Wie funktioniert eigentlich ein Rechenzentrum?

In Anlehnung an die Feuerzangenbowle stelle ma uns mal janz dumm, und sagen, en Rechenzentrum iss ne jroße, runde, schwarze Raum mit zwei Löchern. Durch das eine komm‘ die Daten rein, un das andere krieje ma späta. Ok, ein Rechenzentrum muss nicht rund sein, ist es wohl in der Realität auch nicht. Habe jedenfalls noch nie ein rundes RZ gesehen. Aber Daten gehen da in großen Mengen rein und raus. Fangen wir mal vorne an.

Ein RZ ist eine Spezialimmobilie, die dafür ausgelegt ist, Rechentechnik (Computer, Speicher, Netzwerkkomponenten) und die notwendige Infrastruktur zu beherbergen. Mit Infrastruktur sind Stromversorgung, Kühlaggregate, Brandschutzeinrichtungen und Zutrittsschutz gemeint. In Deutschland gibt es etwa 50.000 Rechenzentren, davon sind ca. 85% unternehmenseigene Rechenzentren. Die genaue Zahl kennt niemand, denn schon die Frage, was alles noch als RZ gilt, ist nicht eindeutig zu beantworten. Ist jeder Raum, in dem ein Rechner steht, ein RZ? Wohl kaum, aber wie viel Rechentechnik muss es sein, um als RZ zu gelten? Von Serverschränken (ab 3m²) bis zu großen RZ mit über 5000m² ist die Spanne groß.

Allen gemeinsam ist aber eins: Sie sind von sehr hoher Bedeutung für ihre Nutzer und unser gesellschaftliches Leben. Ohne RZ funktioniert heute nicht mehr viel. Bitkom hat zur Bedeutung von RZ für den Standort Deutschland vor einiger Zeit eine Studie beauftragt.

Im vorliegenden Beitrag habe ich vor allem die großen RZ im Blick, da sich dort der state-of-the-art am besten zeigt. Entsprechend skaliert gilt vieles auch für kleinere RZ.

Strom weg - Daten weg

Damit RZ zuverlässig funktionieren und nie ausfallen, treffen die Betreiber Vorkehrungen mit hohem Aufwand. Die Stromversorgung ist absolut kritisch. Jeder weiß heute, dass bei Computern gilt: Strom weg – Daten weg. Und das ist schon bei ganz kurzen Stromunterbrechungen der Fall. Die normalen Netzteile können Aussetzer im Millisekundenbereich noch ausgleichen. Darüber hinausgehende Unterbrechungen werden von einer unterbrechungsfreien Stromversorgung (USV) abgefangen, die für einige Sekunden bis in den Minutenbereich einspringen kann. Leider hat die Stromqualität in den letzten Jahren abgenommen. Ein Grund dafür sehen viele in der Einspeisung von volatilen erneuerbaren Energien und den Reaktionen des Stromnetzes darauf. Eine USV ist im Grunde ein dicker Akku mit sehr hoher Kapazität, der ständig in Bereitschaft gehalten wird und praktisch sofort verfügbar ist, wenn die Stromversorgung abbricht. Dies ist eine ganz wichtige Eigenschaft der USV – sie muss sehr schnell reagieren. Leider ist es so, dass die USV auch im Bereitschaftsbetrieb selbst Strom verbraucht. Die Hersteller arbeiten daran, diese Verluste immer weiter zu verringern. In RZ kann man sich die USV wie einen Raum voll mit LKW Starterbatterien, dicken Kabeln und einer Steuerung vorstellen.

Weil die Stromversorgung so wichtig ist, haben große RZ meist mehrere unabhängige Leitungen zu verschiedenen Kraftwerken, um so einen Ausfall eines Stromlieferanten auffangen zu können. Nicht selten sind dies sogar Hochspannungsleitungen, die auf dem RZ-Gelände mit einer eigenen Trafostation den benötigten Strom bereitstellen. Auf dem RZ-Gelände laufen dann auch unabhängige Stromversorgungsleitungen auf unterschiedlichen Wegen an unterschiedlichen Stellen in die Gebäude. Wenn dort der berühmte Bagger zuschlägt, führt dies nicht zum Totalausfall.

Bild zum Ansprechpartner

Christian Herzog

Bereichsleiter Technische Regulierung & Umwelt Bitkom e.V.

Notstrom: Dieselgenerator mit den Dimensionen einer Mietwohnung

Aber auch das öffentliche Stromnetz kann großflächig ausfallen. Für diesen Fall haben RZ eine eigene Notstromversorgung in Form eines großen Dieselgenerators. Wenn ich hier „groß“ sage, meine ich wirklich groß. Wer schon mal einen Schiffsdiesel gesehen hat, kennt die Größenordnung. So ein Aggregat ist in einem eigenen Raum untergebracht, der größer ist, als die meisten Mietwohnungen. Und es ist sehr beeindruckend, wenn er anläuft. Aus Redundanzgründen gibt es meist mehr als einen Generator. Damit er schnell und zuverlässig anspringt, wird er ebenso wie die USV in ständiger Bereitschaft gehalten. Vor allem wird er ständig vorgeheizt, da dafür im Ernstfall keine Zeit wäre und die Zuverlässigkeit an oberster Stelle steht. Der Generator übernimmt innerhalb einer Minute nach einer Anlauf- und Synchronisationszeit die Stromversorgung. Leider kostet auch das Vorheizen des Generators Energieverluste, die aber für die höchstmögliche Verfügbarkeit des RZ in Kauf genommen werden müssen. Selbstverständlich müssen für den Generator auch größere Treibstoffreserven auf dem RZ-Gelände vorgehalten werden und im Bedarfsfall mit garantierten Lieferzeiten nachgeliefert werden können. Rechenzentren, die im Bereich der nationalen Sicherheit eingesetzt werden, haben sogar die Möglichkeit, aus der Luft betankt zu werden, falls Treibstofflieferungen auf der Straße nicht mehr möglich sind.

Strenge Sicherheitsvorkehrungen

Strenge Sicherheitsvorkehrungen durch hohe Zäune, Stacheldraht, Überwachungskameras, Alarmierungsanlagen, Zufahrtsperren für Fahrzeuge, eigenes Wachpersonal und Personenkontrolle beim Einlass gewährleisten, dass keine unberechtigten Personen Zutritt zum RZ erlangen können. Die physische Sicherheit ist ein Baustein für die sehr hohe Verfügbarkeit von RZ. Es muss gewährleistet sein, dass niemand an der Rechentechnik manipulieren oder Schaden anrichten kann. Für die Datensicherheit ist der restriktive Zugang eine unbedingte Voraussetzung.

Aus Sicht der Physik ist ein RZ eine große Flächenheizung. Man führt viele Megawatt an elektrischer Energie zu, und diese wird fast ausschließlich in Wärme umgesetzt. Moderne leistungsfähige Mikroprozessoren werden im Betrieb sehr heiß und müssen gekühlt werden. Hierfür gibt es verschiedene Methoden. Am häufigsten wird Luft mit einer Klimaanlage nach Bedarf heruntergekühlt. Die kalte Luft wird dann durch konstruktive Maßnahmen durch die Rechner hindurch geleitet (Lüfter) und die Abwärme wieder aus dem RZ abgegeben. Leider sind die Abwärmetemperaturen nicht hoch genug, dass man damit direkt umliegende Gebäude o.ä. beheizen könnte. Hierfür müsste das Temperaturniveau durch zusätzliche Energiezufuhr weiter erhöht werden. Außerdem müsste die Wärme möglichst verlustarm zum Verwendungsort transportiert werden. Beides zusammen ist in der Realität nur in wenigen Fällen so realisierbar, dass auch tatsächlich ein Nutzen für Umwelt und Wirtschaftlichkeit entsteht. Die Verwendung der Abwärme von RZ ist Gegenstand aktueller Forschung zur Erhöhung der Energieeffizienz. Eine andere Methode benutzt Wasser, das direkt die Prozessoren kühlt. Diese Methode ist deutlich aufwändiger, aber auch effektiver als Luftkühlung. Man arbeitet daran, die gesamte Technik auch bei höheren Betriebstemperaturen zuverlässig betreiben zu können, da damit der energieintensive Kühlaufwand deutlich reduziert werden könnte. Die Kühlung macht in grober Schätzung etwa die Hälfte des Energieverbrauchs eines RZ aus.

Brandschutz und die Brandbekämpfung

Brandschutz und die Brandbekämpfung sind spannende Themen in einem RZ. Man wird zunächst natürlich alles dafür tun, dass es erst gar nicht zu einem Brand kommt. Eine sehr wirkungsvolle Methode ist es, den Sauerstoffgehalt der Luft im normalen Betrieb soweit zu reduzieren, dass keine Flamme mehr entstehen kann. Dies erreicht man mit Sauerstoffreduzierungsanlagen, die aber ihrerseits auch wieder Strom verbrauchen. Die Anlagen müssen ständig laufen, da durch Undichtigkeiten oder normales Betreten der Räume immer wieder Sauerstoff einströmt. Im Übrigen ist es durchaus nicht so, dass man in sauerstoffreduzierten Räumen nicht mehr atmen könnte. Wer keine einschlägigen gesundheitlichen Beeinträchtigungen hat und eine Treppe steigen kann, ohne dabei völlig außer Atem zu geraten, kann einen sauerstoffreduzierten Raum in einem RZ ohne Probleme betreten, sollte sich nur nicht unnötig lange darin aufhalten.

Wenn es dann doch zu einem Brand in einem RZ kommen sollte, kann die Feuerwehr nicht einfach den Wasserschlauch auspacken und draufhalten. Der Schaden an der Technik wäre erheblich, und vor allem müsste zunächst der Strom abgestellt werden. Wie wir jedoch schon eingangs gesehen haben, darf dies nicht passieren. Das Problem lässt sich sehr elegant durch Löschanlagen lösen, die ein nicht brennbares Gas mit hohem Druck und hoher Geschwindigkeit in den betroffenen Raum einleiten. Das Gas verdrängt den Sauerstoff und löscht jedes Feuer. Benachbarte Computer bleiben unbehelligt.

Was unterscheidet ein RZ nun von einer Elektroheizung, und wozu der immense Aufwand für die Infrastruktur drum herum? In einem RZ sind nicht allzu viele Menschen beschäftigt. Die Rechentechnik arbeitet weitgehend ohne Eingriffe durch Personal. Die Werte, die hier geschaffen werden, sind unsichtbar. RZ sind das Herz der digitalen Wirtschaft. Das gesamte Internet „lebt“ in Rechenzentren. In den frühen Zeiten von RZ hat man dort vor allem wissenschaftlich gerechnet. In der heutigen Zeit ist der pure Datenaustausch als ein wesentlicher Faktor hinzugekommen. In Deutschland ist Frankfurt der Hauptknotenpunkt für die Datenkabel in alle Welt. Hier gibt es eine große Konzentration von RZ, die sich am DE-CIX zusammenschalten und dort für den Datenaustausch kurze Signallaufzeiten und günstige Kostenmodelle nutzen. Der Spitzenwert des Datendurchsatzes am DE-CIX lag Ende 2014 bei etwa 3,5 Tbit/s. Zum Vergleich: Das bedeutet, dass dort pro Sekunde der Inhalt von 93 DVDs übertragen werden.

Alle größeren Webserver, die man vom „Surfen“ im Internet kennt, stehen in RZ. Alle wesentlichen Internetdienste werden in RZ erbracht, seien es Verkaufsplattformen oder Suchmaschinen, Videoportale, E-Mail- oder andere Kommunikationsdienste. Selbst die Vermittlungsstellen unseres Telefonnetzes sind im Prinzip Rechenzentren. Nicht zuletzt nutzen die Unternehmen RZ für ihre Unternehmensdaten und –prozesse. Nicht alle Daten geben die Unternehmen an externe RZ. Daher existiert nach wie vor eine große Anzahl von unternehmenseigenen RZ, die teilweise ausschließlich von ihrem Eigentümer genutzt werden, teilweise aber auch am Markt zur Verfügung gestellt werden. Als grundlegender Trend ist zu beobachten, dass die großen RZ ein starkes Wachstum aufweisen und kleinere RZ eher abnehmen. Dies ist zumindest teilweise damit zu erklären, dass große RZ effizienter betrieben werden können. Ein interessantes Gedankenspiel sei an dieser Stelle angeregt: Man möge sich mal überlegen, was alles nicht mehr funktioniert, wenn die RZ ausfallen. Aber das ist vielleicht ein Thema für einen anderen Artikel.

Disclaimer: Ich habe in dem Artikel versucht, auf (hoffentlich) leicht verständliche Weise zu erklären, was in einem RZ so alles läuft. Wer sich mit der Thematik auskennt, wird ohne Zweifel bemerken, dass die Themen nur an der Oberfläche behandelt wurden und zum Teil auch etwas vereinfacht dargestellt sind. Das ist mit Blick auf fachfremde Leser beabsichtigt.

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