Schon seit Jahren ist der Trend zu Cloud Computing, Kommunikationsdiensten und Containerisierung in vollem Gange. Dies hat weltweit zu einem Ausbau von fast 6 Millionen Quadratmetern Rechenzentrumsfläche geführt, wobei sich nach Angaben von JLL¹ weitere mehr als 460.000 Quadratmeter derzeit in der Bauphase befinden. Bei diesen Rechenzentren handelt es sich typischerweise um weitläufige Anlagen außerhalb von Städten, wo Immobilienpreise und Nebenkosten günstiger ausfallen. Der Bau großer Rechenzentren ist ein Modell, das gut zur Internet-Revolution passt. Die Revolution der Konnektivität, die vor allem auf die Einführung von 5G, die explosionsartige Ausbreitung des Internets der Dinge (IoT) und die Fortschritte bei den drahtlosen Technologien für Augmented Reality/Virtual Reality (AR/VR) zurückzuführen ist, hat jedoch eine völlig andere Art der Expansion von Rechenzentren zur Folge (Abbildung 1). Dabei handelt es sich um eine Expansion, die weit weniger zentralisiert ist. Sie erfordert die Platzierung von Edge-Computing- und Rechenzentrumsdiensten so nah wie möglich an den Endnutzern sowie an autonomen Systemen, die hohe Latenzzeiten und einen hohen Durchsatz benötigen.

In diesem Beitrag untersuchen wir, wie sich die zunehmende Verbreitung von IoT und 5G auf die Anforderungen an Edge-Computing und Rechenzentren auswirkt, welche die neuen Ultra Reliable Low-Latency (URLLC), Massive Machine Type Communications (mMtC) und Enhanced Mobile Broadband (emBB) unterstützen.

Unterschiede zwischen 5G und Massive-IoT-Diensten im Vergleich zu herkömmlichen Internet-/Cloud-Diensten

Traditionelle Internet- und Cloud-Dienste basieren auf einem Modell, bei dem riesige Datenmengen von zahlreichen Endgeräten auf der ganzen Welt gespeichert und verarbeitet werden können. Diese Cloud-Dienste sind heute oft containerisiert und werden durch Arrays von Diensten unterstützt, die die Anforderungen verschiedener Dienste mit angemessenen Latenzen flexibel erfüllen können. Diese Latenzzeiten liegen in der Regel im Bereich von 10 Millisekunden, was für die meisten Applikationen wie Spiele, Internetdienste, Video-Streaming, Audio-Streaming, Speicher und High-Performance-Computing akzeptabel ist. Um die Latenzzeiten für die Nutzer zu verringern, verteilen große Cloud-Service-Unternehmen ihre am häufigsten nachgefragten Inhalte oft auf verschiedene Rechenzentren, die sich in günstiger Entfernung zu den Nutzern befinden, die diese speziellen Daten anfordern. Dies erfolgt typischerweise mit hochentwickelten Algorithmen. Die Latenzzeit für diese Dienste liegt jedoch immer noch im Bereich von 10 Millisekunden, was für viele moderne autonome Fahrzeuge, industrielles IoT (IIoT), autonome Robotik und Edge-Processing-Applikationen weit über dem akzeptablen Schwellenwert liegt.

Obwohl die Einführung von 5G noch in den Kinderschuhen steckt und die meisten 5G-Dienste noch im Sub-6-GHz-Bereich (FR1) des Übertragungsspektrums liegen, setzen diese Dienste bereits jetzt den Maßstab dafür, wo und wie Daten in Netzwerken erzeugt, verarbeitet und verteilt werden. Viele 5G-URLLC-Applikationen streben eine Latenzzeit von weniger als einer Millisekunde an. Dies entspricht einer Reduzierung der Latenzzeit um mehr als den Faktor 10. Diese Verringerung der Latenzzeit ist außerdem mit dem Ziel der eMBB verbunden, die mobilen Datengeschwindigkeiten um den Faktor 20 auf einen Durchschnitt von fast 600 MBit/s zu erhöhen. Im Vergleich dazu liegt die durchschnittliche Geschwindigkeit derzeit bei etwa 30 MBit/s, Tendenz steigend. Daher muss dieselbe Netzwerkinfrastruktur, die Latenzzeiten von weniger als einer Millisekunde unterstützt, auch ein Vielfaches des Durchsatzes der derzeitigen mobilen Breitbanddienste bewältigen. 5G bietet darüber hinaus weitaus umfangreichere Möglichkeiten für das Wachstum des festen Drahtlos-Zugangs (Fixed Wireless Access, FWA), mit dem Hochgeschwindigkeits-Internet über 5G-Drahtlos-Verbindungen für die Haushalte in dichten städtischen Umgebungen bereitgestellt werden kann, sowie für mMTC, das für die Versorgung von zehn bis möglicherweise tausenden von IoT-Geräten in extrem dichten Umgebungen konzipiert ist. Dies ist natürlich nur der Anfang dieses Wandels, da weitere Netzwerke den Funktionsumfang von 5G FR2 mit extrem hohen Bandbreiten und der baldigen Einführung von 5G Advanced erweitern.

Evolution von Rechenzentren vor dem Hintergrund des Rollout von 5G und Massive IoT

Durch diese Faktoren ändern sich der Ort und die Art und Weise, wie Daten durch die 5G-unterstützenden Netzwerke fließen müssen. Zudem wächst die Zahl der Edge-Computing-Dienste, die mit der Entwicklung von IoT-Diensten einhergehen. Einige dieser Änderungen sorgen für niedrige Latenzzeiten und stellen sicher, dass die große Anzahl unterschiedlicher Nutzer und die Variationen des Datenverkehrs, die von 5G unterstützt werden, bewältigt werden können. Dies wird von den 5G-Standards bereits gut gelöst, hängt aber stark von den Funktionen zur Netzwerkvirtualisierung der unterstützenden Netzwerke ab.

Doch selbst die neueste Hardware und die neuesten Algorithmen für Netzwerke sind nicht in der Lage, die physikalischen Bedingungen bei der Weiterleitung von Signalen aus Tausenden von Kilometern Entfernung zu meistern. Das führt bei einigen 5G-Applikationen zu inakzeptablen Latenzzeiten. Daher gibt es einen zunehmenden Trend zum Aufbau von Rechenzentren und Edge-Computing-Anlagen in dicht besiedelten städtischen Gebieten, auf Campusgeländen und in Industriekomplexen, wo die Nachfrage nach diesen Diensten stark zunimmt. Der Bau kleinerer, effizienterer Rechenzentren ist keineswegs neu. Moderne Kühltechnologien mit verbessertem Wirkungsgrad bieten angesichts der ständig steigenden Stromkosten zumindest eine teilweise Lösung. Eine der größten Herausforderungen besteht darin, Immobilien zu finden, die eine akzeptable Rendite für die verschiedenen Dienste auf den vielfältigen und stark eingeschränkten städtischen Märkten auf der ganzen Welt bieten. Die andere Herausforderung ist das Wachstum privater Wireless-Netzwerke, oft innerhalb von Behörden und Industrieanlagen, die lokale Rechenzentren und Edge-Computing-Installationen benötigen, jedoch oft mit sehr unterschiedlichen Anforderungen.

Fazit

Die Zukunft von 5G mit einer Vielzahl von IoT-Geräten und dem Bedarf an Edge-Computing- und Speicherdiensten in unmittelbarer Nähe zu den Nutzern, um die Latenzzeit zu minimieren, stellt ganz andere Anforderungen an ein Rechenzentrum als frühere Generationen. Angesichts dieser neuen Herausforderungen müssen sich die Entwickler von Rechenzentren und die Anbieter von Hardware wahrscheinlich umorientieren, um den neuen Bedingungen in Bezug auf teurere Immobilien und die Notwendigkeit, extreme Bandbreiten neben den neu entstehenden URLLC-Diensten bereitzustellen, besser gerecht zu werden. Viele Entwickler scheinen zunächst einmal abzuwarten. Sie rüsten lediglich ihre vorhandene Hardware und ihre Dienste auf, um den klassischen Anforderungen an die Netzwerke besser gerecht zu werden. Gleichzeitig bieten sich Möglichkeiten für engagierte Entwickler, die bereit sind, ins Risiko zu gehen und mit dem Aufbau von Mikro-Rechenzentren in dichten städtischen Umgebungen zu beginnen.

Quellen

• 1. „How 5G is set to spur new data center construction.“ Abgerufen am 27. Oktober 2023. https://www.us.jll.com/en/trends-and-insights/cities/how-5g-is-set-to-spur-new-data-center-construction.