Eine Auswahlhilfe für Liquid-Cooling von Schneider Electric Das passende Flüssigkeitskühlungs-Design fürs Rechenzentrum

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Flüssigkeitskühlung ist In. Doch welche ist die beste? Schneider Electric bietet mit dem Whitepaper „Architekturen für Flüssigkeitskühlung in Datacentern mit KI-Workloads – eine Auswahlhilfe“ zu dieser Frage Hilfestellung.

Das Whitepaper von Scheider Electric stellt insgesamt sechs Architekturen für Flüssigkeitskühlung vor. Mit diesen Informationen soll sich das passende Design ausgesuchen lassen.

Die drei Elemente der Flüssigkeitskühlung

Laut den Whitepaper-Autoren - Paul Lin, Robert Bunger und Victor Avelar - besteht die Architektur der Flüssigkeitskühlung aus der Art der Wärme-Aufnahme innerhalb des Servers, des CDU-Typs und der Methode zur Abgabe der Wärme .

Die Wärme-Aufnahme innerhalb des Servers findet in der Regel mit einer Flüssigkeit wie Öl statt, die direkt mit den heißen Bauteilen in Berührung kommt. Alternativ werden Kühlplatten an den warmen Elementen angebracht, zum Beispiel über der Compute Processing Unit (CPU) und an der Graphic Processing Unit (GPU). Die Kältemittel oder Wasser werden dadurch gepumpt.

Die Coolant Distribution Unit (CDU) ist ein grundlegend neues Element der Flüssigkeitskühlung. Die Pumpstationen stellen eine zusätzliche Komponente im Rechenzentrum dar. Sie verteilen die Kühlmittel und ermöglichen so, die heißen Komponenten anzusteuern. Mit dem Einsatz der CDU sind drei Kreisläufe verbunden: das Technik-Kühlsystem (TKS), das Gebäude-Wassersystem (GWS) und das Kondensator-Wassersystem (KWS).

Die CDU selbst besteht aus Pumpen, Wärmetauscher, Filtersystem und Steuerungen. Bei der Auswahl der CDU sollte auf die Art der Wärme-Übertragung geachtet werden. Je nachdem ob eine Flüssigkeit oder ein Kältemittel und ob die Wärme an Luft, Flüssigkeit oder ein Kältemittel übertragen wird, kommen sechs verschiedene Arten der Wärme-Übertragung zustande:

• Flüssigkeit zu Luft (F-L),

• Flüssigkeit zu Flüssigkeit (F-F),

• Kältemittel zu Luft (K-L),

• Kältemittel zu Flüssigkeit (K-F),

• Flüssigkeit zu Kältemittel (F-K),

• Kältemittel zu Kältemittel (K-K).

Das dritte Element der Architektur ist die Methode zur Abgabe der Warme ins Freie. Die von den IT-Systemen produzierte Wärme, muss ihren Weg raus aus dem System finden.

Laut Whitepaper gibt es hierfür drei gängige Methoden. Die Wärme kann durch den TKS-Kreislauf entweder an die Luft im IT-Raum oder bei vorhandener Verbindung an den Gebäude- oder Kondensatorwasserkreislauf an das Gebäudewassersystem abgegeben werden. Alternativ lässt sich ein gänzlich neues und separates Wärme-Abgabesystem konzipieren und aufgebauen.

Auswahlprozess der Methode zur Wärme-Abgabe

Durch die Kombination aus CDU-Typ und der Methode zur Wärme-Abgabe kommen die insgesamt sechs unterschiedlichen Architekturen zustande (siehe: Abbildung 3).

Um die passende Architektur für das eigene Rechenzentrum auszuwählen, sollte zunächst eine Methode zur Wärme-Abgabe und danach für ein CDU-Typ ausgesucht werden. Die Auswahl der Wärme-Abgabemethode hängt von der Kompatibilität der vorhandenen Kühlinfrastruktur, der Größe der IT-Installation, der Geschwindigkeit der Implementierung und der Energie-Effizienz ab. Alle Faktoren zu optimieren ist schlichtweg unmöglich, deshalb müssen die Prioritäten abgewogen und ein Kompromiss gefunden werden.

Die Wärme-Übergabe an die Luft im IT-Raum ist zwar kompatibel mit den meisten vorhandenen Kühlinfrastrukturen und erfordert bei der Installation keine Änderung der bestehenden Kühlinfrastruktur, sie benötigt jedoch mehr Wärmetauscher und Lüfter im Vergleich zu CDUs, die die Wärme an Flüssigkeiten abgeben (F-F). Dadurch ist das Verfahren weniger effizient.

Außerdem ist es schwierig, Wartungsarbeiten bei laufendem Betrieb auszuführen oder eine vollständige Redundanz zu erreichen. Deshalb eignet sich diese Methode vor allem, wenn im Gebäude Kaltwasser- oder Kondensatorwasserleitungen fehlen oder der Anschluss an die bestehende Kühlinfrastruktur unmöglich ist und es um kleinere flüssigkeitsgekühlte Serverinstallationen geht.

Bei CDUs, die die Wärme an das Wassersystem des Gebäudes übergeben, darf jedoch mit vergleichsweise geringen Investitionen gerechnet werden, da ein vorhandenes Wärme-Übergabesystem nutzbar ist. Außerdem bietet sie eine höhere Kapazität der Wärme-Übergabe, höhere Energie-Effizienz und einen geringeren Geräuschpegel im Vergleich zu F-L-CDUs.

Dennoch bringt auch diese Methode Nachteile mit sich. Zu nenen ist etwa der größere Installationsaufwand vor Ort im Vergleich zu F-L-CDUs, der durch den Anschluss der Racks an die Gebäudewassersysteme und der TKS-Leitungen entsteht. Daher eignet sich diese Methode in Umgebungen in denen Anschlüsse an den Wasserkreislauf oder „Abnahmestellen“ existieren und Energie-Effizienz mehr zählt als eine schnelle Installation.

Wer eine dedizierte Infrastruktur für die Wärme-Abgabe mit separatem Wassersystem aufbaut, gewinnt durch viele Stunden freier Kühlung an Effizienz. Dazu kommt, dass durch die Installation keine Einschränkungen das vorhandene Kühlsystem hemmen.

Es muss jedoch mit Planung und Aufbau eines zusätzlichen Rohrleitungssystems im Gebäude, zusätzlichen Investitionen und längerer Bereitstellungszeit durch den neuen Aufbau im Vergleich zu anderen Architekturen gerechnet werden. Wenn flüssigkeitsgekühlte Server in einem erheblichen Umfang vorhanden sind und hohe Energie-Effizienz Priorität hat, sollte über den Bau einer dedizierten Infrastruktur nachgedacht werden.

Auswahl der CDU-Kapazität und Bauform

Steht die Methode zur Wärme-Abgabe fest, lässt sich die CDU-Kapazität und Bauform bestimmen. Kapazität und Bauform einer CDU unterscheiden sich durch Montage-Optionen: Rackmount und bodenmontiert. Beide Bauweisen bringen wiederum Vor- und Nachteile mit sich und eignen für verschiedene Umgebungen.

Im Rack montierte CDUs sind eine einfache Lösung für konventionelle Datacenter mit wenigen flüssigkeitsgekühlten Racks. Ist die CDU im Rack montiert, verfügt sie in der Regel über eine Pumpeneinheit, eine Filteranlage und eine Steuerung.

Die Wärme wird entweder über einen Wärmetauscher an der Rückseite der Anlage an die Luft abgeben (F-L) oder über einen F-F-Wärmetauscher an den Gebäudekreislauf übertragen. Dadurch begrenzen sich potenziell auftretende Fehler bei diesen Aufbau auf ein einziges Rack. Außerdem ist so Redundanz für jedes Rack möglich.

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Dennoch gibt es auch bei dieser Variante Nachteile. Die Kosten pro Kilowatt (kW) IT-Last werden mit zunehmender Anzahl der Racks höher als bei bodenmontierten CDUs. Zusätzlich dazu ist die maximale Leistungsdichte im Rack auf etwa 40 kW bei F-L und 80 kW bei F-F begrenzt. Dementsprechend macht diese Bauform Sinn, wenn eine schnelle Bereitstellung Priorität hat und nicht mehr als zehn Racks flüssig gekühlt werden sollen.

Eine bodenmontierte Bauform wird für eine oder mehrere Rack-Reihen eingesetzt. Hierbei wird die CDU entweder am Ende der Reihe oder außerhalb des Serverraums installiert. Auch bei dieser Version wird die Wärme per Wärmetauscher an Luft oder oder Gebäudekreislauf abgegeben. Dieser Aufbau belegt keinen Platz im Rack und ermöglicht höhere Leitungsdichten als rack-montierte CDUs. Jedoch sind bei einem Ausfall alle Racks der Reihe betroffen.

Aufgrund dieser Eigenschaften eignet sich diese Bauform, wenn mehr als zehn flüssigkeitsgekühlte Racks vorhanden sind und im IT-Rack kein vertikaler Platz für die Installationen von rackmounted CDUs besteht.

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