Immersive Cooling im Rechenzentrum

Asperitas AIC24 sorgt mit Öl für Kühle

| Autor: Ulrike Ostler

Asperitas taucht Standard-Server komplett ins Ölbad.
Asperitas taucht Standard-Server komplett ins Ölbad. (Bild: Asperitas)

„AIC24“ von Asperitas für die immersive Kühlung ist ein geschlossenes, wassergekühltes Öl-Tauchsystem, das für die Zirkulation der dielektrischen Flüssigkeit natürliche Konvektion nutzt. Hierzulande vermarktet Boston Servers, Storage, Solutions das Produkt für Cloud-, HPC-, Enterprise- und Edge-Rechenzentren.

Immersive Kühlung ist derzeit die Energie-effizienteste. Asperitas AIC24 ist ein komplett in sich geschlossenes und modulares System. Die Ansprüche sind auch hier hoch: höchstmöglichen Effizienz bei Verfügbarkeit, Energieeinsparung und Wiederverwendung bei gleichzeitiger Erhöhung der Kapazität. Stark verbesserte Dichte bei gleichzeitiger Energieeinsparung.

Die Chancen für ein noch exotisches Verfahren stehen nach Interpretation des Herstellers nicht schlecht: Denn die Kühlung per Luftströme kommt mit den immer dichter werdenden Servern an ihre Grenzen. Es kommt zu hohen Windgeschwindigkeiten von 5 - 0 Beaufort innerhalb der Server-Racks, um die IT zu kühlen. Damit sind aber weitere Probleme verbunden etwa mit den dadurch entstehenden Schwingungen, der Energieaufwand für die Ventilatoren, verwaiste Zinkwhisker und leistungshungrige Kühlanlagen.

Tauchbäder auch für´s Cloud-Computing

Um den Effizienzgrad in den Rechenzentren zu messen, hat sich die Power Usage Effectiveness (PUE) als ein wichtiger Indikator erwiesen. Die Formel ist einfach: Gesamtenergiebilanz der Anlage geteilt durch den Energieverbrauch der IT. Der Nachteil dieses Ansatzes liegt darin, dass, wenn man sich nur darauf verlässt, IT-Ineffizienz belohnt wird. Denn der Fokus liegt auf Energie-Einsparungen bei Kühlanlagen und nicht auf der IT-Effizienz.

Flüssigkühlung ist nicht neu, nicht einmal die immersive Kühlung. Tatsächlich gibt es bereits Anlagen, die mit Öl oder dem 3-Com-Gemisch „Novec“ laufen – im High Performance Computing (HPC) oder Supercomputing. Allerdings sind das quasi Sonderanfertigungen, die Standardisierung steckt noch in den Kinderschuhen.

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Während kaum ein Supercomputer ohne irgendeine Art der Flüssigkühlung auskommt, sieht das im Cloud Computing ganz anders aus. Cloud-Plattformen sind auf Kontinuität und Flexibilität ausgelegt, nicht unbedingt auf höchste Performance. Hier stieß die Flüssigkeitskühlung an ihre Grenzen: zu komplex, zu teuer, zu schwer zu bedienen, chaotisch, inkompatibel mit bestehenden Datenbeständen oder zu unflexibel durch proprietäre IT. Allerdings stoßen jetzt auch Cloud-Plattformen an Energie- und Dichteprobleme.

Asperitas setzt auf Medizin-taugliches Öl

Darauf setzt Asperitas mit seinem Konzept „Immersed Computing“ auf, dessen zentrales Produkt AIC24 ist. Bei dessen immersiver Kühlung werden die elektronischen Bestandteile in eine dielektrische Flüssigkeit eingetaucht. Somit wird die gesamte von der IT erzeugte Wärme in der Flüssigkeit aufgefangen. Geeignete dielektrische Flüssigkeiten können bei gleichem Volumen und gleicher Temperatur etwa 1.500 mal mehr Wärme-Energie aufnehmen als Luft.

Diese Art der Kühlung ist ebenfalls längst bekannt. Sie dient mehr als ein halbes Jahrhundert als anerkannte Methode zur Konditionierung von Elektronik. Ende der sechziger Jahre wurden bereits die ersten Patente für Ölimmersionssysteme erteilt.

Zu den geeignetes Flüssigkeiten gehören heute Öl und chemisch hergestellte Flüssigkeiten. Asperitas hat sich für medizinisches Qualitätsöl als primäres Kühlmedium entschieden, weil es weltweit zu bekommen ist, weniger kostet als etwa Novec und es kaum Sicherheitsbedenken gibt. Medizinische Öle werden von allen Ölgesellschaften hergestellt und können frei gemischt und ausgetauscht werden. Chemisch hergestellte Flüssigkeiten, auch wenn sie noch immer für das Eintauchen von Servern geeignet sind, haben einen Preis, der in der Regel 20- bis 40-fach höher liegt. Das von Asperitas verwendete medizinische Qualitätsöl ist das gleiche Produkt wie Vaseline, allerdings mit einer anderen Viskosität.

Bei dem Kühlsystem „Asperitas AIC24“ handelt es sich im Wesentlichen um ein Ölbad, in das die Server komplett versenkt werden. Da die IT-Komponenten Hitze abgeben, dehnt sich die Flüssigkeit aus, tritt über und wird durch wasserführende Leitungen abgekühlt.
Bei dem Kühlsystem „Asperitas AIC24“ handelt es sich im Wesentlichen um ein Ölbad, in das die Server komplett versenkt werden. Da die IT-Komponenten Hitze abgeben, dehnt sich die Flüssigkeit aus, tritt über und wird durch wasserführende Leitungen abgekühlt. (Bild: Asperitas)

Wie funktioniert das?

Das Öl wird quasi durch das Erhitzen auf natürliche Weise umgewälzt und verlässt das Tauchsystem nicht. Eine isolierende Doppelhülle sowie eine kalte Hülle mit Wasserleitungen sorgen vor Leckagen und Hitze von außen. Dies bedeutet, dass der Primärkreislauf vollständig von der thermischen Ausdehnung des Öls und der Schwerkraft angetrieben wird. Einzige Voraussetzung für die Wärmeabfuhr ist eine gemeinsame Wasserinfrastruktur.

Im Endeffekt entsprechen somit 22 Kilowatt IT fast auch 22 Kilowatt an Wärme, da die Temperaturschwankungen gering sind und die Abkühlung durch das Wasser einen minimalen Verlust verursacht.

Im Prinzip lässt sich jeder Server verwenden, allerdings ohne bewegliche Teile und ohne herkömmliche Chassis. Immersed Computing Server bestehen somit aus IT-Komponenten wie Mainboards, Netzteilen und Speicher. Für Asperitas-Systeme werden zudem spezielle Asperitas-Universalkassetten, „AUC's“ verwendet. (Alle Informationen über die AUC's sind für Hardware-Entwickler und -Hersteller zugänglich.)

Switches und Kabel-Management

Auch an Energieversorgung und Datenleitungen ist gedacht. Die redundaten Stromverteilung ist quasi integriert. Sie wird so eingesetzt, dass das Kabel-Management einfach sein kann und nichts außerhalb des Eintauchsystems verlegt werden muss. Bündel oder Überlängen sind ausgeschlossen. Nur die Backbone-Verkabelung kommt aus dem System.

Auch das Ethernet-Switching gehört zum System. Universal-Switching-Kassetten ermöglichen laut Hersteller das Eintauchen von Switches jeder Marke.

Laut Hersteller müssen, damit die Einführung eines Immersed Computing akzeptiert und machbar ist, die Systeme einfach zu implementieren sein und die Plattformen dürfen sich nicht auf proprietäre IT beschränken. Darüber hinaus scheinen die Anforderungen für ein solches geschlossenes System eine redundante Stromversorgung, Zugang zu einem Wasserkreislauf und Datenanbindung.

Die Restriktionen des Ölbads

Es gibt dennoch ein paar Einschränkungen und diese hängen mit dem Öl zusammen. So löst sich Wärmeleitpaste in jeder Flüssigkeit auf, so dass diese durch ein nicht lösliches Material, zum Beispiel Indiumfolie, ersetzt werden muss. SSDs können problemlos eingesetzt werden, herkömmliche Spinnfestplatten jedoch nicht. Es sei denn, sie sind vom Hersteller zum Eintauchen zugelassen oder luftdicht (Heliumantriebe) mit chemikalienbeständigem Dichtmittel ausgerüstet.

Die einzelnen Module haben jeweils eine Grundfläche von 600 x 1.200 Millimeter Grundfläche. In der Aufstellung sind sie relativ flexibel, obwohl ein Wasserkreislauf mehrere Module versorgen kann. Sie lassen sich Rückseite an Rückseite und Seite an Seite platzieren.

Der Umgang mit Öl will gelernt sein

Öl eine Flüssigkeit und verhält sich nun einmal anders als Luft. So trivial das auch klingt, aber im Alltag sehen sich Datacenter-Betreiber mit einigen Herausforderungen konfrontiert.

Zu lernen ist deshalb als erstes, dass alles, was in Öl eingetaucht ist, während der Wartung oder nach dem Austausch mit der Flüssigkeit benetzt bleibt. Alles, was der Flüssigkeit entnommen wird, kann bei unsachgemäßer Verarbeitung tropfen, auslaufen und zu Rutschgefahr führen. Somit müssen die Arbeitsprozesse angepasst werden.

Ein „Asperitas AIC24“-Modul besitzt eine Grundläche von 600 x 1.200 Millimetern.
Ein „Asperitas AIC24“-Modul besitzt eine Grundläche von 600 x 1.200 Millimetern. (Bild: Asperitas)

Das bedeutet unter anderem, dass sich die Admins Zeit lassen müssen, da es Zeit braucht, damit das Öl abtropft. Sie müssen zudem einen Vorrat an den richtigen Komponenten haben. Allerdings bietet Asperitas Werkzeuge an, die eine Wartung, auch im ungeplanten Fall, ermöglichen. Hier zwei Beispiele:

Das Öl verdunstet nicht, sondern verbleibt auf einer Oberfläche, wenn sie nicht ordnungsgemäß gereinigt werden. Ein kleiner Tropfen Öl ist keine große Sache, aber mit der Zeit kann ein Ölfilm auf einer Oberfläche Staub oder Schmutz ansammeln, der Flecken verursacht. Jeder Tropfen sollte daher sofort abgewischt werden. Dafür gibt es spezielle Reinigungsmittel vom Hersteller.

Da die IT in eine vertikale Position gebracht wird und für eine Weile auslaufen muss, ist es es unkomfortabel, einen Server manuell aus dem Becken zu heben. Dafür gibt es einen Hubmechanismus. Der Asperitas-Servicewagen ist spezialisiert auf das Heben von Kassetten, die Wartung und den Transport von IT.

Was bringt es ein?

Asperitas hält einige Rechenbeispiele parat, die die Energie-Effizienz des Systems belegen sollen. So führt das Fehlen von beweglichen Teilen, die ansonsten eine Luftzirkulation benötigten und zwischen 19 bis 45 Prozent der Energiebilanz ausmachen, zu eben dieser Einsparung.

Ein Server mit einer Höheneinheit und durchschnittlicher CPU-Leistung sowie guter Auslastung mit 80 Watt pro CPU haben zumeist den höchsten Lüfter-Overhead. Größere Server mit zwei bis fünf Höheneinheiten haben zwar größere Lüfter, die weniger Energie verbrauchen, aber diese Server nehmen viel mehr Platz in einem Rack ein, was das Rack weniger effektiv macht.

Dazu kommen Optimierungseffekte. Die Hardware lässt sich höher auslasten, sie benötigt weniger Platz und die Anschaffungs- sowie Betriebskosten sinken. Da die Lizenzen viele Software-Produkte noch immer CPU-basiert sind, schrumpfen diese Kosten, weil weniger physische Server benötigt werden. Datacenter-Kühlung sowie Doppelboden sind ohnehin passé.

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