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Rechenzentrum im CERN

Server im Rechenzentrum von CERN

Datacenterpark der Hetzner Online GmbH

Mit Rechenzentrum bezeichnet man sowohl das Gebäude bzw. die Räumlichkeiten, in denen die zentrale Rechentechnik (z. B. Rechner, aber auch die zum Betrieb notwendige Infrastruktur) einer oder mehrerer Unternehmen bzw. Organisationen untergebracht ist, als auch die Organisation selbst, die sich um diese Computer kümmert. Ihr kommt damit eine zentrale Bedeutung in der Nutzung von EDV in Unternehmen, Verwaltungen oder anderen Institutionen zu.

Die gängige Abkürzung ist RZ, organisationsabhängig kann mit ZER (zentrale Einrichtung Rechenanlagen) ebenfalls ein Rechenzentrum gemeint sein.

In den Betrieben und staatlichen Einrichtungen der DDR waren entsprechende Einrichtungen häufig mit Organisationsabteilungen verbunden und wurden als Organisations- und Rechenzentrum, abgekürzt ORZ, bezeichnet.

Aufgaben |

zahlreiche Server der Wikimedia Foundation in mehreren Racks

Rechenzentren waren häufig einer administrativen Stelle zugeordnet, zum Beispiel der Finanzverwaltung, einer Forschungseinrichtung, einer Hochschule oder einem kommerziellen Betrieb wie einer Bank oder einer Versicherung. Diese administrativen Stellen haben die Anforderung, große Datenmengen zu verarbeiten, etwa die Steuererklärungen aller Bürger eines Bundeslandes. Deshalb war auch eine umfangreiche Maschinenausstattung notwendig, die nur konzentriert in einem Rechenzentrum gepflegt werden konnte. Mittlerweile ist das Outsourcen von Rechenzentren eine häufige und erfolgreich umgesetzte Option.

In den Prä-PC-Zeiten wurden vom Staat sog. Gebietsrechenstellen geschaffen, die die Aufgabe hatten, Rechenkapazität für staatliche Einrichtungen zur Verfügung zu stellen. Meist unterstanden diese Gebietsrechenstellen den Landesämtern für Statistik und Datenverarbeitung, gelegentlich waren sie auch Hochschulen zugeordnet.^[1]

Moderne Rechenzentren stellen eine hochredundante Infrastruktur bereit, in der Server mit minimalen geplanten Ausfallzeiten arbeiten können. Sämtliche für den Betrieb benötigten Anlagen sind mehrfach vorhanden. Beispielsweise sorgen Klimageräte für die dringend benötigte Kühlung der Hochleistungsrechner, es werden allerdings mehr Geräte genutzt als für die im normalen Betrieb abgegebene Wärmemenge benötigt würden. Auf diese Weise können regelmäßig einzelne Aggregate gewartet werden, ohne dass es Auswirkungen auf den gesamten Betrieb hat. Die gleiche Anforderung für die Bereitstellung der Stromversorgung zu erfüllen, ist jedoch deutlich aufwändiger. Moderne hochwertige Server besitzen üblicherweise zwei Netzteile, die unabhängig voneinander den gesamten Server versorgen können. Diese Netzteile werden in einer Kreuzverkabelung mit unterschiedlichen Stromführungen verbunden. Auf diese Weise kann jeweils eine Seite der Stromversorgung gewartet werden, ohne die Server zu stören. Jede Stromversorgung umfasst eine eigene USV und eigene Netzersatzanlagen, deren Wartung somit ebenfalls keine Ausfallzeiten erzeugt. Geräte mit nur einem Netzteil würden dann einen Single Point of Failure darstellen, wenn sie nicht mittels eines automatischen Transferschalters mit der jeweils stromführenden Schiene verbunden werden. Abgeschlossen wird diese Installation mittels eines doppelten (redundanten) Anschlusses der Stromversorgung an unterschiedliche Transformatoren und getrennte Netzbereiche des lokalen Energieversorgungsunternehmens. Wartungen an dieser Infrastruktur sind, trotz der Eigenschaft, dass nun erst nach 3 bis 5 aufeinander folgenden Fehlern eine Störung möglich wird, noch immer sorgfältig zu planende und abzustimmende kritische Eingriffe, da Fehlhandlungen der Infrastruktur-Administration hier noch nicht automatisiert abgefangen werden können.

Organisatorische Aufteilung |

Ein normales Rechenzentrum sieht im Rahmen der Betreuung der Geräte eine organisatorische Dreiteilung vor.

Systemtechnik |

Techniker mit Laptop an einem Rack

Die Systemtechnik ist für die Hardware verantwortlich. Die Systemtechniker reparieren defekte Geräte, führen technische Installationen am Gerät aus, kümmern sich um die Verkabelung etc. Die Mitarbeiter aus der Systemtechnik sind in der Regel in der Nähe der elektrotechnischen Berufe anzusiedeln.

Systemverwaltung |

Die Systemverwaltung ist für die Administration der Maschinen zuständig. Man spricht daher auch von der Systemadministration bzw. einfach nur von der Administration. Die Mitarbeiter sind für die softwareseitige Konfiguration des Maschinenparks verantwortlich. Wird beispielsweise von der Systemtechnik ein neues Festplattenlaufwerk hardwaremäßig angeschlossen, so muss die Systemverwaltung dafür sorgen, dass dieses Laufwerk auch softwareseitig von den Rechnern erkannt und benutzt werden kann.

Die Verantwortung der Systemverwaltung ist es, die Maschinen am Laufen zu halten, abgestürzte Maschinen wieder aufzusetzen, Software zu installieren und die Systeme zu überwachen. Weiterhin sind die Systemverwalter für die Datensicherheit zuständig, sie arbeiten zum Beispiel Datensicherungspläne („Backuppläne“) aus und sorgen für deren Vollzug. Die Softwareseite des Datenschutzes obliegt ebenfalls der Systemverwaltung.

Die Administration von Software kann in den Bereich der Systemverwaltung fallen, wenn nicht eine eigene Abteilung für derartige Aufgaben benannt worden ist (Datenbanken, Kommunikationssysteme etc.).

Systemverwalter haben meistens eine IT-Ausbildung.

Operating |

Das Operating übernimmt tendenziell Hilfsaufgaben, die vom Wechseln des Druckerpapiers, dem Schneiden der Ausdrucke und deren Verteilung oder dem Einlegen von Magnetbändern oder ähnlichem bis zur Umdefinition von Prioritäten in den Prozessabläufen reichen. Operator war in den siebziger Jahren noch ein sehr qualifizierter Beruf; damals sorgten Operateure für die optimale Nutzung der Großrechner. Dazu analysierten sie die anstehenden Prozesse nach ihrem Ressourcenbedarf und sorgten – z. B. durch manuelles Anstarten verschiedener Prozesse – für eine optimale Systemauslastung und für die Vermeidung insbesondere von ressourcenbedingten Störungen oder einem deadlock. Durch die Verbilligung und Leistungssteigerung der Hardware sowie immer intelligentere Betriebssysteme ist dieses Problem heutzutage in der Regel entschärft.

Durch fortschreitende Automatisierung sind viele Aufgaben, die früher von Operateuren wahrgenommen wurden, überflüssig geworden. Eine ihrer Hauptaufgaben besteht heute darin, Rechner nach Abstürzen neu zu starten, neuinstallierte Komponenten von Systemtechnikern oder Administratoren in den Normalbetrieb zu übernehmen oder Auffälligkeiten im Betrieb, insbesondere Netzbetrieb zu erkennen und weiterzumelden. Die Kosten durch Ausfälle rechtfertigen die Personalkosten ohne weiteres.

Räume |

Netzwerkkabel im Boden

Ein Rechenzentrum auf dem Stand der Technik ist mit zwei Räumen ausgestattet, einem Sicherheitsraum für die sog. Feintechnik (IT-Systeme) und einem Raum für die sog. Grobtechnik (Klimatisierung, Energieversorgung, Löschmittel etc.). Ein Rechenzentrum kann mit einem geräumigen Doppelboden ausgestattet sein, durch den nicht nur die Verkabelung, sondern auch kühle Luft von der Klimaanlage zu den Geräten geführt wird. Netzwerkschränke stehen sich in geschlossenen Reihen mit ihren Vorderseiten oder Rückseiten gegenüber. Weil die Geräte Luft vorn ansaugen und hinten ausblasen, werden damit sogenannte kalte Gänge und heiße Gänge gebildet. Vor den Schränken wird kühle Luft aus dem Boden ausgeblasen und hinter den Schränken warme Luft an der Decke abgesaugt.
Eine Maßnahme zur kostenmindernden Effizienzsteigerung der Kühlung im Rechenzentrum ist die Einhausung von Kaltgängen (auch Kaltgangeinhausung oder Cold Aisle Containment genannt), in die die kalte Luft aus dem Doppelboden einströmt.

Server-Racks mit hohen Wärmeverlustleistungen (> 10 kW pro Rack) sind mit einer Kühlung über einen Druckdoppelboden nicht mehr ausreichend zu kühlen. Dafür gibt es spezielle Rackkühlungen mittels Wasser- oder Kältemittelkreislauf, die die Wärme direkt am Rack abführen.

Die hohe Leistungsdichte und damit einhergehende Wärmeentwicklung erfordert nicht nur aufwendige Maßnahmen zur Kühlung, sondern bewirkt durch den Lärm der in den Geräten enthaltenen Ventilatoren auch, dass während des Aufenthalts im Feintechnikraum evtl. auch ein Gehörschutz erforderlich ist. Eine direkte Rackkühlung ist gegenüber einer indirekten Luftkühlung energieeffizienter und auch weniger laut.

Die Anforderungen an die Verfügbarkeit von Rechenzentren sind hoch. Sie werden deshalb mit redundanten Klimaanlagen, unterbrechungsfreien Stromversorgungen, Brandmeldeanlagen und einer Löschanlage ausgestattet.

Sicherheit |

Abhängig vom administrativen Umfeld gibt es unterschiedlich starke Sicherheitsanforderungen an Rechenzentren. Meist wird lediglich der Zutritt kontrolliert und die Räume sind durch Alarmanlagen gesichert. Einige sind sogar in einem Bunker untergebracht, der unterirdisch mehrere Stockwerke umfasst, Druckwellen, Hitze und ionisierende Strahlung fernhält und mitunter sogar EMP-gesichert ist. Der Zutritt ist auf jeden Fall strikt reglementiert.

Dem Brandschutz und der Vermeidung von Feuern wird ein besonderer Stellenwert eingeräumt. Neben Brandabschottungen sind es Löschanlagen, die Hardwareschäden minimieren können. Wasser, Löschschaum oder Pulverlöschsysteme können einem Großrechner mehr Schaden zufügen als ein verschmortes Kabel. Aus diesem Grund werden in modernen Rechenzentren vielfach Halone als Löschmittel vorgehalten.
Im Gegensatz zu bisher verwendeten Löschgasen beruht deren Wirkung hauptsächlich auf Unterbrechung des Brandes auf chemischem Weg (Ähnlich wie bei Pulver als radikalischer Inhibitor), während z. B. Stickstoff oder Argon die Flammen nur durch die Verdrängung des Sauerstoffs bei Flutung des Raumes ersticken. Die Gase sind elektrisch nicht leitfähig und Kurzschlüsse werden vermieden. Durch die Begrenzung der Gaskonzentration auf einen festgelegten Wert sind die Räume von gesunden Personen weiterhin begehbar. Andere Gase wie Kohlenstoffdioxid sind bei neu errichteten Rechenzentren wegen der toxischen Wirkung sogar verboten. Der Einsatz von Löschgasen bewirkt allerdings einen Überdruck, so dass der Einsatz von Druckentlastungsklappen erforderlich ist.
Problematisch ist auch die rechtzeitige Früherkennung eines Brandes. Konventionelle punktförmige Brandmelder sind für den Einsatz in einem Rechenzentrum schlecht geeignet, weil durch den Einsatz von Kühlsystemen bis zu 1 m dicke Warmluftpolster unter der Decke entstehen können, so dass der Rauch nicht an den Melder gelangt. Darüber hinaus arbeiten moderne Server-Racks mit hohen Luftwechselraten, die den Rauch stark verdünnen. Der Branchenverband BITKOM empfiehlt daher den Einsatz hochsensibler Rauchansaugsysteme.^[2]

Alternativ oder ergänzend zu einer Branderkennung und automatischen -löschung gibt es auch Sauerstoffverarmungssysteme, die den Anteil des Luftsauerstoffs soweit absenken (von 21 % auf 13,5 % bis 17 %) und durch inertes Gas austauschen (in der Regel Stickstoff), dass sich ein Feuer nur sehr schwer oder gar nicht mehr entzünden kann. Der verbleibende O₂-Partialdruck bei z. B. 15 % entspricht dem in einer Höhe von 2700 m, so dass es für gesunde Menschen nur minimale Einschränkungen gibt.^[3]

Die Archivierung von wichtigen Datensicherungen findet in einem anderen Brandabschnitt mit zum Teil höheren Schutzwertigkeiten (Temperatur im Brandfall max. 50 °C) statt.

Durch Bauarbeiten, Wartungsarbeiten oder Reparaturarbeiten im Rechenzentrum kommt es zu Staubablagerungen. Baustaub hat durch die grobe Körnung sogar eine schleifende, abrasive Eigenschaft und kann zu Schäden an beweglichen Teilen, wie Lüfter und Backup-Komponenten führen. Staub behindert die nötige Wärmeabfuhr und kann Korrosion, Überhitzung und Ausfälle verursachen. Ruß durch Rauchentwicklungen z. B. nach einem Brandschaden kann die Wärmeabfuhr der RZ-Komponenten vermindern und ist wie Zink-Whisker elektrisch leitfähig. Dadurch erhöht sich das Risiko von Kurzschlüssen an Baugruppen und Elektronik der RZ-Komponenten. Bauarbeiten im Rechenzentrum können dermaßen Staub erzeugen, dass der Betrieb der IT-Systeme ernsthaft gefährdet ist und die IT-Sicherheit rapide sinkt. Als anerkannter Standard für die Sauberkeit von Rechenzentren gilt die ISO 14644-1 Klasse 8. Führende Hardware-Hersteller fordern für einen einwandfreien Betrieb ihrer Hardware die Einhaltung dieser Reinraumklasse. Die DIN EN ISO 14644 war ursprünglich für Reinräume und „kritische Umgebungen“ vorgesehen hält aber zunehmend auch in Rechenzentren Einzug.^[4]

Notfallrechenzentrum |

Um für Katastrophen, engl. disaster, (z. B. ein Erdbeben, ein Anschlag oder ein Brand) oder Ausfallzeiten, engl. downtime, (geplant für z. B. Updates oder ungeplant bei Störungen) gerüstet zu sein, gibt es als Redundanz-Szenario das Backup-Rechenzentrum (manchmal auch Geo-Redundanz). Dabei wird ein zweites Rechenzentrum, räumlich vom Originalrechenzentrum deutlich getrennt (je nach Anforderung und möglichen Ausfallszenarien in einem anderen Stadtteil, Land oder sogar Kontinent), möglichst komplett dupliziert. Die Duplizierung gilt sowohl für die Hardware als auch für die Software und die jeweils aktuellen Daten. Sollte das Originalrechenzentrum ausfallen, so kann der Betrieb im Backuprechenzentrum fortgesetzt werden. Limitierende Faktoren sind die Duplizierung der Daten pro Zeiteinheit und die „Umschaltzeit“. Auch eine nur teilweise Redundanz z. B. nur der unternehmenskritischen Systeme und Daten ist aus Kostengründen anzutreffen.

Hochsicherheitsrechenzentren wie earthDATAsafe sind bis zu einigen Dutzend oder gar Hunderten von Metern unter der Erde in Stollen, Bunkern und ähnlichen Umgebungen untergebracht.

Notfallpläne und Ausstattung sehen oft vor, dass die Arbeitsräume der Mitarbeiter bis auf die Ausstattung des einzelnen Arbeitsplatzes 1:1 kopiert werden, sodass die Arbeiten in den Räumlichkeiten des Backup-Rechenzentrums mit sehr kurzer Verzögerung fortgesetzt werden können.

Der Grund für die Aufwendungen in Zeit, Personal und Geld ist nachvollziehbar: Der Ausfall eines Rechenzentrums wird als Unternehmensgefährdung bis hin zur Insolvenz angesehen.

Um die doppelte Ausrüstung nicht nur für den Notfall stehen zu lassen, der nur eher selten eintritt, wird in der Regel auch diese Rechenkapazität genutzt. Es wird daher nach Produktions- und Testsystemen unterschieden. So kann zum Beispiel der Server, der für die Produktion genutzt wird, im Hauptrechenzentrum stehen, während ein identischer Server im Backuprechenzentrum nur zur Entwicklung und zum Testen genutzt wird. Bei einem Ausfall des Hauptrechenzentrums wird der Entwicklungs- und Testserver für die Aufrechterhaltung der Produktivsysteme genutzt. Es ist für diese Zeit dann zwar kein Entwickeln mehr möglich, aber die wichtigere Produktion fällt nicht aus.

In der Kombination aus Haupt- und Backup-Rechenzentrum wächst aber auch die Gefahr, notwendige Erweiterungen und Ergänzungen (Klima, Energie, Zutritt, Überwachung, Energieeffizienz) nicht oder nur verspätet vorzunehmen, da es ja eine vermeintlich weitere Sicherheitsstufe durch das Vorhandensein eines Backup-Rechenzentrums gibt.

Notfall-Management |

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In jeder Konfiguration von Rechenzentren ist ein Notfall- oder Katastrophenmanagement unabdingbar. Jeder Beteiligte muss im Ernstfall wissen, was zu tun und wer zu informieren ist. Die Grundlage dieses Wissens und Handelns ist das Notfallhandbuch, in dem alle relevanten Informationen über das Rechenzentrum, die eingesetzten Systeme und Infrastrukturen, die „schnelle Eingreiftruppe“ und der Ablaufplan inkl. aller Personen und deren Kontaktdaten enthalten sein müssen. Zur Überprüfung der Notfallszenarien sind realistische und periodische Tests durchzuführen.

Stromverbrauch |

Die rund 52.000 deutschen Rechenzentren verbrauchten 2011 9,7 Terawattstunden Strom.^[5] Davon entfällt nur ein Teil auf den tatsächlichen Betrieb der IT,^[6] ca. 50 Prozent werden durch Kühlung, USV und andere Komponenten verursacht.^[7] Große Rechenzentren können einen dauerhaften Leistungsbezug von 100 MW elektrischer Energie aufweisen. Zur Steigerung der Energieeffizienz kann die dabei entstehende Abwärme mit Großwärmepumpen genutzt und die gewonnene Wärmeenergie anschließend in Nah- und Fernwärmenetze eingespeist werden. Mit Stand 2017 wird dies z. B. in Rechenzentren in Stockholm und Helsinki bereits praktiziert.^[8]

Alle Maßnahmen, die zu einer effizienteren Ressourcenauslastung des IT-Equipments, einer Reduktion der CO₂-Emissionen sowie zu einer höheren Energieeffizienz beitragen, werden unter den Begriff Green IT subsumiert. Seit 2006 zählt Green IT zu den Leitthemen der IT-Branche und konnte sich weitestgehend von dem Vorwurf befreien, bloßes Marketinginstrument zu sein. Herstellerunabhängige Empfehlungen zur Gestaltung einer RZ-Umgebung im Sinne der Green IT sind auf Webseiten der BITKOM,^[9] von Gartner,^[10] dem Borderstep Institut^[11] und Uptime Institute^[12] zu finden.

Besichtigung |

Viele Rechenzentren werden mit personellem und technischem Aufwand überwacht und können nur von autorisiertem Personal betreten werden. Einige Rechenzentren zeigen im Rahmen von Tagen der offenen Türen einen Teil ihrer Systeme kleinen, geführten Besuchergruppen.^[13] Kommerzielle Rechenzentren und Anbieter von RZ-Flächen bieten – insbesondere für potenzielle Neukunden – Führungen an.

Siehe auch |

• Portal: Rechenzentrum


• Kommunales Gebietsrechenzentrum


• Liste großer Rechenzentren


• Datenverarbeitungszentrum

Literatur |

• IT-Finanzmanagement (ISBN 3-936755-27-2)


• Informatik-Management (ISBN 3-540-57458-1)


• Computer für Genossenschaften. Die Geschichte der genossenschaftlichen Rechenzentralen (ISBN 3-87151-002-5)


• Rechenzentren (ISBN 3-8167-0147-7)


• Sicherheitsmanagement (ISBN 978-3-503-10002-6)

Weblinks |

 Commons: Data centers – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

 Wiktionary: Rechenzentrum – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen

• Fachartikel zur Kaltgangeinhausung und weiteren Lösungsansätzen für eine höhere Kühlungseffizienz in Rechenzentren


• Das RZ in der Pyramide: Datacenter-Kühlung bei den alten Ägyptern abgeschaut


• Plug-and-Play-Module verbannen RZ-Paradigmen ins Reich der Mythen, Microsoft macht es vor: Der Computer ist das Rechenzentrum

Einzelnachweise |

1. 
   ↑ Rechenzentren-Disput, Computerwoche vom 18. März 1977
   


2. 
   ↑ BITKOM Leitfaden: Betriebssichere Rechenzentren, 2010, Version 2, S. 35ff.. Bitkom.org. Abgerufen am 20. Oktober 2011.
   


3. 
   ↑ Funktionsprinzip von OxyReduct
   


4. 
   ↑ Frank Keding: Data-Center-Cleaning-Standard-DIN-EN-ISO14644-1-Reinraumklasse8. In: Rechenzentrum Reinigung. Frank Keding, 4. November 2016, abgerufen am 4. November 2016. 
   


5. 
   ↑ Energieverbrauch und Energiekosten von Servern und Rechenzentren in Deutschland (PDF; 83 kB) Borderstep Institut, Mai 2012
   


6. 
   ↑ Gartner: 11 Best Practices für eine höhere Energieeffizienz im Rechenzentrum, 2009
   


7. 
   ↑ BITKOM Leitfaden – Energieeffizienz im Rechenzentrum Band II (2010), PDF 1,2 MB
   


8. 
   ↑ Sven Werner: International review of district heating and cooling. In: Energy. 2017, doi:10.1016/j.energy.2017.04.045. 
   


9. 
   ↑ BITKOM Leitfaden: Energieeffizienz im RZ, 2008. Bitkom.org. Abgerufen am 3. Juli 2010.
   


10. 
    ↑ Gartner: 11 Best Practices für eine höhere Energieeffizienz im Rechenzentrum, 2009
    


11. 
    ↑ BMU und Borderstep Report: Energieeffiziente Rechenzentren – Best Practice Beispiele aus Europa, USA und Asien, 2008. Borderstep.de. Abgerufen am 3. Juli 2010.
    


12. 
    ↑ Revolutionizing Data Center Efficiency, 2009. Uptime Institute. Abgerufen am 3. Juli 2010.
    


13. 
    ↑ Tag der offenen Tür im Leibniz-Rechenzentrum lrz-muenchen.de, abgerufen am 23. Juni 2010