Ein neuartiger Algorithmus, der Strompreisfluktuationen bei der Weiterleitung von Internet-Datenverkehr einbezieht, könnte datenhungrigen Unternehmen wie Google, Microsoft und Amazon künftig jährlich Millionen sparen. Eine Studie, die Forscher von MIT und Carnegie Mellon University in Zusammenarbeit mit dem Netzwerkbetreiber Akamai durchführten, legt nahe, dass Web-Konzerne ihre Energiekosten um bis zu 40 Prozent reduzieren könnten, wenn sie ihre Daten nur an jene Orte umleiten würden, wo an einem bestimmten Tag die Strompreise gerade besonders günstig sind.
Moderne Rechenzentren fressen enorme Energiemengen und die dort eingesetzte Infrastruktur wird immer gigantischer. Und der Trend dürfte weitergehen: Der Strombedarf an zentraler Stelle verstärkt sich zusätzlich durch die Tatsache, dass Anwendungen von Desktop-Rechnern zunehmend ins Internet verlagert werden. Immer mehr Daten landen in der "Cloud", also auf Servern im Netz. Die größten IT-Firmen der Welt geben dementsprechend konservativen Schätzungen zufolge inzwischen im Schnitt mindestens 30 Millionen Dollar im Jahr allein für Elektrizität aus.
Asfandyar Qureshi, Doktorand am MIT, legte die Idee eines "Smart Routing"-Algorithmus, der Strompreise in seine Kalkulation einbezieht, erstmals im Oktober 2008 vor. Nach Erscheinen seines Papers kontaktierte der Forscher zusammen mit seinen Kollegen die Industrie, darunter den Netzwerkbetreiber Akamai. Der half Qureshi mit Echtdaten aus, um seine Annahmen zu testen.
Akamai eignete sich besonders gut dafür: Der Datentransporteur verteilt Informationen von Unternehmen auf der ganzen Welt und sorgt dafür, dass etwa Videostreams möglichst unterbrechungsfrei an den Endkunden ausgeliefert werden können. Dazu werden Daten möglichst nah lokal zwischengespeichert. Pro Tag werden bei Akamai rund 275 Milliarden einzelne Nutzerabfragen behandelt; die Verkehrsdaten waren deshalb gut dafür geeignet, Nachfragemodelle großer Online-Firmen an ihnen zu testen.
Die Forscher analysierten zunächst die Strompreisdaten aus 39 Monaten für 29 große US-Städte. Die Energiekosten fluktuieren aus verschiedenen Gründen, darunter jahreszeitlichen Veränderungen der Versorgungslage, Rohstoffpreissteigerungen und unterschiedliche Nachfrageentwicklungen. Den Forschern fiel dabei eine erstaunlich große Volatilität auf – und zwar sogar in geografisch nahe beieinander liegenden Regionen.
"Besonders überrascht hat uns, dass es keinen Ort gab, der immer der billigste war", meint Bruce Maggs, Forschungsvizepräsident bei Akamai, der an dem Projekt mitgearbeitet hat, als er noch Professor an der Carnegie Mellon University war. "Es gibt große Fluktuationen über kurze Zeitbereiche hinweg."
Das Team entwickelte anschließend ein Routing-Schema, um die täglichen und sogar stündlichen Veränderungen bei den Stromkosten im ganzen Land ausnutzen zu können. Das Endergebnis ist ein Algorithmus, der die physikalische Distanz beim Routing der Informationen (weil Fernverbindungen teurer sein können) gegenüber den möglichen Einsparungen bei den Energiekosten abwägt.
Anhand der Aktivität von neun Akamai-Servern im ganzen Land fand das Team heraus, dass im besten Fall (Energienutzung ist proportional zur Computernutzung) Einsparungen in Höhe von 40 Prozent möglich waren. "Diese Ergebnisse waren schon sehr erstaunlich", meint Maggs.
Die Möglichkeit, den Energieverbrauch ortsbezogen zurückzufahren, könnte für große Internet-Firmen noch einen anderen Vorteil haben. Hat der Stromlieferant Probleme, die Nachfrage an einem Ort zu befriedigen, könnte ein Unternehmen schnell reagieren und die Rechenkapazität woanders nachfragen. Den Forschern zufolge sind bereits heute passende Marktmechanismen dafür vorhanden.
Die größten Web-Firmen der Welt leiden unter dem ständig steigenden Energiebedarf. Einem Report von McKinsey und dem Uptime Institute vom vergangenen Sommer zufolge wird sich die Stromnachfrage durch Rechenzentren in den nächsten zehn Jahren vervierfachen, wenn die Effizienz bestehender Systeme nicht erhöht wird.
Der Druck, Kosten zu reduzieren und Emissionen zu senken, zwingt das Management vieler Rechenzentren dazu, radikal umzudenken, wie sie ihre Anlagen künftig gestalten und führen wollen. Google baute erst kürzlich eine Anlage in Belgien, die komplett auf Umgebungskühlung setzt: Wird es draußen zu heiß, schalten sich die Server einfach ab. Maggs zufolge ist das stromsparende Internet-Routing nur eine Fortführung dieser Idee. "Ressourcen werden immer leichter ersetzbar. Weiter lässt sich das kaum treiben."
"Im Prinzip könnte das klappen", glaubt auch Jonathan Koomey, Forscher am Lawrence Berkeley National Laboratory und beratender Professor an der Stanford University, der Energieverbrauch und Umweltauswirkungen in der IT erforscht. Wichtig sei aber, Servertechnik einzusetzen, die entsprechende Kontrollinstrumente überhaupt beinhalte. Und genau die müssten kostengünstig genug sein, damit sich das Routing lohne. "Es darf dabei außerdem nicht zu Einschränkungen bei Zuverlässlichkeit und Latenz kommen."
Maggs warnt, dass die Idee längst nicht garantiert, dass weniger Strom verbraucht wird – auch eine Reduktion des CO2-Ausstoßes muss nicht die langfristige Folge sein. Es gehe zunächst allein um Stromkosten. "Beides zusammen, also Energiesparen und geringere Ausgaben, ist aber möglich."
Damit die Idee funktioniert, benötigt die Hardware der angeschlossenen Firmen zudem eine Art von Energieelastizität. Mit anderen Worten: Die Server müssen im Stand-by-Betrieb deutlich weniger Strom verbrauchen als unter Volllast. Das ist nicht überall der Fall; Googles eigenentwickelte Server-Technik kann aber beispielsweise im Leerlaufmodus 35 Prozent weniger Strom verbrauchen.
Michael Manos, Senior-Vizepräsident bei Digital Realty Trust, einer Firma, die große Rechenzentrumsprojekte entwickelt, baut und managt, glaubt, dass die fehlende Elastizität aktueller Hardware es unmöglich machen könnte, die gewünschten Einsparungen zu erreichen.
"Ich halte das für eine tolle Forschungsarbeit, aber es gibt einige grundlegende Probleme mit den verwendeten Grundannahmen, die dafür sorgen, dass es nicht zu den gewünschten Einsparungen kommt", meint er. Die meisten Server würden beispielsweise nicht unter Volllast gefahren. "Das schafft man einfach nicht."
Manos sieht trotzdem jede Menge Verbesserungsmöglichkeiten beim Bau von Rechenzentren. "Ich glaube, dass die Industrie erst am Anfang einer Art Renaissance steht. Technologische Entwicklungen, wirtschaftliche Faktoren und eine neue Art von Managern sorgen dafür, dass sich der Sektor verändert. Wer da mitmachen will, kommt zur rechten Zeit."
Experte Koomey meint dennoch, dass unkontrollierbar steigende Energiekosten einige Firmen dazu bewegen könnte, radikale Schritte zur Umleitung ihrer Daten anzupacken: "Die Stromkosten sind eine Komponente im Rechenzentrumsbudget, die groß genug ist, dass das klappen könnte."
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