HAP: Ein neuer Horizont für Green Data Center Computing

Es ist nicht ungewöhnlich, dass die Rechenzentrumsbranche innovative Nachhaltigkeitslösungen nutzt. Lange Zeit wurden die natürlichen Ressourcen der Erde als Mittel zur Verbesserung der Energieeffizienz genutzt, von Anlagen, die in kühleren, höheren Breiten gebaut wurden, bis hin zu Rechenzentren, die direkt auf dem Meeresboden errichtet wurden, um die Kühlung des Meerwassers zu maximieren. Aber was wäre, wenn wir unsere Ziele höher stecken würden? oben auf der Erde?

In jüngster Zeit haben Satellitenrechenzentren als neu definierte Computing-Grenze zunehmendes Interesse geweckt. Diese Rechenzentrumsarchitektur hat jedoch mehrere Nachteile, wie hohe Kosten, zusätzliche Latenz und begrenzte Nutzlasten. Interessanterweise scheinen Höhenplattformen (HAP) ein guter Kompromiss zwischen diesen kombinierten Technologien zu sein, da sie einen größeren Abdeckungsbereich als Unterwassersysteme bieten, größere Nutzlasten unterstützen und eine einfachere Wartung und geringere Latenz als Satelliten garantieren.

Der Begriff „HAP (High Altitude Platform)“ bezieht sich normalerweise auf eine Plattform, die in großer Höhe schwebt, beispielsweise ein Luftschiff, ein Ballon oder eine Drohne über der Atmosphäre. Veröffentlicht im Oktober 2023,Rechenzentrumsfähige Höhenplattformen: Ein GrünComputer-Alternativebewertet die potenziellen Energievorteile des HAP, eines konzeptionellen Rechenzentrumssystems, bei dem Server in einem mit Helium gefüllten luftschiffähnlichen Luftschiff untergebracht sind.

Erstens befindet sich HAP in der Stratosphäre, was aufgrund der natürlich niedrigeren Atmosphärentemperatur (zwischen 50 Grad Celsius und 15 Grad Celsius) Kühlenergie spart. Dadurch kann HAP, das Rechenzentren unterstützt, einige Arbeitslasten von Bodenrechenzentren entlasten und so die damit verbundene Kühlenergie einsparen.

Aufgrund der großen Oberfläche von HAP und seiner Position über den Wolken kann HAP außerdem große Solarpaneele beherbergen und so eine große Menge an Sonnenenergie gewinnen. HAP versorgt den Server mit Solarenergie, die tagsüber gesammelt und nachts in Lithium-Schwefel-Batterien gespeichert wird. Daher kann die gesammelte Solarenergie die benötigte Rechenleistung der Rechenzentrumsserver vollständig decken; Gleichzeitig werden notwendige Energieumwandlungs- und Managementstrategien effektiv umgesetzt.

Zweitens befindet sich HAP in großer Höhe und aufgrund der großen Bodenabdeckung und des Fehlens von Hindernissen am Horizont sind LoS-Kommunikationsverbindungen mit mehreren Empfängern möglich. Dadurch kann HAP eine zuverlässige direkte Verbindung mit einer großen Anzahl von Bodenbasisstationen herstellen. Diese Vorteile ermöglichen es HAP, das Rechenzentren unterstützt, eine Fülle von Computerdiensten bereitzustellen, die von der Unterstützung von IoT-Anwendungen bis hin zu intelligenten Transportsystemen reichen, wie in Abbildung 1 dargestellt.

Beachten Sie, dass es sich bei dieser vorgeschlagenen Lösung immer noch weitgehend um ein theoretisches Konzept handelt. Die Forscher selbst weisen schnell auf die zahlreichen Herausforderungen hin, die bewältigt werden müssen, um Rechenzentren für hochgelegene Plattformen Wirklichkeit werden zu lassen.

Es ist wichtig, den Energieverbrauch des Bodenrechenzentrums zu reduzieren, indem die Anzahl der Bordserver maximiert und der Rechenaufwand auf HAP verlagert wird. Allerdings führt die Einführung dieser Technologie zu einem Ressourcennutzungsdilemma, da Energieverbrauch und Ressourcennutzung stark gekoppelt sind. Einerseits gefährdet eine Überauslastung der verfügbaren Ressourcen die physischen Fähigkeiten des Systems und kann zu dysfunktionalen Servern oder unausgeglichenem HAP führen. Beispielsweise überlastet eine hohe CPU-Auslastung (Central Processing Unit) und/oder Speicherauslastung den Server und führt dazu, dass das System nicht mehr reagiert oder einfriert.

Andererseits kann eine Unterauslastung der verfügbaren Ressourcen zu einer Alterung der Server und erheblicher Energieverschwendung führen, da inaktive Server bis zu 60 % ihrer Spitzenleistung verbrauchen können. Daher ist es sinnvoll, in HAP-unterstützenden Rechenzentren geeignete Ressourcenmanagementtechniken (z. B. Konsolidierung, Containerisierung) einzusetzen, um den Energieverbrauch zu reduzieren, ohne die physische Kapazität der verfügbaren Ressourcen zu vernachlässigen.

Aus finanzieller Sicht muss die wirtschaftliche Machbarkeit der HAP-Unterstützung des Rechenzentrums berücksichtigt werden. Dabei handelt es sich um Investitionsausgaben, etwa die Kosten für die HAP-Plattform und Over-the-Air-Server, aber auch um Betriebsausgaben, etwa Energiekosten. Bei der Gesamtbewertung der Rentabilität könnten sie die Einführung von HAP verlängern. Aus technischer Sicht steht HAP vor technischen Herausforderungen, da instabile Wetterbedingungen in der Stratosphäre höhere Anforderungen an die Elektronik stellen. Darüber hinaus erfordert die Wartung von Luftschiffen und Servern in großer Höhe ein ausgewogenes Verhältnis zwischen rechnerischer Servicequalität und Missionsdauer.

Insgesamt kann die Unterstützung des Rechenzentrums durch HAP als innovative Nachhaltigkeitslösung ein Umdenken bei der Datenverarbeitung vorantreiben, um die Nachhaltigkeit zu verbessern. Obwohl noch einige Herausforderungen gelöst werden müssen, bietet dieses neuartige Konzept eine Möglichkeit für die zukünftige Entwicklung von Rechenzentren. Weitere Forschung und Praxis sind erforderlich, um die technischen und finanziellen Herausforderungen zu meistern und die potenziellen Energievorteile zu maximieren.