Vernetzte Produktion und Industrial Edge Praxisnahe Modernisierungsansätze für Bestandsrechenzentren

Ein Gastbeitrag von Vincent Barro*

Mit dem digitalen Wandel steigen auch die Anforderungen an die Infrastruktur von Firmenrechenzentren. Im Vorfeld von Modernisierungsmaßnahmen für ein Datacenter sollten unterschiedliche IT-Wachstumsstrategien jedoch sorgfältig gegeneinander abgewogen werden. Ein Überblick.

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Je nach vorliegenden Bedingungen müssen sich Unternehmen teils zwischen der Modernisierung und dem der Errichtung eines komplett neuen Rechenzentrums entscheiden, daher ist eine sorgfältige Investitionsplanung zuvor unumgänglich.
Je nach vorliegenden Bedingungen müssen sich Unternehmen teils zwischen der Modernisierung und dem der Errichtung eines komplett neuen Rechenzentrums entscheiden, daher ist eine sorgfältige Investitionsplanung zuvor unumgänglich.
(Bild: GettyImages/Schneider Electric)

Industrielle Fertigungstechnologien haben bis heute einen langen Entwicklungsweg zurückgelegt. Mit jedem Technologiewandel kommen dabei auch Veränderungen, die sowohl die Technik selbst betreffen als auch die Menschen, die diese Technologien implementieren und steuern.

Die Industrie 3.0 verwendete erstmals Informationstechnologie zur Programmierung von Prozessen und ermöglichte so die Automatisierung auf breiter Fläche. Mit der Adaption von Industrie 4.0 und IP-Technologie setzt sich diese Weiterentwicklung fort. Produktionsleiter und Techniker sind durch die Überwindung von Standortbeschränkungen IP-vernetzter Systeme nun in der Lage, Daten aus vielen verschiedenen Quellen gleichzeitig zu erfassen, zu verarbeiten und zu speichern. Damit erhalten sie die wesentliche Grundlage, um bessere Entscheidungen treffen zu können und um Prozesse produktiver, sicherer und effizienter zu machen.

Doch heute geht es um mehr als nur um die Weiterentwicklung von Produktionsprozessen. Schon jetzt sind intelligente Lieferketten in der Lage, genaue Vorhersagen darüber zu treffen, was sie gerade produzieren, welche Teile die Lieferkette zu welchem Zeitpunkt benötigt werden und welche Kriterien hinsichtlich der laufenden Qualitätssicherung gelten.
Solche Funktionen benötigen jedoch eine Kommunikation möglichst nahe der Echtzeit und einen zuverlässigen Austausch von hohen Datenmengen zwischen Fertigungsanlagen, Logistik, Produktionsrobotern und Leitstellen. Die Entwicklung einer vernetzten Produktion führt letztlich zu komplett autarken, vollautomatisierten Produktionsumgebungen, in denen Wirtschaftsgüter in sehr großem Maßstab effizient und flexibel produziert werden können.
Dabei geht es nicht nur um die Produktionsvorgänge an und für sich, sondern um den Einsatz von Technologie zur Umsetzung völlig neuer Funktionalitäten. Zum Beispiel intelligente Prognosen für Produktionsabläufe und das Supply-Chain-Management. Darüber hinaus könnten heute sogar die Dinge, die produziert werden, selbst intelligent sein und schon am Fließband ihre Daten mit Produktionsrobotern austauschen, sodass sie genau entsprechend ihrer individuellen Konfiguration montiert werden.

Im Rahmen dieser neuen digitalen Agenda müssen Produktionsumgebungen zwangsläufig flexibler, dynamischer und intelligenter werden. Durch das Zusammenwachsen von IT und Produktionstechnik ändern sich die Strukturen von OT und IT grundlegend. Laut aktueller Prognose könnten im Jahr 2025 mehr als 75 Milliarden IoT-vernetzte Geräte existieren – im Jahr 2015 waren es noch schätzungsweise 4,9 Milliarden. In der Industrie zeigt sich das Thema Industrial Internet of Things (IIoT) etwa im zunehmenden Vernetzungsgrad von Maschinen und Anlagen. Um zuverlässige Prozessabläufe sicherzustellen, sind moderne Maschinen und Anlagenkomponenten heute mit einer Vielzahl von IP-fähigen Sensoren und Schnittstellen ausgestattet, die eine kontinuierliche Überwachung und eine detaillierte Aufzeichnung von Statusänderungen, Temperaturen und Schwingungsmustern anzeigen können. Doch mit der Vielfalt der Möglichkeiten steigen auch die zu verarbeitenden Datenmengen und das hat immense Auswirkungen auf den Bedarf nach Rechenleistung. Da die IT so zu einem wichtigen Produktionsfaktor wird, werden innerhalb von Produktionsumgebungen zunehmend moderne Hochleistungsrechenzentren erforderlich. Um auch dauerhaft mit den Entwicklungen und Herausforderungen der vernetzten Produktion schritthalten zu können, ist die richtige IT-Modernisierungsstrategie deshalb entscheidend.

Umfassende Modernisierungsmaßnahmen oftmals unabdingbar

In puncto moderner IT-Ausstattung lässt der Zustand von produktionsnahen Serverräumen und Firmenrechenzentren oft zu wünschen übrig. Neben alter Serverhardware sorgen in die Jahre gekommene Klimatisierungssysteme und USV-Anlagen, die eine unterbrechungsfreie Stromversorgung garantieren sollen, für hohe Stromrechnungen und mangelnde Zuverlässigkeit.

Im Zuge einer schrittweisen IoT-Integration sollen zukunftsfähige Rechenzentren jedoch die Verfügbarkeit von Systemen und Daten sowie deren Sicherheit über viele Jahre hinweg gewährleisten und dabei möglichst wirtschaftlich und klimafreundlich arbeiten. Für moderne Rechenzentren ist zudem die Skalierbarkeit ein wesentlicher Faktor. Serverräume sollen in der Lage sein, sich bei steigenden Anforderungen linear zu vergrößern. Darüber hinaus setzen große Schwankungen bei Datenvolumen und Datentypen hohe Flexibilität sowie Anpassungsfähigkeit an wechselnde Bedarfe voraus. Um eine signifikante digitale Agilität zu gewährleisten, ist deshalb in vielen Fällen eine Modernisierung des Rechenzentrumsbestandes unumgänglich.

Bei der Erneuerung von Rechenzentrumsinfrastruktur existieren heute unterschiedliche Strategien. Je nach Ausrichtung und Zweck eines Rechenzentrumsstandorts kann bei der Modernisierung eine andere Herangehensweise sinnvoll sein. Um das eigene Rechenzentrum bestmöglich zu aktualisieren und die Effizienz zu steigern, müssen verschiedene Möglichkeiten abgewogen werden. Wichtiges Entscheidungskriterium sind hierbei nicht zuletzt die zur Verfügung stehenden finanziellen Mittel und die Projektlaufzeiten. Abhängig vom Budget lassen sich entweder kurzfristige Maßnahmen oder aber substanzielle Änderungen an der Infrastruktur realisieren. Bei knappem Budget bietet es sich an, zunächst eine kostengünstige Minimalstrategie umzusetzen. Dabei kann beispielsweise der IT-Load durch Virtualisierung, intelligentes Energiemanagement oder die Identifizierung von ungenutzten Legacy-Servern reduziert werden. Durch solche schnell umsetzbaren Konsolidierungsmaßnahmen lässt sich der Stromverbrauch zumindest etwas verringern und es kann teure Serverfläche eingespart werden.

Einsatz von Pods oder Prefab-Rechenzentren

Häufig ist für Unternehmen aber eine grundlegende Nachrüstung des Rechenzentrums der einzig richtige Schritt. Neben dem Austausch von Infrastrukturkomponenten wie der USV oder der Klimatisierung kann es dabei auch sinnvoll sein, die Architektur des künftigen Rechenzentrums genau auf den Prüfstand zu stellen und präziser am individuellen Bedarf auszurichten.

Soll in erster Linie die vorhandene Serverhardware konsolidiert werden, stellt die Verwendung von High-Density-Pods eine adäquate Option dar. Bei Pods handelt es sich um eigenständige IT-Funktionseinheiten, die mit einem Trägersystem für Racks, Stromverteilung, Verkabelung und Klimatisierung ausgestattet sind und durch eine Einhausung voneinander abgetrennt werden. Pods können aus einem oder mehreren Racks bestehen und mit High-Density-Servern oder hyperkonvergenten Systemen bestückt werden. Vorteilhaft bei der Verwendung von vorgefertigten Infrastruktureinheiten ist vor allem, dass sie eine höhere Leistungsdichte auf kleiner Fläche ermöglichen, ohne dabei die Leistung von herkömmlicher Hardware negativ zu beeinflussen. Je nach Bestückung können in einem Pod die Bedingungen für Temperatur und Luftmenge exakt auf die Hardware angepasst werden. Das führt zu mehr Effizienz, besserer Planbarkeit und eröffnet zudem neue Migrationspfade bei der Umsetzung von Modernisierungsvorhaben. Die für Pods charakteristische Modularität erlaubt es Unternehmen, vollkommen bedarfsabhängig zu planen und das Rechenzentrum allmählich mit weiteren Pods zu ergänzen. Dieser schrittweise Ausbau bewirkt auch, dass das Rechenzentrum stets auf dem neuesten Stand der Technik bleibt.

Abbildung 1: Vorgefertigtes Datacenter-Modul in Prefab-Bauweise
Abbildung 1: Vorgefertigtes Datacenter-Modul in Prefab-Bauweise
(Bild: Schneider Electric)

Ein weiterer valider Ansatz für den Aufbau einer modularen Rechenzentrumsinfrastruktur ist der Einsatz vorgefertigter Container-Module. Prefab-Einheiten vereinen sämtliche Funktionen und Komponenten eines Rechenzentrums in einem ab Werk vorgefertigten Outdoor-Container, der die komplette Infrastruktur bereithält. Von der Stromversorgung über Klimatisierung bis hin zu Patchfeldern und voll ausgestatteten Racks. Die Bandbreite der Anwendungen ist dabei fast unbegrenzt. Sie reicht vom Kleincontainer mit 25 kW Leistung bis hin zum vollumfänglichen Multi-Megawatt-Großrechenzentrum in Prefab-Bauweise. Containerlösungen lassen sich entweder als dauerhaftes Kernrechenzentrum oder aber als Backup-Rechenzentrum für einen befristeten Zeitraum nutzen. Da die Module kurzfristig zur Verfügung stehen, sind sie unter anderem auch für Unternehmen interessant, die zur Überbrückung einiger Wochen oder Monate ein temporäres Rechenzentrum benötigen.

Edge Computing: Bindeglied zwischen Smart Industry und klassischem Rechenzentrum

So wie vor einigen Jahren die Verlagerung von IT-Funktionen in zentrale Cloudrechenzentren die IT-Landschaft geprägt hat, so wird auch die nächste Welle der digitalen Transformation ihre Spuren beim Aufbau von IT-Architekturen hinterlassen. Immer mehr Anwendungen werden aufgrund der immer größer werdenden Datenmengen an den Netzwerkrand, man spricht auch von der oder dem Edge, verlagert. Nach Angaben der Analysten von IDC wird bis 2023 mehr als die Hälfte der neu in Betrieb genommenen IT-Infrastruktur lokal bereitgestellt. Zwar existieren weltweit etwa 39.000 zentrale Kernrechenzentren, doch der größte Bedarf nach Rechenleistung wird künftig in einer Vielzahl potenzieller Edge-Standorte entstehen. Diese dezentralen IT-Einheiten können sich innerhalb von Fabriken, Krankenhäusern, Flughäfen, Geschäften oder Hotels befinden und bestehen meist aus autarken Micro-Rechenzentren.

Abbildung 2: Schematische Darstellung Edge-Computing
Abbildung 2: Schematische Darstellung Edge-Computing
(Bild: Schneider Electric)

Abgesehen von den momentan stattfindenden Veränderungen in Bezug auf die immer hybrider werdenden Architekturen von Rechenzentren spielen im Hinblick auf eine Nachrüstung auch neue Bereitstellungstechnologien eine entscheidende Rolle. Da der Datenverkehr durch die ansteigende Vernetzung von intelligenten Maschinen und Anlagen immer weiter zunimmt und gleichzeitig der Bedarf nach Echtzeit-Verfügbarkeit wächst, wird in der Zukunft die Fähigkeit, Industrie- und Automationsanwendungen möglichst latenzfrei bereitstellen zu können, essenziell sein.

Ein erfolgversprechender Weg, diese Anforderungen zu erfüllen, ist die Auslagerung von Rechenleistung in die Edge. Edge Computing bedeutet, dass Daten, die lokal anfallen, auch unmittelbar in der Nähe ihres Entstehungsorts verarbeitet werden und nicht erst in eine zentrale Cloud übermittelt werden. So lassen sich beispielsweise Sensordaten von Maschinen schon am Netzwerkrand vorselektieren und auswerten: Latenzen werden so minimiert und Netzwerküberlastungen effektiv verhindert. Edge Computing bildet damit ein Bindeglied zwischen zentralen Cloud-Anwendungen und der IoT-Sensorik von Maschinen und Anlagen.

Schneider Electric bietet nahezu alle benötigten Komponenten für den Aufbau verschiedenster Edge-Computing-Infrastrukturen und ist in der Lage, auch auf kundenindividuelle Anforderungen von Industrieumgebungen und Harsh Environments detailliert einzugehen. Die Ansprüche an die Hardware-seitige IT-Ausstattung können dabei in der Edge unterschiedlich ausfallen und lassen sich grundsätzlich in drei verschiedene Ausprägungen unterteilen:

Einzelsysteme, 19“-Systeme oder Multi-Rack-Installationen. Einzelne IT-Systeme stellen die kleinste Variante der Edge dar. Sie können aus einfachen IoT-Gateways oder kleineren Industrie-PC bestehen und lassen sich meist ohne große Anforderungen an Kühlung oder 19“-Technik vor Ort installieren. Solche IT-Systeme erfüllen klar definierte Aufgaben, wie etwa den Betrieb eines Sicherheitssystems für ein Gebäude oder das Sammeln und Übertragen von Sensor- und Statusdaten.

Abbildung 3: Micro-Datacenter-Lösung mit 6 Höheneinheiten für kleinere Industrial-Edge-Installationen
Abbildung 3: Micro-Datacenter-Lösung mit 6 Höheneinheiten für kleinere Industrial-Edge-Installationen
(Bild: Schneider Electric)

Rackmount-Systeme stellen die nächsthöhere Stufe der Edge dar. Hier kommen professionelle Server zum Einsatz, um anspruchsvollere IT-Aufgaben zu übernehmen, beispielsweise die Bereitstellung von IT-Diensten, Datenbanken-Front-Ends oder die Analyse und Zwischenspeicherung von Metadaten. Kleinere 19“-Umgebungen kommen dabei mit einem Single-Serversystem aus und können in speziellen 19“-Edge-Gehäusen montiert werden. Multi-Server-Systeme lassen sich in klassischen 19“-Racks oder aber in besonders geschützten Micro-Datacenter-Lösungen bereitstellen. In jedem Fall benötigen rackbasierte IT-Installationen eine aktive Kühlung und eine redundante Stromversorgung mit hochwertigen USV-Systemen, um die notwendige Zuverlässigkeit der Edge-Dienste auch dauerhaft zu gewährleisten.

Abbildung 4: Schneider Electric Micro Datacenter & SmartBunker
Abbildung 4: Schneider Electric Micro Datacenter & SmartBunker
(Bild: Schneider Electric)

Multi-Rack-Umgebungen gleichen von der Ausstattung weitestgehend klassischen Serverräumen. Sie werden mit Präzisionsklimatisierung – entweder in Seitenkühltechnik oder als Doppelbodensystem konzipiert – betrieben und stellen eine sehr hohe Verarbeitungs- und Speicherkapazität bereit. Als standardisiertes Edge-System oder als hyperkonvergente Infrastruktur lassen sich die Systeme schnell und zuverlässig integrieren. In den meisten Fällen werden hier vorgefertigte MDC-Gehäuse wie etwa die Micro Data Center Xpress Serie von Schneider Electric eingesetzt. Das Gehäusesystem kann individuell mit integrierter Stromversorgung, USV-System, Überwachungstechnik und Zutrittskontrolle ausgestattet werden und ist für unterschiedliche Serverlösungen von führenden IT-Herstellern bereits vorspezifiziert.

Bei Rechenzentren über zehn Racks spricht man im Edge-Bereich schon von der „Regional Edge“ also von Rechenzentren, die Edge-Services von einer gesamten Metropole oder einem Bundesland aggregieren und dabei IT-Lasten von mehreren hundert kW oder sogar mehrere Megawatt haben können. Von welchem Upgrade, ob Neubau oder Prefab-Technik, ein Unternehmen letztendlich am meisten profitiert, wird ganz durch die individuelle Ausgangslage bestimmt.

Neubau oder Colocation: Was gilt es zu berücksichtigen?

Abhängig von den vorliegenden Bedingungen ziehen Unternehmen mitunter die Errichtung eines komplett neuen Rechenzentrums in Betracht. Nichtsdestoweniger ist im Vorfeld eine sorgfältige Investitionsplanung unabdingbar. Einerseits muss analysiert werden, wie teuer das Betreiben des Rechenzentrums zum gegenwärtigen Zeitpunkt ist und wie hoch die Kosten in den nächsten drei bis fünf Jahren vermutlich ausfallen werden. Andererseits sollte man genau überlegen, welche Beträge bei Bau und Erhalt eines neuen Rechenzentrums anfallen. Vorteile eines Neubaus sind etwa die langfristige Verlässlichkeit, die höhere Effizienz und Nachhaltigkeit und verglichen mit einem einfachen Upgrade eine meist mehr als doppelt so lange Nutzungsdauer.

Insbesondere wenn Unternehmen mehrere Standorte betreiben, können sie in Erwägung ziehen, für bestimmte Datacenter-Funktionen einen Colocation-Anbieter zu beauftragen. Heute existieren effektive Migrationswege, um Anwendungen eines Rechenzentrums vollumfänglich in eine Cloud oder Edge-Infrastruktur auszulagern. Der Vorteil: Colocation-Rechenzentren bieten höchste Sicherheitslevel und robuste Systeme. Ergänzend dazu stellen die meisten Colocation Provider auch eine breite Auswahl an Vernetzungsoptionen zur Anbindung der Rechenzentren zur Verfügung. Steigt der Bedarf nach Rechenleistung oder sollen neue Standorte hinzugefügt werden, sorgen Colocation Provider für eine einfache Skalierbarkeit und unterstützen so eine kosteneffiziente Pay-as-you-Grow-Wachstumsstrategie.
Im Allgemeinen hängt die Entscheidung für einen Neubau oder die Beauftragung eines Colocation-Anbieters auch von der erwarteten Nutzungsdauer des Rechenzentrums ab. Hat das Rechenzentrum eine Lebenserwartung von mehr als fünf Jahren, ist es finanziell gesehen meist besser, ein neues Firmenrechenzentrum zu errichten. Liegt die erwartete Lebensdauer allerdings bei fünf oder weniger Jahren, ergibt es für ein Unternehmen meist mehr Sinn, sich an einen professionellen Colocation Provider zu wenden.

Welche Modernisierungsstrategie soll es werden?

Bei der Frage, welche Modernisierungsstrategie am sinnvollsten für das eigene Rechenzentrum ist, sollten Unternehmen sowohl die Veränderungen im Bereich moderner RZ-Ausstattung als auch die Bewegungen am Markt der eigenen Branche berücksichtigen. Gerade im Rahmen der Digitalisierung rücken Betriebstechnik und IT immer näher zusammen. Für heutige Rechenzentren spielen daher nicht nur USV und Klimatisierung, sondern auch entsprechend intelligente Softwarelösungen für Monitoring und IT-Management eine wichtige Rolle. Beispielsweise kommen Lösungen für das Data Center Infrastructure Management (DCIM) zum Einsatz. Auf diese Weise lassen sich IT-Infrastruktur und Anlagen-Parameter gemeinsam managen.

Ergänzend dazu bietet sich die Einführung von Condition Monitoring an. Mithilfe von Sensoren werden dabei kritische Komponenten kontinuierlich überwacht. Auftretende Mängel lassen sich so schon frühzeitig erkennen, wodurch man Ausfällen gezielt vorbeugen kann. Insgesamt müssen sich Unternehmen auch nicht auf eine einzige Strategie zur Modernisierung festlegen. So können bestimmte IT-Funktionen etwa über Colocation lediglich anwendungsspezifisch ausgelagert werden, während das Kern-Rechenzentrum beibehalten und einem Upgrade unterzogen wird.

* Vincent Barro arbeitet als Vice-President DACH im Geschäftsbereich Secure Power bei Schneider Electric.

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