IT-Zauber: Betriebsoptimierung energieeffizienter Rechenzentren durch die Verwendung digitaler Zwillinge

Abstract

Rechenzentren für das Hochleistungsrechnen (High Performance Computing, HPC) bilden eine wesentliche Grundlage der Digitalisierung und wissenschaftlicher Spitzenforschung. Ihr Betrieb erfordert eine sichere und zugleich energieeffiziente, kostengünstige und klimaverträgliche Energieversorgung. Bisherige Ansätze zur Steigerung der Energieeffizienz betrachten überwiegend einzelne Komponenten und erfassen die Wechselwirkungen zwischen IT-Infrastruktur und Kühlung nicht ganzheitlich. Der Informationsfluss verläuft dabei meist einseitig von der IT zur Kühlung, häufig auf Basis statischer Annahmen. Eine Rückkopplung, die zum Beispiel das Temperaturniveau eines angeschlossenen Wärmenetzes oder die Möglichkeit der Abwärmenutzung berücksichtigt, findet kaum statt. Vorhandene digitale Zwillinge beschränken sich zudem meist auf geometrische Modelle zur Bauraumplanung oder auf numerische Strömungssimulationen der Kühlung. Ziel des Vorhabens IT-Zauber war die Entwicklung eines digitalen Zwillings als digitales Abbild eines Rechenzentrums, das den Zustand und das Verhalten der IT-Infrastruktur gemeinsam mit dem Kühlsystem und dessen Einbindung in die Wärmeversorgung abbildet. Das Rechenzentrum wird dabei als Verbund aus HPC-System und Energiesystem verstanden, deren bindendes Glied die Rechenknoten mit ihrer elektrischen Leistungsaufnahme und ihrem Kühlbedarf sind. Über eine zentrale Datenplattform werden Ist-Zustände beider Seiten erfasst und optimierte Sollwerte für den Echtzeitbetrieb zurückgegeben. Im Gegensatz zu vorhandenen Werkzeugen bildet der digitale Zwilling das Kühl- und Versorgungssystem sowie den Zustand der IT-Infrastruktur ganzheitlich ab, durch Kopplung entsprechender Teilmodelle. Er baut auf der quelloffenen N5GEH-Plattform auf und nutzt eine eigens entwickelte Ontologie zur Beschreibung der Beziehungen zwischen den Komponenten im Rechenzentrum, wodurch die Übertragbarkeit des Ansatzes gesichert wird. Das Projekt wurde durch ein Konsortium unter Koordination des Lehrstuhls für Gebäude- und Raumklimatechnik der RWTH Aachen bearbeitet. Von der RWTH Aachen waren außerdem noch das Institute for Automation of Complex Power Systems und das IT Center (ITC) beteiligt. Weitere Konsortialpartner waren die Professur für Gebäudeenergietechnik und Wärmeversorgung sowie das Zentrum für Informationsdienste und Hochleistungsrechnen (ZIH) der TU Dresden sowie die Rud. Otto Meyer Technik GmbH & Co. KG.