Arten von Serverausrüstung: Ein Überblick

Server bilden das Rückgrat der modernen IT-Infrastruktur und treiben alles an, von kleinen Unternehmenswebsites bis hin zu großen Cloud-Computing-Plattformen. Während der Begriff "Server" oft an einen einzelnen physischen Kasten in einem Rechenzentrums-Rack erinnert, umfasst er in Wirklichkeit eine breite Palette von Hardware, die für unterschiedliche Leistungs-, Platz- und Energieanforderungen konzipiert ist. Im Folgenden werden die gebräuchlichsten Arten von Serverausrüstung vorgestellt, darunter sowohl komplette Serversysteme als auch wichtige unterstützende Komponenten.

1. Physische Server-Formfaktoren

Rack-Server

Beschreibung: Rack-Server sind für den Einbau in standardisierte 19-Zoll-Racks (oder, seltener, 23-Zoll-Racks) konzipiert und für Umgebungen mit hoher Speicherdichte optimiert. Jeder Server ist in der Regel 1U bis 4U hoch (wobei "U" 1,75 Zoll entspricht).

Wesentliche Merkmale:

• Platzsparend: Mehrere Rack-Einheiten können vertikal gestapelt werden, was sie ideal für Rechenzentren mit begrenztem Platzangebot macht.
• Wartungsfreundlichkeit: Von vorne zugängliche Laufwerke, Netzteile und Erweiterungssteckplätze vereinfachen die Wartung und das Hot-Swapping.
• Skalierbarkeit: Bei steigendem Bedarf können problemlos weitere Rack-Server hinzugefügt werden.

Anwendungsfälle: Unternehmensrechenzentren, Cloud-Hosting-Einrichtungen, Virtualisierungscluster.

Blade-Server

Beschreibung: Blade-Server sind ultraflache, modulare Einheiten, die in ein gemeinsames Gehäuse eingeschoben werden. Das Gehäuse sorgt für die Stromversorgung, Kühlung, Vernetzung und Verwaltung, so dass jedes Blade viele dieser Komponenten weglassen kann, um eine höhere Dichte zu erreichen.

Wesentliche Merkmale:

• Hohe Dichte: Dutzende von Blades können sich ein einziges Gehäuse teilen, das nur wenige Rack-Einheiten benötigt.
• Zentralisierte Verwaltung: Häufig mit integrierten Verwaltungsmodulen für Stromversorgung, Kühlung und Netzwerk-Switches.
• Reduzierte Verkabelung: Durch die gemeinsame Nutzung der Infrastruktur innerhalb des Gehäuses werden externe Kabel auf ein Minimum reduziert.

Anwendungsfälle: Umgebungen, die eine hohe Rechendichte erfordern, wie z. B. HPC-Cluster (High Performance Computing), große Virtualisierungsfarmen oder Telekommunikations-Backends.

Tower-Server

Beschreibung: Diese Standalone-Server ähneln herkömmlichen Desktop-PC-Türmen und sind für Büros oder Zweigstellen konzipiert, in denen kein Platz für Racks zur Verfügung steht.

Wesentliche Merkmale:

• Erweiterungsmöglichkeiten: Bieten im Allgemeinen mehr interne Laufwerksschächte und PCIe-Erweiterungssteckplätze im Vergleich zu Rack-Servern ähnlicher Preisklasse.
• Geringerer Bedarf an Infrastruktur: Kann auf normalen Bürotischen ohne spezielle Racks oder Kühlung betrieben werden.
• Lärm und Größe: Sie sind in der Regel größer und lauter als Rack- oder Blade-Optionen und daher für geräuschempfindliche Umgebungen weniger geeignet.

Anwendungsfälle: Kleine bis mittelgroße Unternehmen, Zweigstellen oder Heimlabore, in denen ein oder zwei Server ausreichen.

Mikroserver

Beschreibung: Ultrakompakte Server, bei denen ein niedriger Stromverbrauch oft wichtiger ist als die reine Verarbeitungsleistung. Sie können kleinen Desktop-PCs oder sogar kleineren "Pizzakarton"-Formaten ähneln.

Wesentliche Merkmale:

• Energie-Effizienz: CPUs mit niedrigem Stromverbrauch und minimale Komponenten reduzieren die Leistungsaufnahme.
• Begrenzte Erweiterungsmöglichkeiten: In der Regel nur ein oder zwei Laufwerksschächte und minimale PCIe-Steckplätze.
• Dichtheit: Kann dicht gepackt werden - einige Modelle erlauben Dutzende von Microservern in einem einzigen Rack.

Anwendungsfälle: Leichtgewichtiges Web-Serving, Edge Computing, Content Delivery Networks (CDNs) oder skalierbare Microservices-Architekturen.

2. Interne Kernkomponenten

Neben den allgemeinen Formfaktoren bestimmen bestimmte interne Hardwareelemente die Leistung, Zuverlässigkeit und Eignung eines Servers für verschiedene Aufgaben. Diese Komponenten bestimmen oft die Klassifizierung und Verwendung eines Servers.

Prozessoren (CPUs)

Typen:

• Mehrkernige Xeon/EPYC: Intel Xeon und AMD EPYC sind die beiden führenden Serien von Server-Prozessoren, die mehrere Dutzend Kerne pro Sockel, 64+ PCIe-Lanes und große On-Chip-Caches bieten.
• ARM-basierte CPUs: ARM-Chips, die sich in Hyperscale-Umgebungen durchsetzen, bieten eine hohe Energieeffizienz für Scale-Out-Aufgaben.

Zu berücksichtigende Merkmale:

• Anzahl der Kerne und Taktfrequenz: Ausgleich zwischen Single-Thread-Leistung und Multi-Thread-Durchsatz.
• Thermische Entwurfsleistung (TDP): Beeinflusst den Kühlungsbedarf und den Stromverbrauch.
• Integrierte Funktionen: Verschlüsselungsbeschleuniger, Anzahl der Speicherkanäle und Virtualisierungserweiterungen.

Speicher (RAM)

Typen:

• ECC-registrierte DIMMs (RDIMMs): Fehlerkorrigierende Codespeicher sind in Servern fast überall zu finden, um Datenbeschädigungen zu verhindern.
• Lastreduzierte DIMMs (LRDIMMs): Bieten eine höhere Kapazität pro Modul, was für speicherintensive Workloads (Datenbanken, In-Memory-Analysen) nützlich ist.

Schlüsselmetriken:

• Kapazität: Server können je nach Anzahl der DIMM-Steckplätze und Modulgrößen zwischen einigen Gigabyte und mehreren Terabyte Speicherplatz bieten.
• Geschwindigkeit: Von DDR4-2133 MT/s bis zu DDR5-6400 MT/s, was sich auf den Datendurchsatz auswirkt.
• Kanal-Konfiguration: Dual-Channel-, Quad-Channel- oder Octa-Channel-Speicher-Controller verbessern die Bandbreite.

Speicher-Subsysteme

Festplattenlaufwerke (HDDs):

• Beschreibung: Herkömmliche Spinning-Disk-Laufwerke mit hoher Kapazität bei geringeren Kosten pro Gigabyte.
• Anwendungsfälle: Massenkaltlagerung, Backup-Repositories oder wenn der Durchsatz und nicht die Latenzzeit im Vordergrund steht.

Solid-State-Laufwerke (SSDs):

• SATA/SAS-SSDs: Sie werden in Standard-Laufwerksschächte eingesteckt und haben in der Regel eine Obergrenze von 6 Gbit/s (SATA) oder 12 Gbit/s (SAS).
• NVMe (PCIe) SSDs: Umgehen herkömmliche Speichercontroller und bieten deutlich niedrigere Latenzzeiten und höhere IOPS. Verfügbar in den Formfaktoren U.2, M.2 oder als Add-in-Karte.
• Enterprise vs. Consumer Grade: Enterprise SSDs unterstützen eine höhere Schreibdauer und Schutz vor Stromausfall.

Speicher-Controller und RAID-Karten:

• Hardware-RAID-Controller: Entlastung von Paritäts- und Spiegelungsaufgaben mit batteriegestütztem Cache oder Flash-basierten Cache-Modulen.
• Software-definierte Speicheroptionen (SDS): Nutzung von CPU-Zyklen und Softwareschichten (z. B. Ceph, ZFS) zum Pooling von Laufwerken.

Network-Attached Storage (NAS) & Storage Area Networks (SAN):

• NAS: Speicher auf Dateiebene, der über Standard-Ethernet zugänglich ist (z. B. NFS, SMB). Wird oft mit speziellen NAS-Geräten oder -Servern implementiert.
• SAN: Speicherung auf Blockebene über Fibre Channel oder iSCSI, in der Regel mit dedizierten Fibre Channel HBAs und Switches.

Netzwerk-Schnittstellenkarten (NICs)

• Standard-Ethernet-NICs: Erhältlich in den Geschwindigkeiten 1GbE, 10GbE, 25GbE, 40GbE und 100GbE; wichtig für die Bestimmung des Netzwerkdurchsatzes und die Server-zu-Server-Kommunikation.
• SmartNICs (Datenverarbeitungseinheiten): Entlastung von Netzwerk-, Sicherheits- oder Speicheraufgaben - ideal für Hyper-Scale-Rechenzentren oder Virtualisierungshosts.
• Fibre Channel-Host-Bus-Adapter (HBAs): Erforderlich für direkte Verbindungen zu Fibre Channel SANs.

Stromversorgungen und Redundanz

• Hot-Swap-fähige Netzteile: Oft sind Server mit zwei (oder mehr) redundanten Netzteilen ausgestattet; fällt eines aus, übernimmt das andere nahtlos die Last.
• 80 PLUS-Zertifizierungsstufen: Von Bronze bis Titanium, was die Effizienz unter typischen Lastbedingungen angibt. Eine höhere Effizienz senkt die Energiekosten und den Kühlungsbedarf.
• Stromverteilungseinheiten (PDUs): Im Rack montierte Einheiten, die Wechselstrom an mehrere Server verteilen, oft mit Fernüberwachungsfunktionen.

Lösungen für die Kühlung

• Luftkühlung: Hochleistungslüfter (Luftstrom von vorne nach hinten) in Kombination mit Kühlkörpern für CPUs und andere heiße Komponenten.
• Flüssigkeitskühlung: In Umgebungen, in denen die Luftkühlung nicht ausreicht (z. B. bei GPU-Servern mit hoher Dichte), setzen einige Rechenzentren flüssigkeitsgekühlte Servergehäuse oder Wärmetauscher an der Rückseite der Tür ein.
• Gehäuselüfter und -kanäle: Viele Server verfügen über mehrere interne Lüfter, um einen optimalen Luftstrom zwischen den Komponenten zu gewährleisten. Kanäle leiten die kühle Luft von vorne nach hinten und reduzieren so Hotspots.

3. Spezialisierte Server-Klassen

GPU-beschleunigte Server

Beschreibung: Ausgestattet mit einem oder mehreren Hochleistungs-GPUs (z. B. NVIDIA A100, AMD Instinct) neben CPUs.

Merkmale:

• Hohe Anforderungen an Leistung und Kühlung: Jeder Grafikprozessor kann Hunderte von Watt verbrauchen, was eine robuste Kühlungsinfrastruktur erforderlich macht.
• PCIe-Lane-Zuweisung: Erfordert Motherboards, die für die Unterstützung mehrerer x16-Steckplätze bei voller Bandbreite ausgelegt sind.

Anwendungsfälle: Training für maschinelles Lernen, Inferenz-Workloads, wissenschaftliche Simulationen, Videotranskodierung.

High-Density/Hyperkonvergente Server

Beschreibung: Kombination von Rechen-, Speicher- und Netzwerkfunktionen in einer einzigen Appliance oder einem einzigen Knoten, oft als Teil einer hyperkonvergenten Infrastruktur (HCI).

Merkmale:

• Integrierter Software-Stack: Bündelt die Virtualisierung (z. B. VMware vSAN, Nutanix Acropolis), um Ressourcen über mehrere Knoten zu bündeln.
• Skalierbarkeit durch Hinzufügen von Knoten: Skalieren Sie sowohl Speicher als auch Rechenleistung einfach durch Hinzufügen weiterer identischer Knoten.

Anwendungsfälle: Virtuelle Desktop-Infrastruktur (VDI), Konsolidierung von Zweigstellen, private Cloud-Implementierungen.

Edge/IoT-Server

Beschreibung: Kompakte, robuste Server, die für den Betrieb in nicht-traditionellen Umgebungen ausgelegt sind - Fabrikhallen, Einzelhandelsgeschäfte, Telekom-Basisstationen.

Merkmale:

• Umwelttoleranz: Erweiterte Temperatur-, Feuchtigkeits- und Schock-/Vibrationsspezifikationen.
• Modulare E/A: Unterstützung von Industrieprotokollen (z. B. Modbus, CAN-Bus) neben Standard-Ethernet.

Anwendungsfälle: Industrielle Steuerungssysteme, lokale Datenaggregation, IoT-Gateway-Verarbeitung.

4. Zusätzliche und unterstützende Ausrüstung

Unterbrechungsfreie Stromversorgungen (UPS)

Funktion: Bereitstellung von vorübergehendem, sauberem Strom während eines Stromausfalls, um abrupte Abschaltungen zu verhindern und ein sanftes Herunterfahren von Servern oder den Übergang zu Ersatzgeneratoren zu ermöglichen.

Typen:

• Standby (Offline) USV: Hält kritische Komponenten mit Strom versorgt, schaltet bei Netzausfall auf Batteriebetrieb um (kurze Umschaltzeit).
• Netzinteraktive USV: Regelt kontinuierlich die Spannung; besser geeignet für Gebiete mit schwankender Stromqualität.
• Online-Doppelwandler-USV: Bietet die sauberste Energie mit null Umschaltzeit; ideal für hochsensible oder unternehmenskritische Server.

KVM-Umschalter (Tastatur, Video, Maus)

Zweck: Ermöglicht es Administratoren, mehrere Server von einer einzigen Konsole aus zu steuern, wodurch sich die Notwendigkeit separater Monitore und Tastaturen für jeden Server verringert.

Merkmale:

• Digital KVM over IP: Ermöglicht die Fernverwaltung über LAN oder WAN.
• Lokale KVM-Schubladen: Sie lassen sich in Racks einschieben und bieten eine integrierte Tastatur, einen Monitor und ein Touchpad für die Verwaltung vor Ort.

Verwaltungsmodule und Fernverwaltungskarten

Baseboard Management Controller (BMC): Ein integrierter Mikrocontroller, der Out-of-Band-Zugriff (IPMI, Redfish) bietet, um den Zustand der Hardware zu überwachen, Server ein- und auszuschalten und virtuelle Medien einzubinden.

Proprietäre Lösungen:

• iDRAC (Dell), iLO (HP), IMM (Lenovo): Erweiterte Verwaltungsfunktionen, Firmware-Updates und Dashboards zur Hardware-Überwachung.

Netzwerk-Switches und Aggregationsgeräte

• Top-of-Rack-Switches (ToR): Aggregieren Verbindungen von Rack-Servern; bieten oft 10-GbE-Ports, die mit Aggregations-/Kern-Switches verbunden sind.
• Leaf-Spine-Architekturen: In modernen Rechenzentren werden Leaf-Switches direkt mit den Server-NICs verbunden, während Spine-Switches Backbone-Konnektivität mit hoher Bandbreite bieten.

Verkabelung und Kabelmanagement

• Strukturierte Verkabelung: Umfasst CAT6/6A für bis zu 10GbE oder höher; Glasfaser (OM4, OS2) für 40GbE, 100GbE oder lange Strecken.
• Kabelkanäle, Management-Arme, Klettbänder: Aufrechterhaltung des Luftstroms und Vereinfachung der Kabelverfolgung bei Wartungsarbeiten.

5. Aufkommende Trends und Überlegungen

Modulare Rechenzentrumspods

Vormontierte, containerisierte Racks mit Servern, Kühlung und Stromverteilung. Kann schnell am Rande oder als temporäre Kapazität eingesetzt werden.

Einführung von ARM-basierten Servern

Unternehmen wie Amazon (Graviton-Instanzen), Ampere und Marvell treiben ARM in die Mainstream-Server-Workloads und versprechen eine bessere Leistung pro Watt für bestimmte Cloud-native Anwendungen.

Kompatible Infrastruktur

Verwendung "disaggregierter" Pools von CPU, Arbeitsspeicher, Speicher und Beschleunigern, die per Software bereitgestellt und neu konfiguriert werden können, ohne dass Hardware physisch bewegt werden muss. Erfordert spezielle Interconnect Fabrics (z. B. NVMe over Fabrics).

KI-Koprozessoren und FPGAs

Neben GPUs werden FPGAs (Field-Programmable Gate Arrays) und spezielle KI-Beschleuniger (wie die TPU von Google) in Serverangebote integriert, um Inferenzaufgaben mit geringerer Latenz und Leistungsaufnahme zu beschleunigen.

Grüne/nachhaltige Hardware

Verstärkte Konzentration auf die Kompatibilität mit erneuerbaren Energien, recycelte Materialien und höhere Energieeffizienzwerte. Einige Anbieter veröffentlichen inzwischen Schätzungen des "Carbon Footprint" für einzelne Server.

Schlussfolgerung

Serverausrüstung umfasst ein vielfältiges Ökosystem von Formfaktoren, internen Komponenten, speziellen Beschleunigern und unterstützenden Geräten. Ganz gleich, ob Sie einen platzsparenden Blade-Server für eine Clustering-Umgebung mit hoher Dichte, einen robusten Microserver für den Netzwerkrand oder ein leistungsstarkes, GPU-betriebenes System für das maschinelle Lernen benötigen - es gibt maßgeschneiderte Hardware für praktisch jede Anforderung. Bei der Auswahl der Serverausrüstung und der zugehörigen Komponenten sind wichtige Faktoren wie Rechendichte, Energieeffizienz, Erweiterbarkeit und Verwaltbarkeit ausschlaggebend. Mit der Weiterentwicklung von Technologien (z. B. Einführung von ARM, Composable Infrastructure, KI-Co-Prozessoren) wird sich das Serverangebot weiter diversifizieren, sodass Unternehmen ihre Hardware-Investitionen genau auf die Anforderungen der Arbeitslasten und Nachhaltigkeitsziele abstimmen können.