Die Leistungsdichte in Server-Racks muss steigen

Die CPU gehört direkt mit Wasser gekühlt

| Autor / Redakteur: Robert Pawlik und Franziska Büttner* / Ulrike Ostler

Das Heißwasser-Direktkühlsystem Coldcon von Megware kühlt bei Cloud&Heat und HPC-Cluster.
Das Heißwasser-Direktkühlsystem Coldcon von Megware kühlt bei Cloud&Heat und HPC-Cluster. (Bild: Megware)

Der Markt für Rechenzentren wächst. Durch die zunehmende Nachfrage nach Leistung rückt auch die Diskussion nach der Leistungsdichte von CPUs nach vorne. Die Leistungsdichte in Server-Racks muss steigen!

Der Markt für Rechenzentren wächst. Vor allem die zunehmende Digitalisierung in allen Wirtschafts- und Gesellschaftsbereichen führt zu einem stetig steigenden Bedarf an Rechenleistung. Allein in Deutschland stiegen die Investitionen für den Neubau und die Modernisierung der Infrastruktur von Rechenzentren durch die Verbreitung von Smartphones und Tablets sowie Trends wie Cloud Computing und Big Data im Jahr 2015 um 10 Prozent auf 900 Millionen Euro an.

Durch die zunehmende Nachfrage nach Leistung rückt auch die Diskussion nach der Leistungsdichte in den Vordergrund. Bei herkömmlichen Rechenzentren stagniert die durchschnittliche Leistungsdichte pro Rack seit rund zehn Jahren bereits bei etwa 5 Kilowatt pro Rack. In einer Studie von Emerson Network Power prognostizieren die Befragten jedoch einen Anstieg auf durchschnittliche 50 Kilowatt pro Rack bis 2025.

Die Realisierbarkeit dieser Wachstumsprognosen ist umstritten, aber die Richtung völlig klar: Die Leistungsdichte in Server-Racks muss steigen! Um dies zu ermöglichen, ist jedoch ein tiefgreifender Wandel in der physischen Umgebung von Rechenzentren nötig.

CPU-Hitze ist der Flaschenhals für die Weiterentwicklung

Haupttreiber für steigende Rechenleistung ist die Central Processing Unit, kurz CPU. Die maximal abgegebene Wärmeleistung einer CPU wird von den Herstellern als Thermal Design Power (TDP) angegeben. Prozessoren wandeln die gesamte elektrische Energie in Wärme um, deshalb gehören vor allem die Wärme-Entwicklung und deren Abführung zu den limitierenden Faktoren.

Sieht man sich die Leistungsdichte einer CPU an, lässt sich feststellen, dass eine CPU der aktuellen Generation mehr Wärme produziert als eine Herdplatte - fast viermal so viel.
Sieht man sich die Leistungsdichte einer CPU an, lässt sich feststellen, dass eine CPU der aktuellen Generation mehr Wärme produziert als eine Herdplatte - fast viermal so viel. (Bild: Cloud & Heat)

Denn in den vergangenen zehn Jahren hat es bei der Wärme-Entwicklung von CPUs für die Anwendung in Midrange-Server-Systemen kaum nennenswerte Entwicklungen gegeben. Im nachstehenden Schaubild wird deutlich, dass die TDP der Intel-Xeon- sowie der AMD-Opteron-Reihe nie über ein Maximum von 150 Watt hinaus gestiegen ist.

Dazu ein Rechenbeispiel: Wenn man sich die Leistungsdichte einer modernen CPU anschaut, lässt sich feststellen, dass eine CPU der aktuellen Generation mehr Wärme produziert als eine Herdplatte. Intels neueste Server-Prozessorgeneration der „Broadwell-EP“-Reihe, „Intel Xeon E5-2600 v4“, hat bis zu 7,2 Milliarden Transistoren und 22 Prozessorkerne. Die aktive Fläche des Prozessors beträgt dabei lediglich 456 Qudartmillimeter.

Ergänzendes zum Thema
 
Die Megware-Heißwasserkühlung

Eine CPU produziert viermal mehr Wärme als eine Herdplatte

Die TDP wird bei diesem, in der Rechenzentrumsbranche sehr weit verbreiteten Prozessortypen mit 145 Watt angegeben. Die Wärmeleistung dieser CPU beträgt somit 31 Watt pro Quadratzentimeter. Eine moderne Induktionskochherdplatte hat bei einem Durchmesser von 18 Zentimeter und einer Leistung von 2 Kilowatt, eine Leistungsdichte von 8 Watt pro Quadratzentimeter. Beim Vergleich dieser Werte lässt sich festhalten, dass die Leistungsdichte der CPU fast 4-mal so hoch ist wie die der Herdplatte.

Die Erhöhung des TDP stellt zwangsweise auch höhere Anforderungen an das Kühlsystem. Bisher werden für die meisten Rechenzentren konventionelle Luftkühlsysteme genutzt. Hier wird kalte Luft durch ein Kühlgerät erzeugt und durch einen Zwischenboden zum Server geleitet. Die kalte Luft wird vom Rack eingesaugt, nimmt dort die Wärme auf und wird anschließend durch Lüfter an der Rückseite wieder an die Umgebung abgegeben.

Nicht selten ist die Kühlung für rund 40 Prozent der für den Betrieb notwendigen Rechenzentrumsenergie verantwortlich. Dies ist nicht nur im Hinblick auf einen ressourcenschonenden Einsatz von Energie problematisch, sondern führt aufgrund steigender Energiekosten auch zu einem zunehmenden finanziellen Druck für die betreibenden Unternehmen.

Wasser kühlt besser

Es gibt jedoch Ansätze, die Kühlleistung durch wassergekühlte Systeme zu erhöhen. Hier macht man sich einige physikalische Vorteile des Wassers gegenüber der Luft zu Nutze. Die Wärmekapazität des Wassers ist um den Faktor 3.300 höher und die Wärmeleitfähigkeit ist in etwa 20 mal höher als die der Luft. Das Wasser kann demnach ein Vielfaches an Wärme aufnehmen, ein Effekt, der sich verstärkt, je näher das Kühlmedium an die Wärmequelle gelangt.

Das Unternehmen Megware hat mit "Coldcon" ein Heißwasser-Direktkühlsystem entwickelt.
Das Unternehmen Megware hat mit "Coldcon" ein Heißwasser-Direktkühlsystem entwickelt. (Bild: Megware)

Durch einen intelligenten Aufbau schafft man so eine konzentrierte Kühlung von sensiblen Bauteilen, wie zum Beispiel der CPU. Aufgrund der höheren Kühlleistung sind somit Leistungsdichten von 45 Kilowatt pro Rack bei einer gleichzeitigen Reduktion des Energieverbrauchs im Vergleich zu einem konventionellen Kühlsystem möglich. Ein wassergekühltes System kann darüber hinaus zusätzliche Energie-Einsparungen ermöglichen, wenn die abgeführte Wärme weiteren Nutzen stiftet.

Durch die relativ hohen Temperaturen in den Server-Racks sind Wasser-Ausgangstemperaturen von derzeit bis zu 55 Grad möglich. Wasser auf diesem Temperaturniveau kann beispielsweise für das Erwärmen des Wassers im Warmwasser- oder Heizungssystem von Gebäude genutzt werden und spart somit Energie an anderer Stelle ein.

Mit Wasser ran an den Server

Eine ebenfalls aussichtsreiche und durchaus bereits gut entwickelte Lösung ist der Einsatz von direkt-wassergekühlten Systemen. Hierbei wird nicht das Rack, sondern der Server selbst wassergekühlt.

Zwar scheuen immer noch viele Rechenzentrumsplaner die Schwierigkeiten des Einsatzes von Wasser in der IT, ein Umdenken hat jedoch bereits begonnen. Die Zukunft des Marktes für wassergekühlte Systeme wird deshalb nicht mehr nur im High-Performance-Sektor (Universitäten und HPC-Rechenzentren) liegen, sondern sollte vor allem aufgrund des geringen Energiebedarfs und der damit verbundenen Kostenvorteile vermehrt auch ihre Anwendung in klassischen Server-Räumen finden.

Bei dem megware-System Coldcon wird die Abwärme unmittelbar durch warmes Kühlwasser direkt von Prozessoren, Spannungsreglern, Chipsätzen und Speicher­­modulen aufgenommen und aus den Knoten an den vor Ort vorhandenen Wasser-Kühlkreislauf herausgeführt.
Bei dem megware-System Coldcon wird die Abwärme unmittelbar durch warmes Kühlwasser direkt von Prozessoren, Spannungsreglern, Chipsätzen und Speicher­­modulen aufgenommen und aus den Knoten an den vor Ort vorhandenen Wasser-Kühlkreislauf herausgeführt. (Quelle Megware)

Cloud&Heat setzt auf Megware

Die Cloud&Heat Technologies GmbH nutzt für ihre Server das Wasserkühlsystem von Megware, so dass auf eine Nutzung zusätzlicher Kältetechnik verzichtet werden kann. Die Wärme wird direkt dort aufgenommen, wo sie entsteht. So kann mehr Wärme abtransportiert werden als bei herkömmlichen Kühlmethoden.

Zudem hat die Cloud&Heat Technologies GmbH ein Abwärmenutzungskonzept entwickelt, was es Unternehmen ermöglicht, die entstehende Wärme zum Beheizen Ihrer Büro- und Geschäftsräume weiterzuverwenden. Cloud&Heat Technologies bietet hier eine besonders Kosten- und Energie-effiziente Lösung zur nachhaltigen Steigerung der Leistungsdichte.

* Robert Pawlik und Franziska Büttner arbeiten bei Cloud&Heat.

Was meinen Sie zu diesem Thema?

Schreiben Sie uns hier Ihre Meinung ...
(nicht registrierter User)

Kommentar abschicken
copyright

Dieser Beitrag ist urheberrechtlich geschützt. Sie wollen ihn für Ihre Zwecke verwenden? Infos finden Sie unter www.mycontentfactory.de (ID: 44394886 / Racks)