Die digitalen Zwillinge: ein Vorteil für das Management der Rechenzentren
Die Rechenzentren sind zu wesentlichen Bestandteilen der modernen IT-Infrastruktur geworden, die es ermöglichen, große Datenmengen zu speichern, zu verwalten und zu verarbeiten. Doch ihr Management kann komplex sein.
Die Herausforderungen des Managements
- Komplexität des Managements — Tausende untereinander verbundener Geräte (Server, Speicher, Kühlung, Stromversorgung), die eine erhebliche technische Expertise erfordern.
- Hohe Kosten — Anschaffung, Infrastruktur, Betrieb ; die Energiekosten für Versorgung und Kühlung sind beträchtlich.
- Wartung — wesentlich für den reibungslosen Betrieb ; geplante Stillstände können die Dienste vorübergehend unterbrechen.
- Skalierbarkeit — die Anforderungen entwickeln sich schnell ; die Infrastruktur muss sich anpassen, mitunter um den Preis zusätzlicher Investitionen.
- Sicherheit — sensible und vertrauliche Informationen, potenzielles Ziel von Cyberangriffen.
Hier kommen die digitalen Zwillinge ins Spiel. Diese virtuellen Nachbildungen der physischen Geräte und Systeme bieten den Verwaltern eine vollständige und präzise Sicht auf ihre Infrastruktur : permanente Überwachung, Vorhersage potenzieller Ausfälle, Verbesserung der Energieeffizienz und Planung der Aufrüstungen und Reparaturen.
In diesem Dossier untersuchen wir, wie die digitalen Zwillinge in den Rechenzentren eingesetzt werden können, um das Management der Geräte zu verbessern, die Betriebskosten zu senken und die Nachhaltigkeit zu verbessern, sowie die potenziellen Herausforderungen, die mit ihrer Umsetzung verbunden sind.
Rechenzentrum und digitaler Zwilling: wovon sprechen wir ?
Im Inneren eines Rechenzentrums
Ein Rechenzentrum (Data Center) ist ein Datenzentrum, das eine große Anzahl von IT-Geräten enthält, die für die Speicherung, Verarbeitung, Verwaltung und Verbreitung von Milliarden von Daten wesentlich sind. Diese Daten werden in Speichersystemen (Festplatten-Arrays, Netzwerk- oder Cloud-Speicher) gespeichert und in Tausenden von Servern verarbeitet. Die Leistung eines Rechenzentrums kann 100 Megawatt (MW) erreichen.
Die Rechenzentren sind besonders gesicherte Orte, da sie viele vertrauliche Informationen enthalten. Es sind auch klimatisierte Orte : zahlreiche Kühlsysteme halten die Temperatur auf einem optimalen Wert. Sie sind schließlich mit redundanten Stromversorgungssystemen (Notstromaggregate, USV) ausgestattet, um die kontinuierliche Verfügbarkeit der Dienste im Falle eines Hardware-Ausfalls oder einer Stromunterbrechung zu gewährleisten.
Diese Datenzentren spielen eine grundlegende Rolle in der Infrastruktur des Internets und der modernen Informatik und tragen zur Verwaltung und Verfügbarkeit der täglich genutzten Online-Dienste bei.
Der digitale Zwilling: eine virtuelle Abbildung der physischen Welt
Ein digitaler Zwilling (digital twin) ist eine vollständige und getreue visuelle Abbildung eines physischen Objekts über seinen gesamten Lebenszyklus. Er nutzt die Echtzeit-Daten der Sensoren des Objekts, um sein Verhalten fortlaufend zu simulieren, seine Vorgänge und Leistungen zu überwachen, Ausfälle vorherzusehen und Entscheidungen zu treffen.
Der digitale Zwilling beruht auf der Übertragung von Informationen mit sehr hoher Bandbreite (Glasfaser, 5G — und langfristig 6G). Er ist rund um das Internet der Dinge (IoT) und die künstliche Intelligenz (KI) entwickelt, insbesondere das Machine Learning und das Deep Learning : Er stellt Vorhersagen an, beobachtet die Abweichung von der Realität, lernt dann und verfeinert seine Prognosen.
Der digitale Zwilling ähnelt einer komplexen Simulation, doch ein großer Unterschied trennt sie : Eine Simulation gibt nur einen Hinweis auf das reale Verhalten, während der digitale Zwilling das exakte Verhältnis des Produkts oder Systems zur Realität modelliert, ebenso wie seinen gesamten Lebenszyklus, dank seiner in Echtzeit erfassten Daten.
Die verschiedenen Typen des digitalen Zwillings
Die Technologie bleibt im Großen und Ganzen dieselbe ; man unterscheidet die digitalen Zwillinge nach ihrer Art der Anwendung.
Digitaler Zwilling eines Produkts
- Bildet sämtliche Komponenten eines physischen Produkts vollständig in einer virtuellen Umgebung nach.
- Analyse unter verschiedenen Bedingungen, virtuelle Anpassungen, fundierte Konstruktions- und Produktionsentscheidungen.
- Verbessert das Produkt, vermeidet die Vervielfachung von Prototypen, minimiert die Risiken.
Digitaler Zwilling eines Prozesses
- Prüft die Effizienz eines Fertigungsverfahrens oder einer Produktionskette vor der Inbetriebnahme.
- Vollständige Sicht auf jedes ausgehende Produkt ; sagt den Bedarf an vorbeugender Wartung voraus.
- Mehr Schnelligkeit, Effizienz und Zuverlässigkeit.
Digitaler Zwilling von Systemen
- Behandelt ganze Systeme numerisch, um Prozesse oder Produktionsketten zu verstehen.
- Prüft die Synchronisation zwischen allen Systemen.
- Verbessert die Effizienz des gesamten Systems und des Produkts.
Der digitale Zwilling hält Einzug in das Bauwesen
Die Technologie des digitalen Zwillings ähnelt der Verbindung zwischen der GLT (Gebäudeleittechnik) und dem BIM (Building Information Modeling).
BIM — Building Information Modeling
Das BIM erstellt ein digitales Modell des Gebäudes mit dem Ziel, alle Daten eines Bauprojekts in einem intelligenten und interaktiven 3D-Modell zu zentralisieren. Dieses Modell enthält ein komplexes 3D-Modell, aber auch nicht-geometrische Merkmale (Materialien, Kosten, Fristen, Energieleistung, Betriebs- und Wartungsdaten). Die Beteiligten interagieren in Echtzeit an ein und demselben Modell : eine Möglichkeit, ein Projekt zu simulieren und zu visualisieren, noch bevor es beginnt, um Effizienzmängel und Kostenlücken aufzuspüren. Das BIM hat einen überwachenden Charakter, der es ermöglicht, die Fehler vor der Ausführung zu korrigieren, und wird über den gesamten Lebenszyklus hinweg aktualisiert.
GLT — Gebäudeleittechnik
Die GLT verwaltet effizient die technischen Funktionen, Anlagen und Ressourcen und ermöglicht es, den Energieverbrauch des Gebäudes (dann als « Smart Building » bezeichnet) im Betrieb zu senken : Heizung, Lüftung, Klimatisierung, Beleuchtung, Sicherheit. Ihre Verwaltung hat einen direkten Einfluss auf die Energieleistung und den Komfort der Nutzer.
Komplementarität
Diese beiden Technologien sind komplementär : Das BIM ist auf die Erstellung und Verwaltung eines kollaborativen digitalen Modells über das gesamte Projekt hinweg ausgerichtet ; die GLT konzentriert sich auf die Verwaltung der technischen Systeme im Betrieb. Ihre gemeinsame Nutzung verbessert die Planung, den Entwurf, den Bau, den Betrieb und die Wartung der Gebäude.
Der digitale Zwilling eines Rechenzentrums ähnelt der Verschmelzung von BIM und GLT : Er ist mit allen Funktionen dieser beiden Technologien ausgestattet, was ihn besonders vollständig und reich an Informationen macht.
Überwachung und Rolle des digitalen Zwillings in einem Rechenzentrum
Mit oder ohne digitalen Zwilling?
Eine Überwachung der Rechenzentren ist ohne digitalen Zwilling denkbar, dank klassischer Management- und Überwachungssysteme : Die Daten zu Temperatur, Feuchte, Energieverbrauch und Sensorleistung werden gesammelt und analysiert, um den Zustand des Zentrums zu überwachen.
Diese Überwachung ist jedoch weniger wirksam als mit einem digitalen Zwilling. Letzterer ist eine virtuelle Echtzeit-Abbildung aller physischen und betrieblichen Daten des Rechenzentrums und ermöglicht eine vollständige und detaillierte Überwachung. Seine Vorteile :
Genauigkeit
- Umfassende und präzise Sicht auf die Betriebsdaten und die komplexen Wechselwirkungen zwischen den Geräten ; ohne ihn bleibt die Überwachung partiell, und manche Probleme entgehen der Erkennung.
Reaktivität
- Die Erkennung der Probleme ist außerhalb der Echtzeit langsamer und verzögert die Eingriffe und Lösungen.
Optimierung
- Die Vorhersage von Szenarien aus den gegenwärtigen und früheren Daten ist dem digitalen Zwilling eigen ; ohne sie ist die Optimierung begrenzter.
Der digitale Zwilling ist eine revolutionäre Technologie der Rechenzentren : Er optimiert ihre Effizienz, ihr Ressourcenmanagement, ihre Sicherheit und die Entscheidungsfindung.
Den Wartungen vorbeugen
Die Sammlung und Analyse der Daten der Geräte ermöglicht es, die Umgebungsbedingungen (Feuchte, Temperatur, Energieverbrauch) zu überwachen und den Zustand der Geräte permanent zu kennen, also Vorboten von Ausfällen zu erkennen. Eine Wartung wird möglich, bevor ein größeres Problem auftritt. Der Zwilling bestimmt auch den zukünftigen Verbrauchsbedarf der Systeme (Heizung, Lüftung, Klimatisierung, Beleuchtung, Sicherheit) und bietet ein Mittel, die Kapazität des Rechenzentrums zu verwalten (Erweiterung oder Konsolidierung).
Energieoptimierung
Der Energieverbrauch des Rechenzentrums ergibt sich aus dem all seiner Geräte. Der digitale Zwilling analysiert diesen Verbrauch und bestimmt die am wenigsten effizienten Zonen, was hilft, Strategien zur Energieoptimierung umzusetzen, um die Kosten und den ökologischen Fußabdruck zu verringern.
Ein Werkzeug für Vorhersage und Planung
Dank seiner Fähigkeit zur Vorhersage führt der digitale Zwilling Tests durch, um Situationen der Veränderung vorherzusagen, noch bevor die neuen Hardware- oder Softwarekonfigurationen vorgenommen werden (neue Maschinen, Umorganisation der Verkabelung, Anpassung der Klimatisierung…). Seine Vorhersagen über die Risiken von Fehlern und Fehlfunktionen ermöglichen es, bestimmte Änderungen vor ihrer physischen Umsetzung zu validieren oder nicht.
Interne und externe CFD-Studien der Rechenzentren
Ausfallsimulation: das Unvorhergesehene vorbereiten
Der digitale Zwilling führt thermo-aeraulische Studien eines Rechenzentrums durch. Wie die CFD-Simulation sucht er die Hotspots und schlägt optimierte klimatische Auslegungen sowie Energieoptimierungen vor : Er kann die ideale Zulufttemperatur über die Simulation verschiedener Last- und Kühlszenarien bestimmen ; eine Senkung dieser Temperatur verringert die benötigte Energie und die Kosten.
Eine der Schlüsselrollen des digitalen Zwillings ist seine kritische Analyse : mehrere Ausfallszenarien zu simulieren (Stillstand eines oder mehrerer Systeme) und zu beobachten, was geschieht. Im Falle eines Ausfalls steigt die Temperatur sehr schnell ; es ist daher wichtig, im Voraus geeignete Systeme zu ihrer Senkung vorgesehen zu haben.
Untersuchung der Brandausbrüche und Brandschutz
Die digitalen Zwillinge ermöglichen es ebenfalls, die Branderkennungszeit, die Ausbreitungsgeschwindigkeit des Rauchs, die Temperatur, die Sicht und andere wesentliche Parameter zu analysieren. Durch die Verwendung detaillierter, auf den Gesetzen der Physik beruhender Modelle und spezifischer Daten zu Materialien, Geräten und Brandschutzsystemen erhalten die Ingenieure präzise Vorhersagen über das Verhalten der Brände und bewerten die Wirksamkeit der Sicherheitsmaßnahmen.
Die Bedeutung der externen CFD-Studien
Die externen thermo-aeraulischen Studien, durchgeführt per CFD, bestehen darin, die Bewegung der Luft und die Winde außerhalb des Rechenzentrums zu untersuchen. Die äußeren Bedingungen haben einen Einfluss auf die Leistung der Geräte ; EOLIOS führt diese Studien durch, um einen optimalen Betrieb auch unter den extremsten Umständen sicherzustellen.
Mehrere Szenarien werden in verschiedenen Betriebsmodi und Witterungsbedingungen durchgeführt. Diese externen Studien ermöglichen es, die Risikobewertung zu ergänzen, den Entwurf zu optimieren und den Energieverbrauch des Zentrums zu verringern.
Potenzielle Herausforderungen, die Software 6SigmaRoom und Bilanz
Nicht zu vernachlässigende Herausforderungen
Obwohl die digitalen Zwillinge zahlreiche Vorteile bieten, weist ihre Nutzung auch potenzielle Herausforderungen auf :
Punkte der Aufmerksamkeit
- Hohe Anfangskosten — kostspielige Erstellung, die Investitionen in Geräte und ausgefeilte Simulationssoftware erfordert, insbesondere in der Strömungsmechanik und der CFD.
- Komplexität — komplexe Umgebungen, zahlreiche untereinander verbundene Geräte ; ein präziser Zwilling erfordert ein tiefes Verständnis der Infrastruktur.
- Bedarf an präzisen Daten — Speisung durch präzise und aktuelle Daten, also ständige Überwachung und automatisierte Sammlung.
- Integration in das Bestehende — kann bedeutende Änderungen der bestehenden Prozesse und Werkzeuge erfordern.
- Vertraulichkeit und Sicherheit — die gesammelten Daten sind sensibel und müssen gegen unbefugten Zugriff geschützt werden.
Die Software 6SigmaRoom
EOLIOS nutzt die CFD-Simulation, um die Luftströmungen in einem Raum in 3D zu berechnen und zu visualisieren, und liefert Leistungskennzahlen, um die Effizienz der Kühlung des Raums zu optimieren. Indem sie Hotspots vermeidet und die angemessene Luftmenge zur Kühlung der Elektronik bereitstellt, gewährleistet die Software einen reibungslosen Betrieb. Das von 6SigmaRoom erstellte vollständige Modell verwaltet auch die Netzwerkverkabelung und die elektrische Verteilkette.
6SigmaRoom ist das am häufigsten verwendete Werkzeug für die CFD von Rechenzentren jeder Größe — eine vollständige Software für den digitalen Zwilling. Dieser CFD-Solver erstellt eine numerische 3D-Abbildung des physischen Zentrums, unterstützt den Entwurf und den Betrieb und ermöglicht es, die Auswirkung einer oder mehrerer Änderungen auf die physische Kapazität und die Kühleffizienz zu simulieren — also Ausfälle zu simulieren. Sein Ziel : Infrastrukturen zu entwerfen, die zuverlässig, widerstandsfähig und in der Lage sind, mit ihrer maximalen Kapazität zu arbeiten und zugleich die Energieeffizienz zu verbessern.
Zusammenfassend
Die digitalen Zwillinge bieten ein enormes Potenzial, um die Leistung und das Management der Rechenzentren zu verbessern. Indem sie die Daten der Sensoren und des realen Systems nutzen, helfen sie, Ausfälle zu verhüten und die Energieeffizienz zu verbessern. Die Rechenzentren, die diese Technologie übernehmen, profitieren von einer präziseren Überwachung, von reduzierten Betriebskosten und von einer besseren Nachhaltigkeit auf lange Sicht.
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