PSUs: Computer-Netzteile verstehen

Das Netzteil (PSU) ist eine der wichtigsten Komponenten eines jeden Computersystems. Diese Komponente versorgt den Rest des Computers mit Strom, einschließlich der installierten Peripheriegeräte wie Grafikkarten und zusätzliche Festplatten. In diesem Artikel gehen wir auf die Rolle von Netzteilen ein und erklären, wie wichtig es ist, das richtige Netzteil für deinen Computer zu finden. 

Themen sind unter anderem: 

• Was ist eine Stromversorgungseinheit?
  • Das Wichtigste in Kürze: PSU-Kabel und Stromverteilung
  • Leistungsdaten und Spannungsschienen
• Wichtigkeit der Verwendung des richtigen Netzteils
  • Arten von PSUs
  • PSU-Lebensdauer

Was ist eine Stromversorgungseinheit?

Ein Netzteil (PSU) ist ein Hardware-Gerät, das Wechselstrom in Gleichstrom umwandelt und diesen dann an den Rest des Computers weiterleitet. Da einige Komponenten deines Geräts (CPU, RAM usw.) Gleichstrom mit niedrigerer Spannung verwenden, ermöglicht ein Netzteil die Umwandlung von Wechselstrom mit höherer Spannung, um diese Teile deines Computers mit Strom zu versorgen.

Bei einem Standard-Desktop-Computer befindet sich das Netzteil dort, wo das Netzkabel eingesteckt wird, und hat normalerweise einen E/A-Schalter. Bei einem Server oder einer Datenbank befindet sich das Netzteil in der Regel an der Rückseite, damit es leicht zugänglich ist.

PSUs in Server-Umgebungen

Stromversorgungseinheiten (PSUs) in Serverumgebungen stellen eine kritische Infrastrukturkomponente dar, die sich deutlich von ihren Desktop-Pendants unterscheidet. Diese speziellen Stromversorgungssysteme sind auf hohe Zuverlässigkeit, Effizienz und Redundanz ausgelegt. Dadurch können sie die hohen Anforderungen von Servern der Enterprise-Klasse erfüllen.

Hier sind die wichtigsten Merkmale von PSUs:

• Formfaktor: Anstatt dem ATX-Standard zu folgen, der bei Verbrauchercomputern üblich ist, entsprechen Server-Netzteile oft speziellen Formfaktoren, die für Rack-Systeme entwickelt wurden. Dazu gehören redundante, im laufenden Betrieb austauschbare Module, die in spezielle Steckplätze im Server eingeschoben werden.
• Höhere Wattzahl: Server der Enterprise-Klasse enthalten häufig mehrere Prozessoren, Dutzende von Speichermodulen, zahlreiche Speicherlaufwerke und Erweiterungskarten. Um sie angemessen mit Strom zu versorgen, liefern Server-Netzteile in der Regel eine Leistung von 750W bis 2000W.
• 99,99% Uptime Verbindung: Die Betriebszeit einer Website ist ein entscheidender Faktor für Unternehmen. Eine Betriebszeitgarantie von 99,99 %, was nur 52 Minuten Ausfallzeit pro Jahr entspricht, hängt stark von der Fähigkeit des Netzteils ab, eine konstante, unterbrechungsfreie Stromversorgung zu gewährleisten. Server-Netzteile tragen in mehrfacher Hinsicht dazu bei:
  • Fehlertoleranz: Redundante Netzteile sorgen dafür, dass ein einziger Ausfall das System nicht zum Erliegen bringt und die Websites auch bei Hardwareproblemen online bleiben.
  • Stromstabilität: Eine hochwertige Spannungsregulierung verhindert Spannungsspitzen oder -einbrüche, die zum Absturz von Servern und zur Trennung von Nutzern führen könnten.
  • Langlebigkeit: Da die Server-Netzteile im Dauerbetrieb arbeiten, ohne sich zu verschlechtern, verringern sie das Risiko von unerwarteten Ausfällen, die die Betriebszeiten beeinträchtigen.
  • Effizienzklassen: Die meisten Server-Netzteile entsprechen dem 80-Plus-Zertifizierungsprogramm, wobei die Effizienzklassen Platinum und Titanium (92-96% Effizienz) in modernen Rechenzentren Standard sind. Dieser hohe Wirkungsgrad ist entscheidend für die Senkung der Betriebskosten und die Reduzierung der Wärmeabgabe bei großen Installationen.

Unterschiede zwischen Verbraucher- und Server-Netzteilen

Auch wenn Netzteile für Verbraucher und Server auf den ersten Blick ähnlich aussehen, unterscheiden sich ihr Design, ihre Funktionen und ihr Zweck erheblich voneinander. Werfen wir einen Blick auf die wichtigsten Unterschiede zwischen Consumer- und Server-Netzteilen:

Feature	Verbraucher-Netzteil	Server PSU
Entworfen für	PCs für Zuhause und das Büro, Gaming Rigs	Rechenzentren, Unternehmensserver
Verwendungsmuster	Intermittierend (ein-/ausgeschaltet)	Kontinuierlicher 24/7 Betrieb
Effizienz Bewertung	Typisch 80 PLUS Bronze-Gold	80 PLUS Platin-Titan
Redundanz	Einzelne PSU-Einrichtung	Zwei/mehrere redundante PSUs
Hot-Swap-fähig?	Nein	Ja
Energiemanagement	Basic	Erweiterte Energieüberwachung und Lastausgleich

PSU-Konfigurationen über Server-Tiers hinweg

Die Anzahl und Anordnung der PSUs in einem Server hängt von seiner Funktion und Kritikalität ab. Hier sind die Unterschiede:

1. Einzelne Netzteile in Einstiegsservern

In kleinen Unternehmen oder Edge-Servern ist ein einzelnes Netzteil die einfachste Lösung. Es versorgt das System allein, ohne Backup.

• Anwendungsfall: Ideal für nicht kritische Anwendungen wie Dateispeicher oder interne Entwicklungsserver, bei denen Ausfallzeiten tolerierbar sind.
• Vorteile: Kostengünstig und kompakt, passend für enge Budgets und kleine Formfaktoren.
• Nachteile: Eine einzige Fehlerquelle. Wenn das Netzteil ausfällt, geht der Server offline, bis es ausgetauscht wird, was ihn für öffentliche Dienste, die rund um die Uhr zugänglich sind, ungeeignet macht.

2. Duale redundante Netzteile in Servern der Mittelklasse bis zum High-End-Bereich

Diese Systeme verwenden zwei Netzteile in einer N+1-Konfiguration. Beide laufen gleichzeitig, aber eines kann die volle Last übernehmen, wenn das andere ausfällt.

• Anwendungsfall: Häufig in Webhosting-, Datenbank- oder Virtualisierungsclustern, wo die Betriebszeit entscheidend ist, aber die Budgets nicht unbegrenzt sind.
• Vorteile: Die Redundanz erhöht die Zuverlässigkeit. Hot-Swap-Unterstützung ermöglicht einen Austausch ohne Ausfallzeiten. Die Lastverteilung verlängert die Lebensdauer des Netzteils.
• Nachteile: Höhere Anschaffungskosten und etwas mehr Platz im Rack als bei Single-PSU-Konfigurationen.

3. Mehrere PSUs (3 oder mehr) in unternehmenskritischen Servern

High-End-Server wie die für Banken, das Gesundheitswesen oder große Cloud-Anbieter verwenden 3+ PSUs in N+N- oder 2N-Konfigurationen. Jedes Netzteil kann das System unabhängig voneinander mit Strom versorgen und bietet so maximale Redundanz.

• Anwendungsfall: Einsatz in Umgebungen, in denen Ausfallzeiten Millionen kosten, z. B. an Börsen oder bei Notdiensten.
• Vorteile: Das Risiko eines strombedingten Ausfalls ist nahezu ausgeschlossen. Mehrere Failover-Ebenen sorgen für einen kontinuierlichen Betrieb, selbst bei kaskadenartigen Problemen.
• Nachteile: Teuer und stromhungrig, erfordert eine fortschrittliche Infrastruktur (z. B. doppelte Stromeinspeisung aus getrennten Netzen).

Das Wichtigste in Kürze: PSU-Kabel und Stromverteilung

Wenn du ein normales Computergehäuse öffnest, siehst du, dass das Netzteil über verschiedene Stromkabel mit dem Rest des Computers verbunden ist. Diese Kabel versorgen das Motherboard, die Festplatten und die Gehäuseelektronik mit dem Strom, den sie zum Funktionieren brauchen. Die meisten Netzteile haben außerdem zusätzliche Kabel für die Installation von Peripheriegeräten mit hohem Strombedarf, wie z. B. Grafikkarten. In den letzten Jahren haben sich modulare Netzteile durchgesetzt, die es den Benutzern ermöglichen, so viele Stromkabel wie nötig zu installieren.

Zusätzlich zur direkten Stromversorgung durch das Netzteil hilft das Motherboard bei der Verteilung des Stroms an die CPU- und RAM-Steckplätze sowie an die Anschlüsse für die CPU- und Gehäuselüftersysteme. Da das Motherboard bei der Stromverteilung helfen kann, muss das Netzteil nicht direkt an jede Systemkomponente angeschlossen werden. Das wäre nicht nur ein Kabelwirrwarr, sondern viele Systemkomponenten, wie integrierte Grafikchips und CPUs, sind zu klein oder zu empfindlich für einen direkten Netzteilanschluss. Wenn du ein solides Netzteil mit einem kompatiblen Motherboard kombinierst, kannst du dir sicher sein, dass dein Computer die nötige Leistung erhält.

Leistungsdaten und Spannungsschienen 

Eines der wichtigsten Merkmale, auf das du bei Netzteilen achten solltest, ist ihre Nennleistung. Die Nennleistung beschreibt die gesamte Systemleistung, die dem Gerät entnommen werden kann, bevor es überlastet wird, normalerweise ausgedrückt in Watt (W).

Moderne Netzteile haben in der Regel eine Leistung von 300 W bis über 1000 W. Netzteile mit höherer Leistung sind häufig in Computern zu finden, in denen mehrere Grafikkarten installiert sind, wie z. B. in Computern für Spiele oder für die Grafikverarbeitung. Laptops haben in der Regel Netzteile mit einer Leistung von 50W bis über 200W. Diese Geräte haben in der Regel ein zugehöriges Netzteil oder einen "Brick", der Wechselstrom in Gleichstrom umwandelt, genau wie ein Desktop-Netzteil. 

Ein weiteres wichtiges Merkmal von Netzteilen ist ihre Spannung, die in der Regel in Form von "Spannungsschienen" beschrieben wird. Eine Spannungsschiene ist eine Spannungsversorgung in unterschiedlicher Höhe, die von verschiedenen Systemkomponenten je nach ihrem Spannungsbedarf genutzt wird. Zum Beispiel wird eine PCI-Netzwerkkarte wahrscheinlich Strom von der +5-V-Schiene beziehen, während die Motoren der CPU-Lüfter Strom von der +12-V-Schiene beziehen.

Vereinfacht gesagt, sind die Spannungsschienen die Spannungspegel, die für jede Systemkomponente zur Verfügung stehen. Während die Nennleistung die Gesamtleistung eines Netzteils bestimmt, legen die Spannungsschienen fest, wie diese Leistung genutzt wird. 

Ermittlung des Strombedarfs für Server

Der Energiebedarf von Servern variiert stark, je nachdem, welche Komponenten sie beherbergen - CPUs, GPUs, RAM, Speicherlaufwerke, Kühlsysteme und mehr. Eine Unterschätzung des Energiebedarfs kann zu Instabilität oder Abschaltungen des Systems führen, während eine Überschätzung Geld und Energie verschwenden kann. Hier erfährst du, wie du es richtig machst:

Grundformel für die Leistungsberechnung

Gesamtleistung = Summe der Leistungsaufnahme der Komponenten + 20-30% Headroom

Lasst uns die obige Formel aufschlüsseln:

• Summe der Leistungsaufnahme der Komponenten: Um diese Kennzahl zu berechnen, addierst du die Wattzahl aller wichtigen Komponenten:
  • CPU: Prüfe die Thermal Design Power (TDP) (z. B. Intel Xeon E-2278G = 80 W).
  • GPU: Falls vorhanden, notiere ihren TDP (z. B. NVIDIA RTX 3060 = 170 W).
  • Arbeitsspeicher: Normalerweise 3-5 W pro DIMM (z. B. 4x 16 GB DDR4 = 12-20 W).
  • Speicher: HDDs (~6-10W pro Stück), SSDs (~2-5W pro Stück).
  • Motherboard: 25-100 W je nach Ausstattung.
  • Kühlgebläse: 3-10 W pro Stück.
  • Andere Peripheriegeräte: Füge 10-50 W für Extras wie Netzwerkkarten oder RAID-Controller hinzu.
• Headroom (20-30%): Netzteile arbeiten am effizientesten bei 50-80% Kapazität. Ein zusätzlicher Puffer von 20-30% sorgt für Stabilität und ermöglicht kleinere Upgrades.

Tabelle zum Strombedarf

Hier ist eine Kurzübersicht über die gängigen Serverkomponenten:

Komponente	Typische Wattzahl
Low-End-CPU	35-65W
Mittelklasse-CPU	65-95W
High-End-CPU	95-150W+
GPU (falls zutreffend)	50-300W
RAM (pro Stick)	3-5W
HDD (3,5″)	6-8W
SSD (2,5″ oder NVMe)	2-5W
Motherboard	25-50W
Ventilatoren/Kühlung	5-20W

Beispielkonfiguration für verschiedene Hosting-Szenarien in der realen Welt

Die Auswahl des richtigen Netzteils (PSU) für einen Server hängt von der Arbeitslast und den Hardwareanforderungen ab. Nachfolgend sind Beispielkonfigurationen aufgeführt, die auf unterschiedliche Hosting-Anforderungen zugeschnitten sind: eine kleine Unternehmenswebsite und eine E-Commerce-Plattform mit hohem Datenverkehr.

1. Small Business Website Server

Eine Website für kleine Unternehmen besteht in der Regel aus einem einfachen Webserver mit minimalen Ressourcenanforderungen. Der Schwerpunkt liegt auf Stabilität, Effizienz und Erschwinglichkeit.

Beispielkonfiguration:

• CPU: AMD EPYC 4545p
• Motherboard: Standard ATX Server Board (30W)
• RAM: 192 GB DDR5 ECC
• Speicher: 2 x 3,4 TB NVMe SSD
• Netzwerk: 3 Gbit/s – 10 Gbit/s unbegrenzte Bandbreite
• CPU-Cache: 64 MB
• Taktfrequenz: 5,4 GHz Turbo

Dieses Setup bietet eine energieeffiziente Lösung für das Hosting einer Unternehmenswebsite mit Platz für grundlegende Erweiterungen.

2. Hochfrequentierter eCommerce Server

Eine hochfrequentierte eCommerce-Plattform erfordert eine leistungsfähigere Einrichtung, um eine große Anzahl gleichzeitiger Nutzer zu bewältigen. Dazu gehören verbesserte Verarbeitungs-, Speicher- und Redundanzfunktionen.

Beispielkonfiguration:

• CPU: AMD EPYC 7313P (155W TDP)
• Motherboard: Dual-Socket Server Board (80W)
• RAM: 128GB DDR4 ECC (40W)
• Speicher: 4 x 2TB NVMe SSD (30W insgesamt) + 2 x 10TB HDD (16W insgesamt)
• Netzwerken: Zwei 10GbE-Netzwerkkarten (insgesamt 20 W)
• Kühlung: 4 x 120-mm-Hochleistungs-Gehäuselüfter (insgesamt 12 W)
• Redundante Stromversorgung: 1000W - 1200W 80+ Platin-Netzteil

Dieses System gewährleistet Stabilität, Redundanz und die Fähigkeit, mit dem Wachstum des Unternehmens mitzuwachsen und Verkehrsspitzen effizient zu bewältigen.

Wichtigkeit der Verwendung des richtigen Netzteils

Während die meisten Netzteile auf standardisierten Designs basieren, um eine einfache Installation zu ermöglichen, gibt es einige Varianten für unterschiedliche Anwendungen. 

Arten von PSUs

ATX-Standard: Das gängigste Netzteil, das in der Regel in Desktop-PCs verwendet wird. Es wurde für den ATX-Motherboard-Formfaktor entwickelt. Liefert drei positive Spannungsschienen, +3,3 V, +5 V und +12 V, sowie eine Standby-Spannungsschiene, +5 V SB, um Computer im Standby-Modus mit Strom zu versorgen. 

Entry-Level Power Supply Specification (EPS): Abgeleitet vom ATX-Standard, wurde dieser Netzteil-Typ für den Einsatz in Servern und nicht in PCs entwickelt. Er bietet eine stabilere Umgebung für kritische Anwendungen als der ATX-Standard und ist daher ideal für den Einsatz in unternehmenskritischen Servern. 

Kleiner Formfaktor: Eine Netzteilvariante, die für den Einsatz in kleineren Computern mit MicroATX-Motherboards entwickelt wurde. Das sind die Netzteile, die in kleineren Set-Top-Boxen wie DVD-Playern oder Kabelboxen zu finden sind.

Thin Form Factor: Netzteilvariante, die für die Verwendung mit Mini-ITX-Motherboards und Computern mit kleinerem Formfaktor entwickelt wurde. 

Wenn du einen Heim-PC bauen willst, ist ein ATX-Standard-Netzteil die beste Wahl, da es in jedes Standard-Computergehäuse und jede Motherboard-Kombination passt. Wenn du einen Server bauen willst, ist vielleicht die EPS-Lösung die perfekte Wahl. Für kleinere Computer ist ein Netzteil mit kleinem oder dünnem Formfaktor vielleicht besser geeignet. 

PSU-Effizienzwerte

Die Effizienz von Netzteilen ist ein entscheidender Faktor für den Stromverbrauch, die Wärmeentwicklung und die langfristigen Betriebskosten. Zwei primäre Zertifizierungssysteme - 80 PLUS und Cybenetics - werden häufig zur Bewertung der Effizienz von Netzteilen verwendet.

80 PLUS Zertifizierung

Das 80-PLUS-Bewertungssystem bewertet Netzteile nach ihrer Effizienz bei verschiedenen Lasten (20%, 50% und 100%). Die Stufen umfassen:

• 80 PLUS Standard - 80% Effizienz
  
• 80 PLUS Bronze - 82-85% Effizienz
  
• 80 PLUS Silber - 85-88% Effizienz
  
• 80 PLUS Gold - 87-90% Effizienz
  
• 80 PLUS Platin - 90-94% Effizienz
  
• 80 PLUS Titanium - 92-96% Wirkungsgrad

Ein höherer Wirkungsgrad bedeutet weniger Energieverschwendung, niedrigere Stromkosten und eine geringere Wärmeabgabe.

Cybenetics Zertifizierung

Die vor kurzem eingeführte Cybenetics-Zertifizierung bietet eine umfassende Bewertung von Netzteilen, indem sie sowohl die Effizienz als auch den Geräuschpegel beurteilt. Sie bietet zwei primäre Zertifizierungsprogramme an:?

• ETA-Zertifizierung: Der Schwerpunkt liegt auf der Effizienz, die Bewertungen reichen von Bronze bis Diamant.
  
• LAMBDA-Zertifizierung: Bewertet den Geräuschpegel, mit Einstufungen von Standard bis A++.

Beim Cybenetics-Ansatz werden die Netzteile unter realen Bedingungen getestet, z. B. bei höheren Umgebungstemperaturen und wechselnden Lasten.

ROI-Berechnungsbeispiel: Platin- vs. Bronze-Netzteil

Nehmen wir an, ein Server läuft rund um die Uhr mit einer konstanten Leistungsaufnahme von 400 W und der Strom kostet 0,12 $ pro kWh:

• Bronze-Netzteil (85% Effizienz):
  
  • Gesamte Leistungsaufnahme: 400W ÷ 0,85 = 470,6W
    
  • Jährlicher Verbrauch: 470,6 W × 24 × 365 ÷ 1000 = 4.121 kWh
    
  • Jährliche Kosten: 4.121 × $0,12 = $494,52
    
• Platin-Netzteil (94% Effizienz):
  
  • Gesamte Leistungsaufnahme: 400W ÷ 0,94 = 425,5W
    
  • Jährlicher Verbrauch: 425,5 W × 24 × 365 ÷ 1000 = 3.727 kWh
    
  • Jährliche Kosten: 3.727 × $0,12 = $447,24
    

Jährliche Einsparung: 47,28 $ pro PSU

In einem Rechenzentrum mit 100 Servern bedeutet dies eine jährliche Einsparung von über 4.700 US-Dollar, so dass effizientere Netzteile eine sinnvolle langfristige Investition sind.

Auswirkungen der PSU-Effizienz auf die Hosting-Kosten und die Umwelt

Ein Netzteil mit höherem Wirkungsgrad reduziert die Energieverschwendung, was die Stromkosten senkt und die Wärmeabgabe minimiert. Das kann langfristig erhebliche Vorteile bringen, vor allem bei Servern und ständig eingeschalteten Systemen.

In einem Rechenzentrum oder einem Krypto-Mining-System, das rund um die Uhr läuft, kann die Wahl eines Platin-Netzteils gegenüber einem Bronze-Netzteil zu erheblichen Einsparungen führen. Wenn ein Server ständig 500 W verbraucht und der Strom 0,12 $/kWh kostet, kann der Unterschied in der Effizienz zu jährlichen Einsparungen von 50 bis 100 $ pro System führen.

Die Verwendung von Netzteilen mit höherem Wirkungsgrad reduziert nicht nur die Kosten, sondern auch den CO2-Fußabdruck, was sie zu einer umweltfreundlicheren Wahl macht.

PSU-Lebensdauer

Da Netzteile regelmäßig große Mengen an Strom verbrauchen, sind sie einem höheren Verschleiß ausgesetzt als andere Systemkomponenten. Aus diesem Grund ist die Lebensdauer eines Netzteils ein wichtiges Maß für die Zuverlässigkeit eines bestimmten Netzteils. Diese Lebensdauer wird in der Regel als Mean Time Between Failures (MTBF) definiert. 

Ein höherer MTBF-Wert bedeutet, dass ein bestimmtes Netzteil zuverlässiger ist und eine längere Lebensdauer hat als Netzteile mit niedrigeren MTBF-Werten. Netzteile, die mit hochwertigeren Materialien und besserer Kühlung hergestellt werden, haben in der Regel eine längere Lebensdauer, da sie weniger hitzebedingten Belastungen ausgesetzt sind. 

Im Allgemeinen funktioniert ein durchschnittliches Netzteil bei normalen Temperaturschwankungen etwa 100.000 Stunden lang. 

Aufgrund der relativ begrenzten Lebensdauer von Netzteilen sind moderne Server manchmal mit hot-swap-fähigen Netzteilen ausgestattet, die im Falle eines Ausfalls schnell ausgetauscht werden können.

Wir bei InMotion Hosting wissen, wie wichtig eine zuverlässige Stromversorgung ist. Deshalb sind unsere Rechenzentren mit einer unternehmenstauglichen Stromversorgungsinfrastruktur ausgestattet, einschließlich redundanter, hochwertiger Netzteile in unserer gesamten Serverhardware. Dieser umfassende Ansatz für das Energiemanagement ist einer der Hauptgründe, warum wir eine 99,99%ige Betriebszeitgarantie für alle Hosting-Angebote bieten.

Nächste Schritte

Jetzt, wo du ein besseres Verständnis für Computer-Netzteile hast, kannst du leichter entscheiden, welcher Typ von Netzteil für dich der richtige ist. Indem du die Wattzahl, die Spannung, den Formfaktor und die Lebensdauer deines Netzteils berücksichtigst, kannst du sicherstellen, dass deinem Computer nie die Energie ausgeht, die er braucht, um richtig zu funktionieren.