11.10.2007 | Autor / Redakteur: Olaf Schoenfeld / Ulrich Roderer
Die von Rechenzentren benötigte Energie hat sich nach einer Studie von Jonathan Koomey im Zeitraum 2000 bis 2005 nahezu verdoppelt. 2005 entsprachen die benötigten 45 Milliarden Kilowattstunden der Server 0,6 Prozent des gesamten Energiebedarfs der USA. Rechnet man die Kühlung und andere Teile der Infrastruktur mit ein, waren es sogar 1,2 Prozent. Um diesen Energiebedarf in den USA zu decken, braucht man fünf Kraftwerke mit einer Leistung von je 1.000 Megawatt.
Die Leistungsaufnahme und Abwärme von Rechenzentren, Serverfarmen und Netzwerken ist längst zu einer der größten Herausforderungen im IT-Bereich geworden. In der Regel wird für die Klimaanlage die gleiche elektrische Leistung eingeplant wie für die Rechner selbst. Im Leibniz-Rechenzentrum der TU München sind beispielsweise die Türen der Racks mit einer Wasserkühlung versehen, welche die Luftkühlung der Geräte selbst unterstützt – zusätzlich zur Klimaanlage, welche wiederum die Raumluft kühlt.
Der Anstieg der Energiekosten entwickelt sich zu einem ernsthaften Problem für alle Rechenzentren, in denen eine Vielzahl von Serversystemen (das können tausende und mehr sein) und dazugehöriges Equipment installiert sind. Deshalb sind neben Virtualisierung, Serverkonsolidierung, Konzepten wie Freie Kühlung auch energieoptimierte Komponenten wesentliche Bestandteile einer übergreifenden Effizienzstrategie.
Ein Anbieter Energie sparender Speicherkomponenten ist Qimonda. Dabei haben Einsparungen in der Leistungsaufnahme in zweierlei Hinsicht erheblichen Einfluss auf die Energiekosten: Zum einen direkt durch die Reduktion des Energiebedarfs in Serversystemen und zum anderen indirekt durch die geringere Wärmemenge, die von Kühlsystemen abgeführt werden muss.
Der Gesamtenergieverbrauch von Speichermodulen in Rechenzentren liegt zwischen 10 und 25 Prozent. Doch hier kann Energie eingespart werden. Energieverbrauchstests von Qimonda haben beispielsweise eine um bis zu 30 Prozent geringere Leistungsaufnahme der Fully Buffered DIMMs (FB-DIMMs) ergeben. Die Analyse der Energiekosten eines Rechenzentrums mittlerer Größe macht deutlich, dass mit den Strom sparenden Speichermodulen die jährlich anfallenden Energiekosten um bis zu 70.000 US-Dollar reduziert werden können. Branchenexperten gehen davon aus, dass bis 2008 der Anteil des Energieverbrauchs der Speichermodule in Serversystemen auf die Hälfte der gesamten Leistungsaufnahme anwachsen wird. Low-Power-Speichermodule ermöglichen ein Gegensteuern und ebnen den Weg zu einem „grünen“ Rechenzentrum.
Bei der DRAM-Technologie von Qimonda wird die Bit-Information als Ladung für jede Zelle in einem Kondensator gespeichert, der als Graben im Substrat unterhalb des Auswahltransistors realisiert ist. Dadurch kann die Zelle mit einer sehr geringen Spannung betrieben werden. Das reduziert die Leistungsaufnahme und bewirkt ein günstiges thermisches Verhalten des Speicherbausteins.
Die geringere Verlustleistung führt zu weniger Wärmeentwicklung in den Systemen mit dem Effekt, dass ein zuverlässigerer Betrieb sichergestellt wird. In vielen Fällen lassen sich durch einfachere Kühlungsmaßnahmen auch die System- und Betriebskosten reduzieren. Zudem konnte in Untersuchungen nachgewiesen werden, dass die Qimonda-DRAM-Bausteine weniger anfällig für Fehler sind, die durch externe Strahlung verursacht werden. Das ist ein besonderer Vorteil bzw. Voraussetzung in Bereichen wie der Luft- und Raumfahrt sowie der Energieversorgung.
Für die heute noch in Servern dominierenden DDR2-Registered-DIMMs wurden mit der sogenannten Dual-Die-Technik äußerst kompakte Lösungen entwickelt. Bei der Dual-Die-Technik werden zwei identische Chips in einem BGA (Ball Grid Array)-Gehäuse übereinander gestapelt. Dabei erhöht sich die Bausteinhöhe eines Dual-Dies um nur 0,1 Millimeter. Im Gegensatz zu herkömmlichen Gehäusestapeltechniken, bei denen zwei Chips in separaten Gehäusen gestapelt werden, erhöht die Dual-Die-Technik die Speicherdichte, bei nahezu unveränderten Gehäuseabmessungen und hervorragenden elektrischen und thermischen Eigenschaften. Die 4-GB-DDR2-Registered-DIMMs von Qimonda sind mit 4,1 Millimetern Moduldicke bei einer Standardhöhe von 30 Millimetern um rund 40 Prozent dünner als vergleichbare Lösungen. Vorteil: Dünnere Module verbessern die Luftzirkulation und die thermischen Bedingungen in den Servern.
Im Gegensatz zu herkömmlichen Register-DIMMs, die mit einer parallelen Architektur arbeiten, bieten FB(Fully Buffered)-DIMMs serielle Punkt-zu-Punkt-Verbindungen. Damit wird der bisherige Engpass beim Durchsatz von hochkomplexen und schnellen Server-Speichern überwunden. Qimonda ist der einzige Speicherhersteller, der sowohl die DRAM-Komponenten als auch die erforderlichen AMB (Advanced Memory Buffer)-Chips fertigt. Damit kann der Hersteller 8 Gigabyte Speicherkapazität in einem Standardgehäuse unterbringen, während gleichzeitig die thermischen und elektrischen Vorgaben des Industriestandards erfüllt werden.
Der AMB ist ein hochkomplexer Logik-Chip, der die Punkt-zu-Punkt-Verbindungen steuert. Er bietet Datenraten von bis zu 4,8 Gigabit pro Sekunde und stellt eine schnellere direkte Verbindung zu DDR2-DRAMs zur Verfügung, die in der ersten Generation Datenraten von bis zu 800 Megabit pro Sekunde bieten. Neben dem Einsatz in den eigenen Speichermodulen bietet Qimonda den AMB-Chip auch anderen FB-DIMM-Herstellern an, um so die Marktdurchdringung der neuen Server-Speichertechniken voranzutreiben. Nach Einschätzungen der Marktforscher von iSuppli wird sich der Marktanteil von FB-DIMMs von zehn Prozent bzw. 6,8 Millionen Modulen 2006 auf 79 Prozent im Jahre 2008 erhöhen. Diese innovative Speichertechnik ist für die nächste Generation von hochleistungsfähigen Multi-Core-Servern ausgelegt, wobei zugleich die Leistungsaufnahme reduziert wird.
Von Qimonda sind mittlerweile DDR2-FB-DIMMs mit 8 Gigabyte Kapazität und Quad-Rank-Konfiguration verfügbar. Die neuen FB-DIMMs sind mit Geschwindigkeiten bis zu 800 Megahertz erhältlich. Die 800-Megahertz-Version wird bei der nächsten Server-Generation die Performance weiter erhöhen. Die 800-Megahertz-Module bieten eine Bandbreite von 4,8 Gigabit pro Sekunde per Lane und damit 50 Prozent mehr als 533- bzw. 20 Prozent mehr als 667-Megahertz-Speichermodule.
Die neuen Module dokumentieren erfolgreich die Verbesserung der Energieeffizienz von Serverspeichern, die typischerweise zweitgrößten Energieverbraucher – nach den Prozessoren – innerhalb von Servern. Erste Labortests belegten eine signifikante Energieeinsparung mit den neuen Modulen und lassen eine signifikante Reduzierung der Leistungsaufnahme gegenüber herkömmlichen Modulen gleicher Kapazität erwarten.
Für die neuen Speichermodule wird zudem der Übergang auf die nächste 75-Nanometer-Prozessorgeneration genutzt, um die Energieeffizienz weiter zu verbessern. So werden jetzt DDR2-Komponenten angeboten, die mit 1,5 Vollt und damit mit einer um 17 Prozent geringeren Betriebspannung als der derzeitige Standard arbeiten – und zwar ohne Leistungseinbußen. Mit diesen Speicherkomponenten werden DDR2-basierende Server-Speichermodule gefertigt, beginnend mit den neuen FB-DIMM-Produkten.
Auch die Quad-Rank-Organisation der neuen FB-DIMMs trägt zu einem geringeren Energieverbrauch bei. Diese Konfiguration wird durch den AMB (Advanced Memory Buffer)-Chip ermöglicht, der den Datentransfer auf dem FB-DIMM steuert. Mit dem Quad-Rank-FB-DIMM kann die Speicherkomplexität erhöht werden, bei gleicher oder sogar geringerer Leistungsaufnahme. Das resultiert sowohl in einer reduzierten Leistungsaufnahme als auch reduzierten Latenzzeit je Speicherkanal. Sowohl die reduzierte Betriebsspannung als auch die Quad-Rank-Konfiguration tragen so zu einer signifikanten Verringerung der Leistungsaufnahme mit den neuen Speichermodulen bei.
Die FB-DIMMs von Qimonda stehen in 2-Rank-Konfiguration mit 1, 2 and 4 Gigabyte bzw. in Quad-Rank-Ausführung mit Kapazitäten von 2, 4 and 8 Gigabyte zur Verfügung. Alle Versionen sind mit Datenraten bis zu 800 Megabit pro Sekunde erhältlich und arbeiten mit 1,8 Volt gemäß JEDEC oder mit 1,5 Volt für den optimierten Low-Power-Betrieb.
Die Strom sparende und zuverlässige DRAM-Technologie bietet jedoch nicht nur in Servern oder High-End-PCs, sondern auch in Routern, Switches oder Massenspeichern für leistungsfähige Netzwerke entscheidende Vorteile. Daher kommen die komplexen und dennoch kompakten Speichermodule verstärkt in SAN (Storage Area Network)-, NAS (Network Attached Storage)-, DAS (Direct Attached Storage)-Speicherlösungen sowie in anderen Netzwerkgeräten für Controller- oder Sicherheitsfunktionen zum Einsatz. Aber auch Geräte für die Netzwerk-Infrastruktur wie Router, Hubs oder Switches benötigen zunehmend hochdichte Speicherlösungen mit möglichst geringer Leistungsaufnahme.
Eine innovative Anwendung sind beispielsweise auch die ultraschnellen Festplatten-Laufwerke der Firma Hyper OSS. Hier kommen im Gegensatz zu Flash-Speichern 1- und 2-Gigabyte-Speichermodule auf Basis von DDR-RAM von Qimonda zum Einsatz. Damit ist die HyperDrive4 die derzeit schnellste verfügbare Hard-Disk. Sie erreicht 44.000 Schreib-/Lesezugriffe je Sekunde (für ein 0,5 KB File gemäß Intels IOmeter-Benchmark). HyperDrive4 ist ein Festplattenlaufwerk, das nicht auf Flash-RAMs, sondern auf DDR-RAMs basiert, die etwa hundertmal schneller als die Flash-Speicher sind.
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