Tauchbäder für Server

2-Phasen-Immersionskühlung vor dem Praxiseinsatz im Schweizer Datacenter Deltalis

| Autor / Redakteur: Ariane Rüdiger / Ulrike Ostler

Die Server-Kühlung mit der 3M-Flüssigkeit „Novec“ steht im "sichersten Rechenzentrum der Schweiz" kurz vor dem operativen Einsatz.
Die Server-Kühlung mit der 3M-Flüssigkeit „Novec“ steht im "sichersten Rechenzentrum der Schweiz" kurz vor dem operativen Einsatz. (Bild: dehmel 2phIC technologies)

Immersions- oder Tauchkühlung ist eine hochwirksame Kühlmethode, die inzwischen die Praxisreife erreicht hat. Eine Testinstallation befindet sich im Deltalis Innovation Lab, einem Innovationslabor, das von Dehmel 2phIC Technologies und 3M im hochsicheren Schweizer Rechenzentrum von Deltalis SA betrieben wird.

Energie-Effizienz und geringer Platzbedarf sind für Tobias Dehmel die schlagenden Argumente für Immersions- oder Tauchkühlung. Dehmel berät mit seinem Unternehmen Dehmel Systemplanung GmbH Firmen beim Aufbau von Rechenzentren. Für die Zweiphasen-Immersionskühlung hat er intern eine Abteilung namens „Dehmel 2phIC Technologies“ gegründet.

Beim Datacenter-Betreiber Deltalis hat er nun zusammen mit 3M und Deltalis SA als Partner ein Innovationslabor zum Thema 2 Phasen-Immersions- oder Tauch-Siedekühlung aufgebaut. Das Ziel: In einigen Jahren soll dieses Kühlverfahren als Alternative zu konventionellen Kühlverfahren eingesetzt werden und dadurch das Abführen der entstehenden Abwärme in der von Deltalis betriebenen Anlage in einem ehemaligen Armeebunker optimieren.

Das Rechenzentrum besteht aus drei Gebäudeabschnitten. Der erste ist etwa zur Hälfte befüllt, der zweite befindet sich noch im Urzustand und der dritte enthält das Innovations-Labor, von dem in diesem Artikel die Rede ist.

Die Grundlage ist „Novec“

Dabei experimentieren 3M und Dehmel im Deltalis Innovation Lab mit einer besonderen Variante dieser Technologie, der Zwei-Phasen-Inmmersions- oder Tauch-Siede-Kühlung. Dieses spezielle Verfahren verwendet mit Hydrofluorether ein Wärme-Management-Medium, das bereits bei 61 Grad Celsius in die dampfförmige Phase übergeht. 3M hat die „3M Novec 7100“ High-Tech Flüssigkeit, so der Produktname des geschützten Kühlmediums, eigens in Hinblick auf die Eigenschaft, bei niedrigen Temperaturen zu verdampfen und ansonsten möglichst stabil zu bleiben, entwickelt.

Eine zweite wichtige Eigenschaft besteht darin, dass das spezifische Gewicht der High-Tech Flüssigkeit größer ist als das von Wasser oder Luft, vulgo: Die Flüssigkeit ist schlicht schwerer als die beiden Medien. Das bedeutet, dass die High-Tech Flüssigkeit auch als Gas nicht oben aus dem Behälter dampft, in dem die IT-Komponenten in dem Novec-Medium getaucht hängen.

Hier liegt nun der Trick, den sich das Zwei-Phasen-Verfahren zunutze macht. Gekühlt werden derzeit nur Komponenten, die keine drehenden Teile aufweisen. Sprich: Herkömmliche, rotierende Festplatten lassen sich mit dem Verfahren nicht kühlen, wohl aber Server-Platinen, Grafikbeschleuniger, wie sie im Hochleistungsrechnen immer öfter eingesetzt werden, oder SSD-Storage, beispielsweise PCIe-Boards, und auch Switches.

3M und Boston schicken Supermicro-Server zum Tauchen

Kühlen durch Kochen

3M und Boston schicken Supermicro-Server zum Tauchen

30.10.13 - Lässt sich Temperatur im Rechenzentrum nur um ein Grad erhöhen, spart der Betreiber rund 4 Prozent bei den Kühlkosten. Derzeit gilt dabei die freie Kühlung als das Non-Plus-Ultra, auch deswegen, weil Flüssigkühlung in sich geschlossene Systeme erfordert. Das aber ist aufwändig. 3M und Boston stellen nun als Alternative ein halb-offenes Tauchbad für Server vor. lesen

Die konventionellen Festplatten können jedoch in der Dampfphase positioniert werden. Die sich im unteren Teil der Wanne befindliche Novec High-Tech Flüssigkeit hat im Betrieb eine Temperatur nahe dem Verdampfungspunkt. Dort, wo die Flüssigkeit mit den direkten Hitzequellen, zum Beispiel einem hart arbeitenden Prozessor, in Berührung kommt, überschreitet sie die Siedetemperatur und tritt in die Dampfphase über (deshalb Zwei-Phasen-Immersionskühlung).

Die Server-Platinen selbst befinden sich also vorwiegend in dem mit Novec High-Tech Flüssigkeit gefühlten unteren Bereich der Wanne. Die verdampfte Flüssigkeit kondensiert an den Wärmetauschern, die sich im oberen Bereich am Rand des Behälters befinden und durch die das sekundäre Kühlmedium, in der Regel Wasser, fließt.

Der kondensierte Novec-Dampf unterschreitet dadurch wieder die 61 Grad, kondensiert und fließt zurück in den unteren Teil des Behälters, der Kreislauf beginnt von vorn. Das primäre Novec-Kühlmedium verbleibt wegen seines hohen spezifischen Gewichts im geschlossenen Kreislauf des Behälters, ohne dass zusätzlich ein Druck angelegt werden muss. Denn die oberste Schicht in jedem Behälter bildet Luft, die so gewissermaßen wie Deckel auf dem Novec wirkt.

Der Kühlkreislauf

Der Sekundärkreislauf, der die Wärme des Primärkühlkreislaufs abtransportiert, kann nun seinerseits je nach Gegebenheiten, die Abwärme entweder zu Heizzwecken verwenden, oder die Abwärme kann an ein kühlendes Medium, etwa Luft, nach Außen abgeben werden. Hierdurch kühlt sich das Sekundärmedium dort so weit wie erforderlich ab. Dann kehrt es zu den mit der Elektronik-Hardware gefüllten Behältern zurück und wird durch die Kondensation des gasdampfförmigen Novec-Primärmediums wieder mit Abwärme aufgeladen.

Die Novec High-Tech Flüssigkeit selbst wird dabei nicht verbraucht. Eine Wanne mit 10 Höheneinheiten fasst etwa 60 Liter, die nach der primären Befüllung nur nach (Service)-Arbeiten am System eventuell geringfügig ergänzt werden müssen.

„Wenn man ein IT-Board aus dem Server-Wanne herausholt, ist es in einer Minute trocken und das Novec-Medium hinterlässt keine Rückstände“, sagt Dehmel. „Und außerdem ist die Flüssigkeit kein Gefahrgut.“ Das mache auf Novec basierende Immersionskühllösungen gegenüber vergleichbaren Verfahren deutlich unkomplizierter beim Handling und in der Wartung.

Noch 2018 erhältlich: Fujitsu-Systeme mit Zwei-Phasen-Immersionskühlung

Ein mit der Novec High-Tech Flüssigkeit arbeitendes Server-Rack-System ist relativ einfach aufgebaut: Eine Wanne, die sich wie normale Einschübe in ein 19-Zoll-Rack einbauen lässt, fasst acht IT-Einheiten im Blade-Format, also zum Beispiel acht Server-Platinen.

Vier Einschübe (zwei vorn, zwei hinten) passen in ein Standard-Rack – insgesamt können also 32 Server in einem Rack mit Zwei-Phasen-Immersionskühlung untergebracht werden. Das entspricht einer Leistung von 40 bis 60 Kilowatt pro Rack, oder, wenn man die Fläche für die ansonsten benötigten Kühleinrichtungen einbezieht, 13 bis 20 kW pro Quadratmeter Whitespace im Rechenzentrum.

Im Deltalis Innovation Lab werden derzeit an zwei Servern Tests durchgeführt. Es laufen Versuche und Messungen an der Firmware der im System laufenden Server. „Wir müssen die bisher geltenden Temperaturgrenzen und die Lüfter aus der Firmware herauskonfigurieren, weil beides in unserem Konzept keine Rolle spielt“, erklärt Dehmel.

Aufbau einer Kühlwanne: Die hohe Leistung des Wärmeabtransports mit Dampf erlaubt eine dichte Montage der Server-Platinen. Das Gas gibt seine Wärme direkt im Gefäß an die Wärmetauscher ab und wird wieder flüssig.
Aufbau einer Kühlwanne: Die hohe Leistung des Wärmeabtransports mit Dampf erlaubt eine dichte Montage der Server-Platinen. Das Gas gibt seine Wärme direkt im Gefäß an die Wärmetauscher ab und wird wieder flüssig. (Bild: 3M/2phIC)

Fujitsu plant bereits für den Herbst, Systeme mit dem von Dehmel in Zusammenarbeit mit Deltalis SA und 3M getesteten Immersionskühlverfahren als Teil von Cloud-Datacenter-Infrastrukturen anzubieten. Die Abwärme der Testserver und auch die des für den Herbst geplanten ersten kommerziellen Immersions-gekühlten Racks im Deltalis-Rechenzentrum, soll zunächst zur Heizung der Bunkeranlage und Büroräume verwendet werden.

Später sollen dann weitere Racks mit für Kunden nutzbaren Systemen folgen – ob sich Abnehmer für die Abwärme finden, ist noch nicht klar. Wenn nicht, wird sie in die Umgebungsluft abgelassen.

Für die Zukunft der Zwei-Phasen-Immersionskühlung kann sich Dehmel durchaus von Anfang an synergistisch geplante Installationen vorstellen: „In der Schweiz läuft bereits ein Projekt mit Gemeinden, bei denen Racks mit Servern in Schulen aufgestellt werden und diesen Heizwärme liefern“, erkläutert Dehmel. Die Zweiphasen-Immersionskühlung würde derartige Anwendungen erleichtern, denn für Heizzwecke muss das Medium lediglich 55 Grad warm sein – die 61 Grad des verdampften Novec reichen da allemal aus.

Massive Einsparungen bei Kühltechnik direkt auf der Server-Platine

Ein weiterer Vorteil der 2phIC-Immersionskühlung besteht darin, dass die komplette Energie für die Luftkühlung direkt auf der Server-Platine entfällt. „Immerhin machen die Lüfter, die sich direkt auf der Serverplatine befinden, rund 10 bis 30 Prozent vom Server-Stromverbrauch aus“, so Dehmel.

Das verfälscht die Aussagekraft des PUE-Wertes, da hier die Kühlenergie der Server nicht im Nenner, sondern im Zähler auftaucht. Zur Erinnerung: PUE (Power Usage Effectiveness) ist der Quotient aus IT- und Kühlleistung. Beim Zwei-Phasen-Immersion-Cooling entfällt nicht nur die Kühlung der Racks, sondern es sinkt auch real der Stromverbrauch der Server.

Lüfter, die sich direkt auf der Server-Platine befinden, machen rund 10 bis 30 Prozent vom Server-Stromverbrauch aus. Somit steht die Zwei-Phasen-Immersionskühlung und ein Vilefaches besser da, als herkömmliche Kühlmethoden.
Lüfter, die sich direkt auf der Server-Platine befinden, machen rund 10 bis 30 Prozent vom Server-Stromverbrauch aus. Somit steht die Zwei-Phasen-Immersionskühlung und ein Vilefaches besser da, als herkömmliche Kühlmethoden. (Bild: 3M/2phIC)

Außerdem wird durch die Verwendung der 2phIC-Technologie viel Platz gespart, der sonst für Kühleinrichtungen verbraucht werden würde. Die Serverkomponenten können einfacher aufgebaut sein und dichter montiert werden. Die Kühlung der 2phIC Systeme besteht aus einem einfachen Hydraulik-Kreislauf ohne mechanische Kälteerzeugung. Störungsquellen und Wartungsaufwand durch mechanisch belastete Bauteile, zum Beispiel an den Umluftkühlgeräten und Kältemaschinen entfallen. Schnittstellen zur Nutzung der Abwärme können einfach eingebunden werden.

Rechenzentrums-Kunden sehen dem Angebot, demnächst das neue Verfahren zu nutzen, laut Dehmel mit großem Interesse entgegen. „Am einfachsten können diejenigen umsteigen, die heute bereits eine Zwischen-Rack-Kühlung oder passive Kühltüren verwenden, weil dort bereits Wasserleitungen für die konventionellen vorhanden sind.

* Ariane Rüdiger ist freie Journalsitin und lebt in München.

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: 45211217 / Klimatechnik)