Mobile-Menu

Klimatisierung von hochintegrierten Speicherschränken Der Einfluss von Flash auf die Systemintegration

Autor / Redakteur: Hermann Strass / Nico Litzel

Um ein Speichersystem für mehrere Jahre betriebssicher aufzubauen, sind viele Details zu beachten. Da Speichersysteme große Stromverbraucher sind, gilt es Wärmestaus, sogenannte Hot Spots, zu vermeiden, die die Lebensdauer der Systeme herabsetzen.

Anbieter zum Thema

IBM hat bei der Adaptierung der Texas-Memory-Systems-Technik auf Rechenzentrumsbedürfnisse einen großen Schritt vorwärts gemacht. Alle Module und Kanister des FlashSystem 840 sind nun ohne Ausbau des Gehäuseeinschubs von vorne oder von hinten zugänglich und können im laufenden Betrieb getauscht werden.
IBM hat bei der Adaptierung der Texas-Memory-Systems-Technik auf Rechenzentrumsbedürfnisse einen großen Schritt vorwärts gemacht. Alle Module und Kanister des FlashSystem 840 sind nun ohne Ausbau des Gehäuseeinschubs von vorne oder von hinten zugänglich und können im laufenden Betrieb getauscht werden.
(Grafik: IBM)

Speicher an sich ist ein großer Stromverbraucher und Abwärmeproduzent. Das ist bei der Zusammenstellung größerer Speicherkonfigurationen zu beachten. Schon heute ist es keine Schwierigkeit, pro 19-Zoll-Rack einen Stromverbrauch von über 15 Kilowatt zu erreichen. Das überschreitet sogar die Kühlleistung pro Rack von modernen Rechenzentren.

In Zukunft könnte das Aufeinanderstapeln von 2D-Flash-Speicherchips wie auch der Aufbau von sogenannten 4D-Speicherchips zu einer weiteren Konzentration dieser großen Hitzequellen führen. Eine gute Klimatisierung ist das A und O langlebiger Datenspeicher.

Chips

Chips sind inzwischen nicht nur kleine, flache Scheiben („Dies“). Die einzelnen „Dies“ können bereits 3D-Strukturen enthalten. Mehrere „Dies“ werden nebeneinander oder aufeinander geklebt oder ohne Substrat dazwischen aufgebaut und mit einem Gehäuse ummantelt. Die kurzen Verbindungswege erhöhen die Geschwindigkeit, der kompakte Aufbau reduziert den Platzbedarf. So entstehen schelle Chips mit hohen Speicherkapazitäten.

Problematisch ist die Wärmeabfuhr aus dem Inneren der Chips. Hier gilt die Arrhenius-Regel, wonach die mittlere Lebensdauer von Halbleitern bei einer Erhöhung der Arbeitstemperatur um zehn Grad Celsius halbiert wird. Das wirkt sich deutlich aus, wenn MLC-Chips anstatt SLC-Chips eingesetzt werden, da MLC-Technik schon grundsätzlich erheblich kurzlebiger und störungsanfälliger ist.

Platinen

Die Flash-Speicherchips werden dann auf Platinen zusammen mit der Ansteuerelektronik aufgelötet. Die vielen Chips erzeugen alle zusammen eine größere Wärmemenge mit den bekannten Problemen. Die sehr schmalen Leiterbahnen zur Verbindung der Chips untereinander und mit den Steckverbindern zur Verbindung der Platinen miteinander in einem Gehäuse bilden Antennen, die Energie unnötig abstrahlen und Energieverluste erzeugen.

Bei den sehr hohen Taktraten moderner Systeme werden die einzelnen Signale zum störungsfreien Transport auf zwei nebeneinander liegenden Differenzialleitungen übertragen. Die Bahnen dieser Leitungspaare müssen elektrisch exakt gleich lang sein. Sie dürfen auch keine 90-Grad-Winkel in ihrem Verlauf haben. Meist wird das mit zwei 45-Grad-Ecken umgangen.

Baugruppenträger

Chassis (Baugruppenträger) sind oft nur eine Höheneinheit (HE; 44,75 mm) hoch und 19 Zoll breit für die Montage in einem genormten Standardschrank. Manche Systeme sind auch 3 HE (3U) hoch. Im Chassis sind die Flash-Speicherkarten, Schnittstellenkarten, Stromversorgung und weitere unterstützende Elektronik untergebracht. So wird die abzuleitende Wärmemenge immer größer.

Ist ein Speichersystem als System aus Speicherlaufwerken (Ersatz für Festplatten) aufgebaut, dann sind die SSDs (Solid-State Disk Drives) individuell in einem Umgehäuse untergebracht und mechanisch neben- oder übereinander in einem mechanischen Rahmen untergebracht, der dann ebenfalls in einen Schrank eingebaut wird. Oft werden einzelne PCIe-Speicherkarten im Server als SDDs bezeichnet.

Der 19-Zoll-Schrank

Der Standardschrank für Rechenzentren ist 42 HE (ca. 1,90 m) hoch. Es passen also rein mechanisch bis zu 42 Chassis Typ IBM FlashSystem 820 in einen Schrank. Bei einer Speicherkapazität von 24 Terabyte pro Höheneinheit bedeutet das eine Gesamtspeicherkapazität pro Rack von 1.008 Terabyte. Das gilt auch für das Anfang 2014 auf den Markt gekommene FlashSystem 840. Die Leistungsaufnahme würde beim Komplettausbau mit dem 840er-Chassis etwas über 15 Kilowatt erreichen.

Mehrere Schränke werden in Rechenzentren oft nebeneinander in Reihen angeordnet, wobei aufgrund der Kühlluftführung dann Kalt- und Warmgänge entstehen. Diese sind gegeneinander abgeschottet, damit die abgeleitete Warmluft nicht erneut in den Kühlluftkreislauf gelangt. Moderne Systeme benutzen die meiste Zeit des Jahres ungekühlte, aber gefilterte Außenluft. Die von IBM entwickelte Technik der Kühlung mit warmem (nicht vorgekühltem) Wasser wird in Höchstleistungsrechenzentren eingesetzt. Die abgeführte Wärme wird oft zur Heizung der Büroräume genutzt, der Rest wird aus dem Gebäude ausgeblasen.

Stark vorgekühlte Luft ist zu energieaufwendig

Die früher übliche Methode, sehr stark vorgekühlte Luft durch einen Doppelboden und durch die Schränke zu blasen, ist für heutige Anwendungen zu energieaufwendig. Die erwähnte Warmwasserkühlung mit typisch 40 Grad Celsius Zulauf- und bis zu 60 Grad Celsius Ablauftemperatur erscheint zunächst unter Beachtung der Arrhenius-Regel problematisch zu sein. Solche Höchstleistungssysteme sind aus sehr zuverlässigen Komponenten aufgebaut und mit effektiven Korrekturmechanismen ausgerüstet. Damit arbeiten solche Systeme problemlos während der oftmals geplanten Lebensdauer von fünf Jahren. Nach dieser Zeit sind solche Systeme leistungsmäßig so veraltet, dass sie ohnehin ausgemustert werden.

Fazit

Neben der effektiven Nutzung der Besonderheiten einer Architektur aus Flash-Chips, Speichersystem-Aufbau und Rechenzentrumsbetrieb ist das wichtigste Thema die Abfuhr der erzeugten Verlustwärme. Bei sorgfältiger Planung und mit großer Erfahrung beim Anbieter und Anwender können Speichersysteme besonders effektiv betrieben werden.

Dieser Artikel stammt aus dem eBook „Flash-Technik im Detail“. Hier können Sie das komplette eBook kostenlos als PDF herunterladen.

Jetzt Newsletter abonnieren

Täglich die wichtigsten Infos zu Data-Storage und -Management

Mit Klick auf „Newsletter abonnieren“ erkläre ich mich mit der Verarbeitung und Nutzung meiner Daten gemäß Einwilligungserklärung (bitte aufklappen für Details) einverstanden und akzeptiere die Nutzungsbedingungen. Weitere Informationen finde ich in unserer Datenschutzerklärung.

Aufklappen für Details zu Ihrer Einwilligung

(ID:42549093)