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Proxmox VE auf Antarktika: Das “coolste” Rechenzentrum der Welt

Das weltweit erste Lowpower-Rechenzentrum das vollständig mit erneuerbaren Energien betrieben wird basiert auf Proxmox VE und Ceph-Storage und befindet sich auf einer „Zero-Emmission“- Forschungsstation auf Antarktika.

Antarktika ist der südlichste, kälteste, trockenste und windigste Kontinent auf Erden. Ureinwohner, wie z.B. die Inuit in der Arktis, existieren keine. Die Bevölkerung auf Antarktika besteht aus ein paar Tausend Wissenschaftlern die heute saisonal auf Forschungsstationen leben sowie ein paar früheren Gruppen von Walfängern. Seit zehn Jahre betreibt Belgien gemeinsam mit der International Polar Foundation mit „Prinzessin Elisabeth Antarktika“ eine neue Generation von Forschungsstationen, gebaut im internationalen Polarjahr 2007-2009.

Erste emissionsfreie Polarforschungsstation weltweit

Prinzessin Elisabeth hat zwei besondere Eigenschaften: Da Antarktika nur schwer zu erreichen ist, befinden sich die meisten Forschungsstationen an der Küste um leichter erreichbar zu sein. Nur wenige liegen etwas weiter landeinwärts so wie die Prinzessin Elisabeth-Station. Die Station befindet sich in der Ostantarktis, 220 km von der Küste entfernt. Die nächsten Nachbarn sind eine russische Station in 431 km Entfernung und eine japanische Station, 648 km entfernt. Prinzessin Elisabeth ermöglicht durch ihre Lage komplett neue Forschungsgebiete in einer außergewöhnlich unberührten Umgebung.

Die zweite Besonderheit ist, dass Prinzessin Elisabeth die weltweit erste Null-Emissions-Forschungsstation ist die ausschließlich auf erneuerbaren und CO2-neutralen Energien basiert und darüber hinaus ein energieeffizientes IT Rechenzentrum betreibt.

Das "coolste" Proxmox-Rechenzentrum betrieben von Wind und Sonne

Princess Elisabeth Station copyrights by Rene Robert IPF

Thomas Petracca, IT-Architekt bei Eomnia, ist Technologieberater für die International Polar Foundation. Er ist verantwortlich für die Implementierung und Wartung der IT-Infrastruktur auf der Forschungsstation. Das antarktische Rechenzentrum basiert auf Proxmox VE und bietet die aktuellsten Speicher- und Datensicherheits-Technologien zum Betrieb der wissenschaftlichen Instrumente, der Kommunikation und der Stationsüberwachung.

Eine Forschungsstation im Inneren der Antarktis zu betreiben ist eine Herausforderung. Noch herausfordernder ist der Betrieb eines IT Rechenzentrums. Die rauen meteorologischen Bedingungen auf Utsteinen Nunatak, jener Felserhebung auf der das futuristisch anmutende Passivhaus der Station im Granit verankert ist, sind hart. Die Temperaturen bewegen sich zwischen -50 ° C und -5 ° C, starke katabatische Winde strömen von den höher gelegenen Eishügeln herab. Permanente Dunkelheit wechselt sich mit monatelangem, konstantem Tageslicht ab. Während der Sommersaison ist es an 100 von 120 Tagen ununterbrochen hell.

Die rauen Bedingungen auf Prinzessin Elisabeth wurden ins Positive gekehrt: Fast das gesamte Gebäude der Station ist mit Photovoltaik- und Solarpaneelen bedeckt, die bei Sonnenschein Strom und Warmwasser erzeugen. Sie bestehen aus redundanten Solarclustern mit 15 KW und 38 KW. Neun Windturbinen, mit je 6 KW, erzeugen das ganze Jahr über Windstrom. Insgesamt produziert die Station einen Energieüberschuss, der in einem Batterieraum auf vier miteinander verbundenen Batterieclustern mit 8000 Ah Kapazität gespeichert werden kann. Für Sicherheit und Backup sind zudem zwei Generatoren vor Ort.

Die grünen Energiequellen erzeugen den gesamten Strom für die Forschungsstation einschließlich des Rechenzentrums. Der Betrieb mit ausschließlich erneuerbaren Energien macht die Prinzessin Elisabeth-Station zur ersten ihrer Art.

Rechenzentrum wird modernisiert

Zwischen 25 und 40 Wissenschaftler forschen fast 4 Monate im Jahr auf der Station. Die von ihnen durchgeführten wissenschaftlichen Studien sind daten- und ressourcenintensiv und umfassen unter anderen Projekte wie Eismassen-Messungen, meteorologische Überwachung oder Erforschung der mikrobiellen Vielfalt. Die einzigartige Lage der Station abseits des antarktischen Kontinentalrands ermöglicht den Zugang zu einer Vielzahl neuer Studienumgebungen, die helfen sollen die Auswirkung des Menschen auf den Klimawandel zu verstehen.

Die ursprüngliche IT-Architektur, die vor über zehn Jahren von Thomas Petracca von Eomnia geplant und umgesetzt wurde, bestand aus zwei dedizierten, zuverlässigen Commodity-PCs. Sie wurden hauptsächlich für die Verwaltung des Supervisory Control and Data Acquisition (SCADA) verwendet.

Die Wartung der IT-Infrastruktur erfolgte durch Thomas während der Vor-Ort-Saison im Sommer und über eine Satellitenverbindung im Winter.

Seither haben sich energieeffiziente Technologien stark weiterentwickelt und 2017 hat Eomnia die International Polar Foundation bei der Strategiefindung und der Einführung eines Netzwerk- und Server-Upgrades beraten. Ziel war den Energieverbrauch zu reduzieren und die neuesten Technologien einzusetzen.

Fail-Over und Redundanz plus 2000 Watt Einsparung mit dem Proxmox VE/Ceph-Cluster

"Wir haben eine neue maßgeschneiderte Open Source-Virtualisierungs- und Speicherumgebung auf Basis von Proxmox VE mit der Software-definierten Speichertechnologie Ceph Storage entwickelt", erzählt Thomas. "Auf diese Weise konnten wir nicht nur über 2000 Watt auf der Forschungsstation einsparen, sondern auch Fail-Over und Redundanz für die wissenschaftlichen und Stationssysteme bereitstellen."

Fast alle wissenschaftlichen Instrumente sowie das Kontrollsystem der Station, ein Micro-Smart-Grid, laufen nun virtualisiert auf dem Proxmox VE-Cluster. Der Multi-Node-Server-Cluster baut auf maßgeschneiderten Gehäusen, mit Supermicro-Ausstattung und der Proxmox VE auf. Der Schwerpunkt des Systems liegt auf Energieeffizienz, Redundanz und Skalierbarkeit.

Durch Perfektionierung dieser einzigartigen Kombination erhielt Thomas eine extrem leistungsstarke und gleichzeitig energiesparende Virtualisierungsumgebung. Durch die Nutzung von Ceph als Speichertechnologie und der Kombination mit SaaS- und IaaS-Cloud-Services ist Eomnia nun in der Lage, On-Demand-Speicher und virtuelle Maschinen für die Forschungsstation unkompliziert bereitzustellen. Dank einer zuverlässigen Satellitenverbindung der Firma SES (mit Sitz in Luxemburg) ist dies sowohl in der lokalen als auch in der Cloud-Architektur möglich.

„Wir können unsere Daten nun über Remotezugang direkt oder in der Cloud überwachen, speichern und sichern. Im Vergleich zu anderen kommerziellen Produkten, die größtenteils auf separater und dedizierter Hardware für jeweils SAN, NAS und Hypervisor angewiesen sind, führte die Kombination unserer Supermicro-Geräte und der Proxmox-Architektur zu einem äußerst wettbewerbsfähigen und effizienten Setup für die Forschungsstation. "

Proxmox VE HA-Cluster steuert Micro Smart Grid-System das den Energieverbrauch steuert

Die Prinzessin Elisabeth-Station wird über ein Micro-Smart-Grid-System gesteuert. Das Mikro-Smart-Grid ist eine Mini-Version eines Stromnetzes und steuert die Erzeugung, Verteilung und Regelung des Stromflusses. Alle Systeme auf der Station werden von einem Programmable Logic Controller (PLC), dem "Gehirn" der Station, integriert und gesteuert, was optimale und sichere Arbeits- und Lebensbedingungen innerhalb der Station gewährleistet.

Das Smart Grid-System basiert auf dem Prinzip der Energiepriorisierung und funktioniert wie ein intelligenter Organismus. Wenn die Energie knapp ist, schaltet die Smart-Grid-Technologie die verschiedenen Systeme entsprechend ihrem Energieniveau und ihrem Prioritätslevel ab. Intensive Rechenprozesse finden beispielsweise nur dann statt, wenn ausreichend oder ein Überschuss an Energie vorhanden ist. Sicherheits- und Lebenserhaltungssysteme werden als allerletztes abgeschaltet. In den acht Wintermonaten in denen die Station unbewohnt ist, steuert das Personal das Smart Grid-System remote per Satellit.

"Proxmox VE ist der Kern des Systems in der Nebensaison", erklärt Thomas. "Der Proxmox VE HA-Cluster steuert unsere Automatisierung. Wenn wir ihn verlieren, verlieren wir die Kontrolle über unsere wissenschaftlichen Instrumente und die Datenrückführung. Proxmox ist wirklich unternehmenskritisch für uns. Es gibt einige Low-Power-Redundanzlösungen, aber nur für reine Keep-Alive-Zwecke. "

Echtzeit-Datenrückholung über Satelliten-Bodenstation

Die Prinzessin Elisabeth-Station ist permanent mit Belgien über eine Satellitenantenne verbunden. Dies ist ein entscheidendes Merkmal der Station weil es den Wissenschaftlern ermöglicht, ihre wissenschaftlichen Daten in Echtzeit an Laboratorien weltweit zu senden.

Die Satellitenverbindung ermöglicht eine effiziente Kommunikation mit entfernten Teammitgliedern und ermöglicht eine schnelle Übertragung der im Feld gesammelten Daten. Neben dem wissenschaftlichen Mehrwert der Satellitenverbindung für die Station, besteht der Hauptvorteil darin die Station per Fernbedienung kontrollieren zu können und somit die bestmögliche Effizienz für das Energiemanagement des Mikro-Smart-Grids zu gewährleisten.

Proxmox-Server beheizen die antarktischen Station

Die Bereitstellung von Speicher- und Rechenleistung an solch außergewöhnlichen Standorten wie der Antarktis bietet einige außergewöhnliche Möglichkeiten und Herausforderungen. Es erscheint intuitiv, die kalte antarktische Luft zur Kühlung der Systeme zu verwenden. Tatsächlich ist die bevorzugte Lösung auf der Polarstation die Abwärme der Server zur Heizung der Forschungs- und Wohnmodule zu verwenden.

"Mit unserer Server-Heizung konnten wir den Stromverbrauch dieser Bereiche deutlich reduzieren", sagt Thomas. "Dies hat zu einer zusätzlichen Reduzierung des Gesamtenergieverbrauchs der Station geführt wodurch wir Ressourcen freisetzen konnten. Mit der merklichen Verminderung des Ressourcenverbrauchs den wir mit Proxmox VE und Ceph erzielt haben, konnten wir das Energiebudget der Station neu ausrichten."

Mit dem zusätzlich verfügbaren Budget investiert die International Polar Foundation nun in neue, innovative Projekte.
Durch die erfolgreiche Implementierung der Open Source-Virtualisierungsplattform Proxmox VE inklusive integriertem Ceph-Speicher konnten Eomnia und die International Polar Foundation das antarktische Rechenzentrum auf der Forschungsstation Prinzessin Elisabeth modernisieren, Energieeffizienz und Suffizienz erhöhen und zusätzlich das dadurch neu verfügbare Budget in neue Entwicklungen investieren.

Thomas Petracca, IT architect, Eomnia.

Über Eomnia

Das Kerngeschäft von Eomnia sind Rechenzentrums- und Wireless-Implementierungen. Mithilfe der neuesten Software Defined Networking-Technologien (SDN) bieten wir Datencenter-Technologien selbst an den anspruchsvollsten und abgelegensten Orten an. Durch die Kombination von IAAS & SAAS-Wissen mit fundierten Know-How in Wireless-Technologien wie VSAT, LTE, LORA, Point-to-Point oder SD WAN können wir unseren Kunden Technologien wie maschinelles Lernen, neuronale Netze, oder Monitoring und hin zu Hochverfügbarkeit und Remote-Umgebungen anbieten. Mehr unter https://www.eomnia.be/

Über International Polar Foundation

Die Internationale Polar-Stiftung (IPF) mit Sitz in Brüssel wurde 2002 vom belgischen Ingenieur, Bergführer und Polarforscher Alain Hubert gemeinsam mit Prof. Hugo Decleir und Prof. André Berger ins Leben gerufen, um die Rolle der Polarforschung für die Zukunft zu unterstreichen. Die innovative und nachhaltige "Zero-Emission" Forschungsstation Prinzessin Elisabeth ist ein hochkarätiges Projekt, das von der IPF gemeinsam mit Partnern initiiert wurde. Die Station wird vom belgischen Staat und der IPF betrieben. Mehr unter http://www.polarfoundation.org/ 

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