• Aten 
  

Jeder dieser Anbieter deckt das oben beschriebene Spektrum von Basis- bis hin zu Switched-Lösungen ab, wobei die Preise schnell steigen, sobald man die Überwachung auf Steckdosenebene und die DCIM-Integration hinzufügt.

Die Wahl der Marke ist wichtig, doch die Auswahl der richtigen PDU-Klasse ist noch viel wichtiger. Ein Colocation-Kunde, der Racks mit mehreren Mietern betreibt, benötigt allein schon aus Gründen der Abrechnungsgenauigkeit mindestens gemessene oder überwachte Geräte. Eine Hyperscale- oder KI-Rechenumgebung mit GPU-dichten Racks benötigt geschaltete PDUs mit hoher Dichte, dreiphasigem Eingang und Fernsteuerung auf Ausgangsebene. Die Kosten eines ungeplanten Ausfalls dieser Hardware übersteigen den Preisunterschied zwischen den verschiedenen PDU-Klassen bei weitem.

Ausmusterung von PDUs zusammen mit der übrigen Hardware Ihres Rechenzentrums

Hier ist der Punkt, der in den meisten Gesprächen über PDUs völlig außer Acht gelassen wird: Diese Geräte haben einen zweiten Lebenszyklus, den niemand einplant. Wenn ein Rack außer Betrieb genommen wird – sei es aufgrund des Auszugs aus einem Colocation-Rechenzentrum, einer Hardware-Erneuerung oder der vollständigen Schließung eines Rechenzentrums –, wird die PDU zusammen mit allem anderen entfernt.

Es hat noch einen Wiederverkaufswert, möglicherweise gilt noch die Garantie, und je nachdem, was in seinem Überwachungsprotokoll vermerkt ist, enthält es möglicherweise Daten, die genauso behandelt werden müssen wie bei einem Festplattenlaufwerk.

Die meisten Teams planen akribisch, was bei einer Außerbetriebnahme mit den Servern geschieht, und betrachten die elektrische Infrastruktur dabei eher als Nebensache. Diese Herangehensweise führt dazu, dass Wertpotenzial ungenutzt bleibt. 

Falls bei Ihrem nächsten Rechenzentrumsprojekt Geräte ausgebaut werden müssen und nicht nur angeschlossen werden, Dienstleistungen von exIT Technologies zur Stilllegung von Rechenzentren Behandeln Sie das gesamte Rack – einschließlich der PDUs – mit denselben Nachverfolgungsunterlagen, die Sie auch für einen Server voller Kundendaten erwarten würden.