'Mal unter uns: Wasserkühlung einfach erklärt Die Unterschiede zwischen Direct-to-Chip, einphasiger und zweiphasiger Kühlung

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Luftkühlung ist sowohl ineffizient als auch Energie-intensiv. Laut einer aktuellen McKinsey-Studie kann die Luftkühlung 40 Prozent des gesamten Energieverbrauchs im Rechenzentrum ausmachen. Es überrascht daher nicht, dass 40 Prozent der Betreiber von Rechenzentren nach umweltfreundlichen, kostengünstigen Optionen zur Kühlung suchen.

In der Welt der Rechenzentren ist die Wärme eine der größten Herausforderungen und gleichzeitig eine der größten Chancen. Wenn Serverkomponenten in Betrieb sind, wird die gesamte elektrische Energie, die sie verbrauchen, letztendlich in Wärme umgewandelt, die dann abgeführt werden muss. Traditionell haben sich Unternehmen auf die Luftkühlung verlassen, in der Regel mit Hilfe von Lüftern, die diese Wärme bewältigen und abtransportieren. Tatsächlich verwenden laut einer Analyse von McKinsey 80 Prozent der Rechenzentren immer noch hauptsächlich Luftkühlung, um die Wärme von Serverkomponenten abzuführen.

Wasserkühlung ist einer der Alternativen. Flüssigkeiten sind viel einfacher zu steuern als Luft. Das weiß jeder, der schon einmal mit einer Wasserpistole gespritzt hat oder von einer solchen bedroht wurde. Die Techniken zur Flüssigkeitskühlung sind jedoch im Wandel begriffen, vor allem, da die Serverlasten immer energieintensiver werden und folglich heißer laufen.

Was ist Direct-to-Chip-Kühlung?

Direct-to-Chip-Kühlung (DTC) ist die gängigste Form der Wasserkühlung und wird seit Jahrzehnten in Rechenzentren und im Gaming-Bereich verwendet. Auf den Prozessoren (CPU oder GPU) befindet sich eine Metallplatte mit einem leitenden Material zwischen den beiden - in der Regel ein Thermal Interface Material (TIM). Die Platte verwendet dann Flüssigkeit in Schläuchen, um die Wärme vom Chip wegzuleiten, und einen Ableitungsmechanismus, um die Wärme zu verteilen.

Dieser Ableitungsmechanismus kann beispielsweise ein einzelner Lüfter sein, obwohl man in industriellen Umgebungen eher Trockenkühler sieht, die mit Verdunstungskühlmechanismen ausgestattet sind. Trockenkühler sind Einheiten, die außerhalb des Rechenzentrums stehen. Sie verfügen über radiatorähnliche, gerippte Wärmetauscher, durch die die erwärmte Flüssigkeit zirkuliert. Ventilatoren an der Außenseite der Geräte saugen kühle Luft an und leiten sie um die Rippen herum, wodurch die Flüssigkeit gekühlt wird. Diese Flüssigkeit wird dann wieder in das System eingespeist und der Vorgang wiederholt sich.

In wärmeren Monaten oder an wärmeren Standorten wird neben Trockenkühlern auch Verdunstungskühlung eingesetzt. Heiße Luft wird durch feuchte Pads gesaugt, wobei Wasser verdampft und die Luft gekühlt wird. Diese Luft wird dann verwendet, um die Flüssigkeit aus dem Rechenzentrum durch die Trockenkühler zu kühlen.

30 zu 70

Diese Ableitungsmethoden können für die meisten Arten der Flüssigkeitskühlung verwendet werden. Die Trockenkühlung ist zielgerichteter als die Ventilatoren, vor allem weil sich Flüssigkeit in Rohren leichter auf bestimmte Komponenten lenken lässt als Luft.

Bei der Luftkühlung können Sie die Luftströme zwar über die Ausrichtung der Lüfter lenken, aber mit DTC können Sie sehr präzise arbeiten. Außerdem ist sie effizienter, denn Flüssigkeiten haben in der Regel eine höhere Wärmeleitfähigkeit als Gase.

Aber selbst mit einer Direct- to- Chip-Kühlung ist in der Regel eine gewisse Luftkühlung erforderlich. Es ist immer noch schwierig, mehrere Kühlplattenkonstruktionen so anzupassen, dass sie alle IT-Geräte, die Wärme erzeugen, aufnehmen können. GPUs und CPUs erzeugen den Großteil der Wärme in Servern, aber auch RAM und Festplatten werden heiß, so dass häufig eine Luftkühlung eingesetzt wird.

Das Verhältnis von Luft- zu Wasserkühlung liegt in der Regel zwischen 30 und 70 Prozent. Die Welt der Kühlung ist jedoch in ständiger Bewegung, und es gibt eine weitere Form der Kühlung, die alle Komponenten gleichzeitig kühlen kann.

Immersionskühlung, auch Tauchkühlung genannt

Bei der Immersionskühlung wird der gesamte Server in eine Flüssigkeit getaucht. Dies hat mehrere Vorteile: Alle Komponenten können auf einmal gekühlt werden, und es können höhere Wärmelasten bewältigt werden. Da der gesamte Server in Flüssigkeit eingetaucht ist, kann außerdem kein Staub in das System eindringen, was die Lebensdauer des Produkts erheblich verlängert. Allerdings ist die Tauchkühlung sehr viel komplexer als die DTC-Kühlung, und die Wartung ist ein aufwändigerer Prozess.

Es gibt zwei Formen der Tauchkühlung: einphasig und zweiphasig. Bei der Einphasenkühlung bleibt die Flüssigkeit während des gesamten Zyklus flüssig (d. h. sie behält ihre Phase konstant bei). Bei der Zweiphasenkühlung ist dies nicht der Fall.

Einphasige Tauchkühlung

Bei der einphasigen Eintauchkühlung tritt eine kühle Flüssigkeit unten in die Taucheinheit ein, um den Server zu kühlen, während die erwärmte Flüssigkeit oben austritt - und wie bei der DTC wird ein Trockenkühler verwendet, um diese Flüssigkeit zu kühlen, nachdem sie einen Plattenwärmetauscher passiert hat. Anschließend wird ein separates Kühlmittel in einem Kreislauf verwendet, um die Wärme abzuführen.

Zweiphasen-Tauchkühlung

Bei einem Zweiphasenkühlsystem sind die Server in eine Flüssigkeit eingetaucht, die jedoch einen niedrigen Siedepunkt hat. Wenn sich die Serverkomponenten erwärmen, erwärmt sich die Flüssigkeit und wandelt sich zu Dampf um. Der Dampf wird zu einer Kondensatoreinheit geleitet, wo er abgekühlt und wiederum zu einer Flüssigkeit kondensiert wird. Die Flüssigkeit kann dann in das System zurückfließen und wiederverwendet werden.

Allerdings sind die Kühlmittel in Zweiphasensystemen nicht nur teurer, sondern auch schwieriger zu warten, unter anderem weil die Flüssigkeit, die zu Dampf umgewandelt wird, viel schwieriger zu handhaben ist als die Flüssigkeit in einem Einphasensystem.

Dies ist eine große Herausforderung für Rechenzentren, insbesondere für solche, die schon eine Weile bestehen. Viele Rechenzentren befinden sich in Industriegebieten, weit entfernt von Gebieten, in denen die Wärme leicht wiederverwendet werden kann.

Wir alle kennen die Geschichten über Schwimmbäder, die mit der Wärme von Rechenzentren beheizt werden, aber das ist nicht immer praktisch. Das Wasser muss über Rohre zu anderen Orten transportiert werden, und dann werden Wärmetauscher verwendet, um das andere Wasser zu erwärmen. Eine Umwandlung führt immer zu Energieverlusten, da kein Energieaustauschprozess völlig effizient ist.

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Darüber hinaus stoßen einige Rechenzentren an Grenzen, die ihre Möglichkeiten zur Wiederverwendung von Abwärme einschränken. In einigen unserer Rechenzentren erreicht das erhitzte Wasser beispielsweise nur etwa 45 Grad; man kann also gefahrlos die Hand auf das „heiße“ Rohr legen. Das bedeutet aber auch, dass die entstehende Wärme weniger nützlich ist - es würde sehr lange dauern, ein Schwimmbad mit einer 45 Grad heißen Wärmequelle zu beheizen.

Es ist jedoch wichtig, weiter voranzukommen. Im deutschen Rechenzentrum von OVHcloud verwenden wir zum Beispiel keine Gaskessel, um unser Büro zu heizen, sondern nutzen die Abwärme des Rechenzentrums für die Heizung, weil es in der Nähe ist. Als Branche müssen wir diese Innovation weiter vorantreiben. Wenn neue Rechenzentren gebaut werden, sollten die Unternehmen von Anfang an die Wiederverwendung von Wärme in Betracht ziehen.

In den vergangenen zwei Jahrzehnten hat die Flüssigkeitskühlung erhebliche Fortschritte gemacht und ist nun in der Lage, sowohl im privaten als auch im industriellen Bereich immer höhere Strom- und Wärmebelastungen zu bewältigen. Obwohl wir uns noch in den Anfängen der Entwicklung der Immersionstechnologie befinden, ist sie sehr vielversprechend für Komponenten, die bei sehr hohen Temperaturen arbeiten.

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