Mikrokanäle und mikrokonvektive Kühlung erweitern das bekannte Angebot Der Markt für Flüssigkeitskühlung in Rechenzentren wächst und wächst

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KI- und Hochleistungsrechnen bei immer dichter bestückten Racks mit einer Leistung von über 30 bis 50 Kilowatt (kW) macht herkömmliche Kühlung ineffizient. Direct-to-Chip- (DTC) sowie Immersion und Kühlplatten sind erforderlich. Steigt der weltweite Energiebedarf von Rechenzentren bis 2030 auf 8 Prozent des weltweiten Verbrauchs, so die Analysten von Markets und Markets, gewinnt jede Effizienzsteigerung mit einem potenziellen Vorteil von 30 bis 50 Prozent noch an Bedeutung.

Bei der Flüssigkeitskühlung in Rechenzentren wird anstelle von Luft eine Flüssigkeit wie Wasser oder ein Kältemittel verwendet, um die Server im Rechenzentrum zu kühlen. Dadurch kann die Kältemittellösung näher an der Wärmequelle eingesetzt werden, was zu einem geringeren Energieverbrauch der Lüfter und niedrigeren Betriebskosten führt.

Grundsätzliches

Die Flüssigkeitskühlung kann Probleme bei der Kühlung von Servern mit hoher Dichte lösen, da die Flüssigkeit mehr als 3.000 Mal so viel Wärme leitet wie Luft und weniger Energie benötigt, was eine höhere Dichte im Rechenzentrum ermöglicht. Sie wird in Rechenzentren entweder durch Wärme-Übertragung von der Quelle mittels induktiver Methoden, zum Beispiel Kühlplatten (cold plates) oder durch Immersionskühlung realisiert, bei der die Wärmeübertragung an der Oberfläche der elektronischen Komponenten stattfindet.

Fortschrittliche Technologien wie Künstliche Intelligenz (KI), das Internet der Dinge (IoT) und Maschinelles Lernen (ML) erfordern für eine optimale Leistung eine hohe Rechenleistung. Eine steigende Rechenleistung erhöht die Rack-Dichte im Rechenzentrum und führt zu einer erhöhten Wärme-Entwicklung. Flüssigkeitskühlungslösungen für Rechenzentren tragen dazu bei, ideale Temperaturen aufrechtzuerhalten und die von den Geräten erzeugte große Wärmemenge effektiv abzuführen.

Nach Angaben von Cloud Scene vom März 2024 sind die 15 Länder mit der höchsten Anzahl an Rechenzentren die USA mit 5.387 Rechenzentren, Deutschland mit 522, das Vereinigte Königreich mit 517, China mit 449 und Kanada mit 336. Zu den weiteren nennenswerten Ländern zählen Frankreich (mit 315), Australien (mit 306) und die Niederlande (mit 300 Rechenzentren).

Russland und Japan folgen mit 255 beziehungsweise 219 Rechenzentren. Italien, Mexiko, Brasilien, Indien und Polen vervollständigen die Liste, wobei Indien 152 Rechenzentren in und um Mumbai beherbergt. Diese Verteilung unterstreicht den weltweiten Bedarf an fortschrittlichen Kühltechnologien zur Unterstützung der wachsenden Infrastruktur.

KI-, ML- und Blockchain eröffnen Marktteilnehmern lukrative Chancen

Die Analysten von Markets and Markets haben den weltweite Markt für Flüssigkeitskühlung in Rechenzentren im Jahr 2025 auf 2.843,6 Millionen Dollar geschätzt. Bis 2032 soll er bei einer durchschnittlichen jährlichen Wachstumsrate (CAGR) von 33,2 Prozent zwischen 2025 und 2032 einen Wert von 21.147,0 Millionen Dollar erreichen.

Das Wachstum des globalen Marktes für Flüssigkeitskühlung in Rechenzentren wird durch die steigende Anzahl von Rechenzentren und die zunehmende Serverdichte, den wachsenden Bedarf an Energie-effizienten, kompakten, geräuschlosen und umweltfreundlichen Kühllösungen sowie deren besseres Übertaktungspotenzial angetrieben. Die Analysten gehen davon aus, dass insbesondere das Aufkommen von KI und Blockchain sowie die Kühlungsanforderungen in Rechenzentren mit geringer Dichte den Marktteilnehmern lukrative Chancen bieten können.

Die Einschränkung: Die mangelnde Standardisierung bei der Konzeption und die hohen Investitionskosten für Nachrüstungen stellen jedoch Herausforderungen für das Marktwachstum dar.

Die Marktentwicklung

Nach Evaluation der Analysten arbeiten viele Rechenzentren der aktuellen Generation mit einer Leistungsdichte von 5 kW/Rack. Um 200 Racks unterzubringen, ist hierfür eine 1,0-MW-Rechenzentrumshalle erforderlich, die über 150 Quadratmeter Technikfläche einnimmt.

Im Gegensatz dazu sind bei einer Leistungsdichte von 60 kW/Rack nur 17 Racks erforderlich, die lediglich 12 Quadratmeter Technikfläche beanspruchen, um eine hohe Lastdichte zu bewältigen und riesige Datenmengen zu verarbeiten. Dies erhöht die von den Rechenzentren erzeugte Wärmebelastung und -dichte (Quelle: Webinar – „Data Centers that do not Cost the Earth“ von Iceotope, Juni 2021). Flüssigkeitskühlungslösungen können solche Server-Racks mit hoher Dichte kostengünstig kühlen und bieten einen ungefährlichen und umweltfreundlichen Ansatz für die Kühlung von Rechenzentren.

Mehrere Energieverbrauchsmodelle sagen laut Markets and Markets voraus, dass der Energieverbrauch von Rechenzentren bis 2030 gar die 80 Prozent übersteigt und über 10 Prozent der weltweiten Stromversorgung ausmachen könnte. Mit einem Anteil von etwa 40 Prozent macht der Energieverbrauch für die Kühlung einen erheblichen Teil des Gesamtenergieverbrauchs von Rechenzentren aus.

In einer von Iceotope Technologies im Jahr 2021 durchgeführten Studie ergab sich eine Reduzierung der CO2-Emissionen pro kW Leistung von IT-Geräten (kg CO2/kW pro Jahr) um 39,5 %. Immersionskühlungslösungen verwenden speziell entwickelte, ungiftige, nicht brennbare und dielektrische Flüssigkeiten. Dies führt zu einer erheblichen Nachfrage nach Flüssigkeitskühlungslösungen bei Rechenzentrumsbetreibern weltweit.

Lärmemissionen und Energie-Effizienz

Letztlich erhöhen sich die Gesamtbetriebskosten (TCO) von Rechenzentren und die Umweltbelastung steigt. Daher legen Betreiber von Rechenzentren zunehmend Wert auf Energie-Einsparungen und setzen umweltfreundliche Lösungen ein. Dazu zählt auch die Reduktion von Lärm.

Verschiedene große und kleine Server in Rechenzentren mit Hochgeschwindigkeitslüftern, Switches, Routern und Kühlanlagen erzeugen ein ständiges Brummen. Dies führt zu erheblichen Lärmbelästigungen, die manchmal über 80 dBA (Dezibel mit A-Bewertung (englisch: A-weighted decibel, die Maßeinheit für den Schallpegel, der an das menschliche Gehör angepasst ist) liegen.

Die Hauptlärmquellen aber sind Kühlanlagen, bestehend aus Lüftern, Verdampfern und Kompressoren, die etwa 70 dBA beitragen. Flüssigkeitskühlung ist dagegen nahezu geräuschlos.

Die zunehmende Verbreitung luftfreier Kühltechnologien und die verbesserte Flexibilität von IT-Geräten, bei höheren Temperaturen zu arbeiten, führen zu einer Energie-Effizienz (PUES) von bis zu 39,5 Prozent pro kW IT-Leistung (Quelle: „Data centers that cost the earth“, Webinar von Iceotope Technologies Ltd., 2021). Die Analysten erwarten, dass Flüssigkeits- und Immersionskühlung eine weitere Senkung der PUE auf unter 1,05 bewirken- Das würde sich auch positiv auf die Betriebskosten, den CO₂-Fußabdruck und den Wasserbedarf von Rechenzentren auswirken.

Die Marktchancen

Da in Rechenzentren in der Regel alle zwei bis drei Jahre Server ausgetauscht werden müssen, bietet sich für Anbieter von Flüssigkeitskühlungs eine große Chance, von diesem Markt zu profitieren. Außerdem erfordert die Einführung von Flüssigkeitskühlung in Rechenzentren m Vergleich zu herkömmlichen Luftkühlungsmethoden erhebliche finanzielle Investitionen. Zum Beispiel muss das System muss aus speziellen Materialien wie Bronze, Kupfernickel oder Titan bestehen, was die Gesamtkosten erhöht.

Außerdem kann es durch unsachgemäße Wartung der Kühlflüssigkeit zu einer übermäßigen Ansammlung von Ablagerungen, Verunreinigungen und biologischem Bewuchs in der Flüssigkeit kommen. Somit sind Infrastrukturmaßnahmen zur Überwachung und Alarmierung bei Durchflussdruck und Leckageerkennung notwendig, was die Investitionskosten steigen lässt.

Doch entwickelt sich die Flüssigkeitskühlung durch neue Technologien, Methoden und Systeme rasant weiter. Das macht es für die Akteure der Branche schwierig, mit den Normen Schritt zu halten, sofern es solche überhaupt gibt. Die Analysten von Markets and Markets gehen jedenfalls davon aus, dass das Fehlen von Vorschriften und Branchenstandards für die Flüssigkeitskühlung die breite Einführung zumindest verlangsamt, da inkompatible, proprietäre Systeme immer ein Markthindernis darstellen. So folgern: Es wäre notwendig, Spezifikationen und Standards zu schaffen.

In ihrer Studie zählen die Analysten folgende Martteilnehmer explizit auf und analysieren sie: Rittal GmbH & Co. KG (Deutschland), Vertiv Group Corp (USA), Green Revolution Cooling Inc. (USA), Submer (Spanien), Schneider Electric (Frankreich), Liquid Stack Holding B.V. (USA), Iceotope Precision Liquid Cooling (Großbritannien), Coolit Systems (Kanada), Baltimore Air Coil Company Inc. (USA), DCX Liquid Cooling Systems (Polen), Delta Power Solutions (Taiwan), Wiwynn Corporation (Taiwan), Liquid Cool Solutions, Inc. (USA), Midas Immersion Cooling (USA), BOYD (USA), Kaori Heat Treatment Co., Ltd. (Taiwan), Chill dyne, Inc. (USA), Modine Manufacturing Company (USA), Asperitas (Niederlande), Zutacore, Inc. (USA), Flex Ltd. (USA) und Stulz GmbH (Deutschland) gehören ihren Angaben zufolge zu den wichtigsten Akteuren, die den Markt durch ihre innovativen Angebote, erweiterten Produktionskapazitäten und effizienten Vertriebskanäle anführen.

Die Immersionskühlung

Immersionskühlungslösungen finden zunehmend Anwendung im Bereich des Cryptocurrency-Mining. Zu den Faktoren, die hier Spezifikationen und Entwicklung fördern gehört der Wunsch der User, ungiftige, weniger korrosive dielektrischer Flüssigkeiten einzusetzen.

Rohstofflieferanten wie Shell Plc, Chemours und Graf Tech liefern dielektrische Flüssigkeiten, Wärmeleitmaterialien und Wärmetauscher. Anbieter wie Liquid Cool Solutions, Engineered Fluids und Asperitas entwickeln einphasige und zweiphasige Flüssigkeitskühlsysteme. Nachgefragt werden diese zunehmend von Hyperscale-Anbietern, Co-Location-Anbietern aber auch Enterprise-Kunden, so die Markets and Markets-Analysen.

Verantwortlich dafür sind:

• die Nachfrage nach Hochleistungsrechnen (HPC): Die steigende Nachfrage nach HPC- und KI-Workloads, die erhebliche Wärme erzeugen, hat die Einführung von Flüssigkeitskühlung vorangetrieben. So hat beispielsweise Cool IT Systems in Zusammenarbeit mit Nvidia Flüssigkeitskühlungslösungen in HPC-Rechenzentren implementiert, um Leistung und Effizienz zu steigern.

• das Wachstum im Bereich Edge-Computing: Die zunehmende Verbreitung von Edge-Computing erfordert lokale Rechenzentren mit effizienter Kühlung. Im Jahr 2022 brachte Submer seinen „Smartpod XL“ auf den Markt, ein speziell für Edge-Rechenzentren entwickeltes Immersionskühlsystem.

• diverse Nachhaltigkeitsinitiativen: Im Jahr 2023 weitete etwa Microsoft den Einsatz von Immersionskühlung in seinen Rechenzentren aus, als Teil seines umfassenderen Engagements für CO₂-Neutralität bis 2030.

Mikrokanäle im Rechenzentrum

Die Flüssigkeitskühlung mit Mikrokanälen ist eine fortschrittliche Technologie zur direkten Chipkühlung, bei der kleine parallele Kanäle genutzt werden, um Wärme effizient von leistungsstarken elektronischen Bauteilen wie CPUs und GPUs abzuleiten. Mikrokanal-Kühlplatten, bei denen es sich um versiegelte Metallplatten handelt, verteilen die erzeugte Wärme auf kleine interne Flüssigkeitskanäle, wo sie durch ein strömendes Kühlmittel abgeführt wird.

Dies sorgt für eine große Kühlfläche und einen engen Kontakt zwischen dem Kühlmittel und der erwärmten Oberfläche. Die schmalen Kanalbreiten, typischerweise 50 bis 500 Mikrometer, werden durch photochemisches Ätzen oder Mikrobearbeitung hergestellt, was zu kompakten und leichten Kühlkörpern führt.

Diese Technologie kann eine hohe Wärme-Abfuhr von über 1 kW/cm² erreichen, indem sie dem Kühlmittel entlang der Kanäle eine Phasenänderung (Sieden) ermöglicht, wodurch die Kühlmitteldurchflussrate und der Kühlmittelbedarf im Vergleich zur Einphasenkühlung deutlich reduziert werden.

Vor- und Nachteile der Mikrokanäle

Dank der verbesserten Wärmeübertragung weisen Mikrokanal-Kühlplatten einen extrem niedrigen Wärmewiderstand von bis zu 0,02 Grad·cm²/W auf und können individuell an spezifische Leistungs- und Platzanforderungen angepasst werden. Die Mikrokanalkühlung erfordert jedoch hochpräzise Simulationswerkzeuge, um die komplexen Phänomene der Zweiphasenströmung und Wärmeübertragung in den kleinen Kanälen zu erfassen, da Instabilitäten wie Druckschwankungen und ein vorzeitiger kritischer Wärmefluss die Leistung beeinträchtigen können.

Micros Technologies, 2024 von Jabil übernommen, beispielsweise bietet fortschrittliche Mikrokanal-Kühlplatten an, die die Grenzen der Kühlung mit hohem Wärmefluss für Rechenzentren und Hochleistungsrechner erweitern. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Mikrokanal-Flüssigkeitskühlung eine hochwirksame Technologie zur Kühlung der dichtesten Rechenlasten ist und eine sorgfältige Konstruktion und Modellierung erfordert, um die Herausforderungen der Zweiphasenströmung in mikroskaligen Kanälen zu bewältigen.

Die mikrokonvektive Kühlung

Die mikrokonvektive Flüssigkeitskühlung gehört zu den Direct-to-Chip-Technologien. Hier werden bei konzentrierte Anordnungen kleine Flüssigkeitsstrahlen eingesetzt, um das Kühlmittel direkt an die Oberfläche von Wärme erzeugenden CPUs und GPUs zu leiten. Dieses Verfahren erzeugt eine hocheffiziente turbulente Strömung. Ermöglicht wird eine senkrechte Strömung auf der Geräte-Oberfläche, wodurch der Wärme-Übergangskoeffizient im Vergleich zu typischen Parallel-Strömungskonfigurationen in Mikrokanallösungen deutlich erhöht wird.

Die mikrokonvektive Kühlung bewältigt hohe Wärmeflüsse effizient durch minimierten Wärmewiderstand, indem sie den direkten Kontakt des Kühlmittels mit der Geräte-Oberfläche ermöglicht und den Einsatz von Wärmeleitmaterialien erübrigt. Sie ist für die Prozessoren mit der höchsten TDP auf dem Markt geeignet und ermöglicht es Integratoren von Rechenzentren, ihre Systeme zukunftssicher zu gestalten.

Die in ein Flüssigkeitskühlplatten-Design integrierte Mikrokonvektionskühlung schließt die Lücke zwischen Luft- und Flüssigkeitskühlung mit einer flüssigkeitsunterstützten Luftkühlung mit der Bezeichnung „Smart Plate System“ und bietet die Vorteile der Flüssigkeitskühlung ohne die Komplexität oder die Kosten herkömmlicher Umstellungen auf Flüssigkeitskühlung. So kann die mikrokonvektive Kühlung für anspruchsvollere Anforderungen eingesetzt werden, wie beispielsweise bei „Smart Lid“, einer Flüssigkeits-zu-Chip-Lösung, die vollständig auf Wärmeleitpasten und Thermal Interface Material (TIMs) verzichtet.

*Über Markets and Markets: Das Analystenhaus und die Managementberatung, mit einem 1.500-köpfigen Team, wurde vom US-Medium „Forbes“ kürzlich als eines der besten Management-Beratungsunternehmen Amerikas ausgezeichnet. Das 2009 gegründete Unternehmen konzentriert sich nach eigenen Angaben auf bisher unerschlossene Geschäftspotenziale in disruptiven Trends. Bislang hat es mit über 10.000 Firmen zusammengearbeitet und einen Umsatz von über 140 Milliarden Dollar erzielt.

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