In Sachen Energieeffizienz und Performance liefern Intels Xeon-5500-Prozessoren mit der Nehalem-Architektur gegenwärtig so etwas wie den Benchmark in der Branche. Doch der Stromverbrauch eines x86-Servers hängt nicht nur von der CPU ab. Ein Großteil der 2-Sockel-Rack-Server arbeitet beispielsweise mit zwei Netzteilen, zwei SATA-Festplatten und 16 GByte Arbeitsspeicher. Hier gibt es bei identischer Performance viel Spielraum in der Konfiguration, die auf die Energieeffizienz erheblichen Einfluss hat. Das Marktforschungs- und Beratungshaus Gartner etwa rechnet vor, dass ein Standard-Server mit einer Laufzeit von vier Jahren zwischen 1350 und 2000 Euro an Stromkosten verursacht. Vor diesem Hintergrund lohnt sich ein genauer Blick die Komponenten und deren Konfiguration.
Die CW-Schwesterpublikation TecChannel prüfte anhand von Intels Stromspar-CPUs Xeon L5520, welchen Einfluss das Systemboard, Netzteile, Arbeitsspeicher und Laufwerke wie SATA-Festplatten oder SSD-Komponenten in einem 1U-Rack-Server auf den Stromverbrauch haben. Als Maßstab dient dabei der SPECpower_ssj2008.
Stückweise Optimierung zum Low-Power-Server
Neben dem Energieverbrauch des Servers im Leerlauf und unter Volllast ermitteln wir mit SPECpower_ssj2008 die Performance pro Watt, die für die Energieeffizienz des Systems steht. Für alle Tests über den Einfluss der Komponenten auf die Energieeffizienz eines Servers verwenden wir Intels Xeon L5520. Der Quad-Core-Prozessor mit Nehalem-Architektur arbeitet mit 2,26 GHz Taktfrequenz und verfügt über einen TDP-Wert von 60 Watt. In den 2-Sockel-Servern kommen stets zwei Xeon L5520 zum Einsatz.
Zuerst arbeiten die zwei Xeons in einem Standard-2-Sockel-Server Asus RS700-E6/RS4 im 1U-Rackformat. Der Server verfügt über zwei redundant ausgelegte 770-Watt-Netzteile mit 80+ Spezifikation. Als Storage stehen zwei SATA-II-Enterprise-Festplatten mit 7200 U/min zur Verfügung. Jede CPU steuert über den integrierten Triple-Channel-Speicher-Controller für DDR3-1066 drei 4-GByte-DIMMs – insgesamt sechs - an. Bei dieser Konfiguration handelt es sich um die Standardausstattung aktueller Xeon-5500-basierender 2-Sockel-Server.
Um den Einfluss des Arbeitsspeichers auf die Energieeffizienz zu überprüfen, ersetzen wir die sechs 4-GByte-DIMMs mit sechs 2-GByte-DIMMs. Danach bestücken wir den Server mit zwölf 4-GByte-DIMMs und messen den Energiebedarf nochmals.
Bei identischer Storage- und Speicherausstattung von sechs 2-GByte-DIMMs überprüfen wir dann den Energieverbrauch der Xeon L5520 im Low-Power-Server Intel S5000WB „Willowbrook“ mit Chenbro-Chassis. Der 1U-Rack-Server ist auf eine geringe Energieaufnahme ausgelegt und verfügt nur über ein 450-Watt-Netzteil mit 80+ Spezifikation. Im Low-Power-Server ersetzen wir zuletzt die zwei SATA-II-Festplatten durch zwei SSDs vom Typ Intel X25-E Extreme. In einer optimierten Stromspar-Server-Variante schließen wir den Test mit nur einer SSD ab.
Bei jeder Server-Konfiguration messen wir mit SPECpower_ssj2008 die Energieaufnahme des Systems im Leerlauf sowie bei Volllast. Zusätzlich generiert der Benchmark einen Wert für die Energieeffizienz des Systems (Performance pro Watt). Diesen Wert ermittelt SPECpower durch Messung der Java-Performance sowie des zugehörigen Energieverbrauchs bei Lastzuständen von null bis 100 Prozent in Schritten von zehn Prozent. Details zum Energieeffizienz-Benchmark SPECpower_ssj2008 finden Sie am Ende des Artikels.
Test: Verschiedene Netzteile / Systemboards
Der 1U-Standard-Rackserver Asus RS700-E6/RS4 mit den zwei Xeon-L5520-CPUs verfügt über zwei redundant ausgelegte 770-Watt-Netzteile mit 80+ Spezifikation. Neben den Energiemessungen mit beiden Netzteilen betreiben wir den Server danach mit nur einem Netzteil. Bei identischer Storage- und Speicherausstattung (zwei SATA-II-Festplatten und sechs 4-GByte-DIMMs) überprüfen wir dann den Energieverbrauch der Xeon-CPUs im Low-Power-Server Intel S5500WB. Der auf eine geringe Energieaufnahme ausgelegte Server verfügt nur über ein 450-Watt-Netzteil mit 80+ Spezifikation.
Im folgenden Diagramm vergleichen wir den Energiebedarf der Server im Leerlauf. Die Systeme laufen unter Windows Server 2008 Enterprise x64 mit dem Energie-Schemata „Ausbalanciert“. Die Xeon-L5520-Prozessoren nutzen ihr Powermanagement-Feature SpeedStep aus:
Im Leerlauf: Wer auf die Sicherheit durch ein zweites Netzteil verzichten kann, spart im Asus-Server 33 Watt Energie. Intels Low-Power-Server S5500WB mit 450-Watt-Netzteil zeigt sich mit 91 Watt sehr genügsam – für ein System mit zwei Xeon L5520, 24 GByte RAM und zwei 3,5-Zoll-SATA-Festplatten.
Vollast: Unter Volllast ringt SPECpower_ssj2008 dem Server im Lastzustand 100 Prozent den maximalen Energieverbrauch ab. Jetzt sind besonders die Netzteile gefordert.
Das zweite Netzteil im Asus-Server fordert nun nur noch 24 Watt an zusätzlicher Energie. Wie es bei gleicher Performance nochmals deutlich sparsamer geht, zeigt der Low-Power-Server von Intel. Das System benötigt knapp 40 Watt weniger Energie als der Asus RS700 mit einem Netzteil.
Energieeffizienz: Welchen Einfluss die Netzteile und das Systemboard auf die Energieeffizienz der Server haben, zeigt folgendes Diagramm. Der Benchmark gibt die gemittelte Performance pro Watt an, die über alle Lastzustände von zehn bis 100 Prozent gemessenen werden.
Durch die identische Prozessor- und Speicherausstattung bieten die Server bei dem Java-Workload von SPECpower auch die gleiche Rechengeschwindigkeit. Die Performance pro Watt des Intel-Servers S5500WB ist jedoch 23 Prozent besser als beim Asus RS700 mit ebenfalls einem Netzteil. Sind im Asus-Server zwei Netzteile im Einsatz, so bietet Intels S5500WB sogar eine 41 Prozent höhere Energieeffizienz.
Energiekosten: Verschiedene Netzteile / Systemboards
Im typischen Alltagsbetrieb ist bei Servern von einer mittleren Auslastung von zirka 40 Prozent auszugehen. Bei angesetzten Stromkosten von 0,20 Euro pro KWh ergeben sich bei dem 1U-Rackserver Asus RS700-E6/RS4 mit einen und zwei Netzteilen sowie dem Intel Low-Power-Server S5500WB bei 40 Prozent Auslastung die folgenden Energiekosten im Monat (30 Tage):
|
Server / Netzteil |
Energie [Watt] |
Elektrische Leistung [KWh pro Monat] |
Energiekosten [€ pro Monat] |
Kostenersparnis [€ pro Monat] |
|---|---|---|---|---|
|
Asus RS700 / 2x 770W |
212 |
152,64 |
30,53 |
-- |
|
Asus RS700 / 1x 770W |
185 |
133,2 |
26,64 |
3,89 |
|
Intel S5500WB / 1x 450W |
152 |
109,44 |
21,89 |
8,64 |
Der Verzicht auf ein zweites Netzteil spart im Asus-Server knapp 4 Euro Stromkosten pro Monat. Wird stattdessen der Intel Low-Power-Server S5500WB mit identischer Storage- und Arbeitsspeicherausstattung betrieben, so lassen sich bereits 8,6 Euro im Monat sparen. Pro Jahr ergibt sich damit eine Stromkostenersparnis von zirka 100 Euro.
Hochgerechnet auf einen 19-Zoll-Schrank mit beispielsweise 20 1U-Rack-Servern lassen sich bereits zirka 2000 Euro Energiekosten pro Jahr sparen, wenn statt dem Standard-Asus-Server mit zwei Netzteilen der auf Energieeffizienz getrimmte S5500WB-Server von Intel verwendet wird. Alle Berechnungen gehen von einer durchschnittlichen Serverauslastung von 40 Prozent aus.
Test: Verschiedene DIMM-Konfigurationen
Im folgenden Diagramm vergleichen wir den Energiebedarf des Asus-Servers RS700-E6/RS4 im Leerlauf mit verschiedenen Speicherausstattungen. Die Speichergeschwindigkeit der DDR3-DIMMs ist stets auf 1066 MHz eingestellt. Durch den im Xeon L5520 integrierten Triple-Channel-Speicher-Controller sind pro CPU drei DIMMs für die volle Speicherbandbreite notwendig. Bei zwei Xeon L5520 werden somit mindestens sechs DIMMs verbaut. Wir ersetzen die sechs 4-GByte-DIMMs zunächst mit sechs 2-GByte-DIMMs. Danach bestücken wir den Server mit zwölf 4-GByte-DIMMs und messen den Energiebedarf nochmals.
Das System läuft unter Windows Server 2008 Enterprise x64 mit dem Energie-Schemata „Ausbalanciert“. Die Xeon-L5520-Prozessoren nutzen ihr Powermanagement-Feature SpeedStep aus:
Im Leerlauf: Durch das aktive DIMM-Powermanagement benötigt der Server bei sechs zusätzlichen Riegeln nur fünf Watt mehr Energie. Der Unterschied zwischen sechs 2- und 4-GByte-DIMMs ist mit sieben Watt schon etwas höher.
Volllast: Unter Volllast ringt SPECpower_ssj2008 dem Server im Lastzustand 100 Prozent den maximalen Energieverbrauch ab. Die verschiedenen DIMM-Konfigurationen beeinflussen den Maximalverbrauch wie folgt:
Werden sie gefordert, benötigt der Server mit zwölf 4-GByte-DIMMs 32 Watt mehr Energie als mit sechs Riegeln. Der Energiebedarf von sechs 4-GByte-DIMMs im Vergleich zu sechs 2-GByte-DIMMs ist unter Last mit 16 zusätzlichen Watt auch deutlich höher als im Leerlauf.
Energieeffizienz: Welchen Einfluss die verschiedenen DIMM-Konfigurationen auf die Energieeffizienz des Servers haben, zeigt folgendes Diagramm. Der Benchmark gibt die gemittelte Performance pro Watt an, die über alle Lastzustände von zehn bis 100 Prozent gemessenen werden.
Genügen 12 GByte Arbeitsspeicher, so sorgen sechs 2-GByte-DIMMs bei identischer Rechenleistung für eine sieben Prozent höhere Performance pro Watt. Gegenüber zwölf 4-GByte-Riegeln ermöglichen die sechs 2-GByte-DIMMs sogar eine 16 Prozent höhere Energieeffizienz des Systems.
Energiekosten: Verschiedenen DIMM-Konfigurationen
Im typischen Alltagsbetrieb ist bei Servern von einer mittleren Auslastung von zirka 40 Prozent auszugehen. Bei angesetzten Stromkosten von 0,20 Euro pro KWh ergeben sich bei dem 1U-Rackserver Asus RS700-E6/RS4 bei 40 Prozent Auslastung mit den verschiedenen DIMM-Konfigurationen die folgenden Energiekosten im Monat (30 Tage):
|
Speicher |
Energie [Watt] |
Elektrische Leistung [KWh pro Monat] |
Energiekosten [€ pro Monat] |
Kostenersparnis [€ pro Monat] |
|---|---|---|---|---|
|
12x 4GB |
234 |
168,48 |
33,7 |
-- |
|
6x 4GB |
212 |
152,64 |
30,53 |
3,17 |
|
6x 2GB |
200 |
144 |
28,8 |
4,9 |
Eine Verdoppelung der DIMM-Anzahl kostet bei den verwendeten DDR3-1066-Modulen pro Monat 3,17 Euro zusätzliche Energiekosten. Der Unterschied, ob 2- oder 4-GByte-DIMMs verbaut sind, ist jedoch mit 1,73 Euro pro Monat sehr gering.
Test: Festplatten vs. Solid State Disks
Solid State Disks gelten als besonders besonders sparsam beim Umgang mit der Energie. Zur Standardausstattung von Rack-Servern zählen die SSDs aufgrund des noch hohen Preises pro Gigabyte längst noch nicht. Typischerweise sind in den 1U-Servern zwei SATA-RAID-Edition-Festplatten mit einer Drehzahl von 7200 U/min.
Im Intel Low-Power-Server S5500WB installieren wir wechselweise die SATA-Festplatten sowie die Enterprise-SSDs Intel X25-E Extreme. Die Performance der SSD liegt deutlich über dem Niveau von Festplatten, wie Sie hier nachlesen können.
Im Diagramm zeigen wir die verschiedenen Leistungsaufnahmen des Servers mit den unterschiedlichen Storage-Konfigurationen:
HDD vs. SSD: Sind statt zwei SATA-Festplatten mit 7200 U/min zwei Enterprise-SSDs verbaut, so verringert sich der Energiebedarf des Servers um sieben Watt. Die Konfigurationen mit einem Laufwerk führen wir nur als zusätzliche Information auf. Im Sinne einer höheren Datensicherheit sollten aber zwei Laufwerke im RAID-1-Verbund verbaut sein.
Energiekosten: Verschiedenen Storage-Konfigurationen
Durch ihren im Vergleich zu Festplatten hohen Preis werden SSDs in Servern noch primär in Szenarien eingesetzt, wo es auf sehr hohen I/O-Durchsatz ankommt. Allerdings sorgen die Solid State Disks auch für eine geringere Energiekosten als die herkömmlichen und in Servern weit verbreiteten 3,5-Zoll-SATA-II-Festplatten.
Bei angesetzten Stromkosten von 0,20 Euro pro KWh ergeben sich bei dem 1U-Rackserver Intel S5500WB „Willowbrook“ mit den verschiedenen Storage-Konfigurationen die folgenden Energiekosten im Monat (30 Tage):
|
Storage |
Energie [Watt] |
Elektrische Leistung [KWh pro Monat] |
Energiekosten [€ pro Monat] |
Kostenersparnis [€ pro Monat] |
|---|---|---|---|---|
|
2x SATA-HDD |
82 |
59,04 |
11,81 |
-- |
|
2x SSD |
77 |
55,44 |
11,09 |
0,72 |
Der Einspareffekt bei den Energiekosten bleibt durch den Wechsel auf SSDs mit 0,72 Euro pro Monat gering. Bei einem jährlichen Einsparpotenzial von knapp neun Euro macht sich der Aufpreis für SSDs selbst fünfjähriger Betriebsdauer nicht bezahlt.
Fazit
Auf jeden für einen Server gezahlten Dollar müssen pro Jahr nochmals 50 Cent für die Strom- und Kühlkosten aufgeschlagen werden. Im Jahr 2010 steigen diese Zusatzkosten bereits auf 70 Cent, wie die Marktforscher von IDC analysieren.
Es macht somit Sinn, sich bereits im Vorfeld einer Server-Neuanschaffung über die Energieeffizienz des Systems zu informieren. Bei identischer Rechenleistung eines 2-Sockel-Servers – in unserem Beispiel mit zwei Xeon L5520 – lassen sich im Jahr schnell 100 Euro Energiekosten sparen. In einem vollbestückten 19-Zoll-Schrank mit 1U-Servern summiert sich das ganze schnell zu erklecklichen Summen von mehreren tausend Euro.
Achten Sie bei der Konfiguration des Servers auf die Anzahl der DIMMs – hier werden meist unterschiedliche Optionen feilgeboten. Auch gilt es zu überlegen, ob ein redundantes Netzteil aus Sicherheitsgründen zwingend notwendig ist. Im Einzelbetrieb ist es sicherlich sinnvoller als im Clusterverbund.
Auf Solid State Disks können Sie aus Energieeffizienzgründen noch am ehesten verzichten. Durch den hohen Aufpreis gegenüber SATA-Festplatten lohnt die Anschaffung nur, wenn sehr hohe I/O-Raten erforderlich sind. Nur in besonders dicht gepackten Rack-Schränken reduziert sich durch den Einsatz der SSDs auch die erforderliche Kühlleistung merklich, so dass Energie gespart wird. (cvi)
Dieser Artikel basiert auf einem Beitrag der CW-Schwesterpublikation TecChannel