Von der Kapazitätsplanung bis zur Rechenzentrumssteuerung Digitale Zwillinge helfen bei der Datacenter-Ausstattung mit Flüssigkühlung

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Flüssigkeitskühlung im Rechenzentrum, einst mehr Aufwand als Nutzen, ist inzwischen anerkannt und entwickelt sich schnell. Aber die Implementierung gilt als komplex, insbesondere in älteren Anlagen. Ist das Datacenter dazu bereit? Ein digitaler Zwilling könnte helfen.

Eigentlich ist Cadence Design Systems, Inc. nicht auf Rechenzentrumsdesign oder Cooling-Systeme für Datacenter spezialisiert. Das Unternehmen mit Sitz im kalifornischen San José ist seit etwa 30 Jahren im Bereich des Designs elektronischer Systeme beziehungsweise der dafür notwendigen Software unterwegs.

Zu den Kunden zählen Unternehmen, die von Chips bis zu Systemen liefern, von Chemikalien bis zu Medikamenten und von Spezifikationen bis zur Fertigung für die dynamischsten Marktanwendungen, darunter Hyperscale-Computing, 5G-Kommunikation, Automobilindustrie, Mobilfunk, Luft- und Raumfahrt, Konsumgüter, Industrie und Biowissenschaften.

So gab das Unternehmen im September dieses Jahres bekannt, dass zusammen mit der Taiwan Semiconductor Manufacturing Company Fortschritte in den Bereichen Chipdesign-Automatisierung und IP gemacht werden konnten. Es geht um die Designinfrastruktur und die Beschleunigung der Markteinführung für KI- und HPC-Kundenanwendungen, von KI-gesteuerter Electronic Design Automation (EDA) über 3D-ICs bis hin zu IP und Photonik, also: fortschrittlichste Halbleiter.

Cadence und TSMC haben gemeinsam an der Design-Infrastruktur für fortschrittliche Prozessknoten gearbeitet, darunter „TSMC N3“, „N2“ und „A16“, unter Verwendung diverser Cadence-Produkte. Der Erfolg: Die Cadence-KI-Design-Flows für Chips und 3D-ICs sind nun für die genannten Prozesstechnologien sowie für neue Funktionen in TSMC 3DFabric verfügbar.

Darüber hinaus arbeiten die Partnerunternehmen an der Entwicklung eines EDA-Flows für den A14-Prozess von TSMC, dessen erstes Process Design Kit noch in diesem Jahr veröffentlicht werden soll. Darüber hinaus sind mehrere neue Cadence-IPs nun siliziumerprobt und für TSMC N3P verfügbar.

Doch zurück zum Rechenzentrum: Ebenfalls im September konnte Cadence seine „Reality Digital Twin“-Platform-Bibliothek mit einem digitalen Zwilling des „Nvidia DGX Superpod“ mit „DGX GB200“-Systemen bekannt geben. Damit sei diese Cadence-Software die erste und einzige, mit der Anwender KI-Fabriken und Rechenzentren mit hoher Genauigkeit gemäß einer festgelegten Service-Level-Vereinbarung modellieren können – unter genauer Berücksichtigung von Einschränkungen wie Kosten, Platz, Energie, Kühlung und Umweltauswirkungen.

Cadence für Rechenzentren

Generell erfordere das Design von Rechenzentren ein sorgfältiges Gleichgewicht zwischen der gemeinsamen Entwicklung von Hardware und Software, Innovationen im Chipdesign und Systemanalysen, um den ständig steigenden Anforderungen an Energie-Effizienz, Kapazitätsauslastung, Skalierbarkeit, Compliance und Leistung gerecht zu werden. Dabei stünden Chip, numerische Strömungsmechanik und Systemdesign an der Spitze dieser Entwicklung.

Die Digital-Twin-Software von Cadence nutzt KI, Hochleistungsrechner und physikalisch basierte Simulationen, um Betreibern von Rechenzentren die Visualisierung des gesamten Rechenzentrums zu ermöglichen und so die Kapazität, Energie-Effizienz und Compliance zu verbessern. Dazu kommen umfassenden 3D-IC-Montagewerkzeuge.

Dabei adressiert der Hersteller möglichst viele der Herausforderungen, denen verschiedene Arten von Rechenzentren gegenüberstehen, je nach Größe, Zweck und technischer Infrastruktur, sei es ein Edge-, Unternehmens-, ein Co-Location-, oder ein Hyperscale-Rechenzentrum.

Ein Blick ins Thésée-Rechenzentrum

Das Thésée-Rechenzentrum liegt etwas außerhalb von Paris und ist eine Co-Location-Einrichtung. Kunden ist etwa France Télévisions. Das Datacenter ist vom Uptime Institute nach Tier IV zertifiziert.

Das Projekt, das insbesondere die ökologischen Auswirkungen berücksichtigen sollte, hat von Anfang an auf die Cadence Reality Digital Twin Platform gesetzt. Bei der Inbetriebnahme der Anlage im Jahr 2021 konnte der digitale Zwilling dann in den Betrieb integriert werden, so dass er heute eine Werkzeug für die IT- und Facility-Teams vor Ort ist. Das System ist in das Gebäude-Managementsystem und die Kapazitätsplanungs-Tools integriert und ermöglicht so eine einheitliche Plattform für die Verwaltung der gesamten Anlage.

Die Flüssigkühlung

Cadence identifiziert drei Hauptkategorien der Flüssigkühlung:

• Direkte Flüssigkeitskühlung – Kühltechnologien, bei der Serverkomponenten mit Flüssigkeit in Kontakt gebracht werden, um Wärme abzuleiten.

• Luftunterstützte Flüssigkeitskühlung/hybride Flüssigkeitskühlung – Kühltechnologien, bei der eine Kombination aus Luft und Flüssigkeit verwendet wird, um Wärme abzuleiten.

• Immersionskühlung – Kühltechnologie, bei der Serverkomponenten in Flüssigkeit getaucht oder mit solcher besprüht werden, um Wärme abzuleiten.

Die Techniken können mit einphasigen oder zweiphasigen Flüssigkeiten umgesetzt werden. Einphasige Flüssigkeiten bleiben während des gesamten Prozesses flüssig, während zweiphasige Flüssigkeiten während des Kühlprozesses gasförmig werden. Einphasige Flüssigkeiten werden häufiger verwendet, da die Umsetzung mit zweiphasigen Flüssigkeiten komplexer sein kann. Angesichts des Effizienzpotenzials zweiphasiger Flüssigkeiten gibt es jedoch zunehmend Forschungsarbeiten zu diesem Thema, die eine reibungslosere Umsetzung und eine breitere Anwendung in der Zukunft erwarten lassen.

'Mal unter uns: Wasserkühlung einfach erklärt

Die Unterschiede zwischen Direct-to-Chip, einphasiger und zweiphasiger Kühlung

Der Hauptgrund für die Einführung einer Flüssigkeitskühlung im Rechenzentrum ist eine steigende Leistungsdichte und Wärme-Entwicklung. Hochdichte Designs, zunehmend rechenintensive Workloads und Server-Rack-Dichten nehmen langsam, aber stetig zu. Luftkühlung reicht aus, um die von Servern mit einer Dichte von weniger als 20 kW abgegebene Wärme aufzunehmen.

Wenn die Rack-Dichte jedoch 20 bis 25 kW überschreitet, hat sich eine direkte Flüssigkeitskühlung in Kombination mit einer präzisen Luftkühlung als wirtschaftlicher und effizienter erwiesen. Um die kontinuierlich steigende Wärme-Entwicklung zu bewältigen und dabei möglicherweise Energie und Kosten zu sparen, könnte die Flüssigkeitskühlung für viele, die mit Designs mit hoher oder gemischter Dichte konfrontiert sind, die Lösung sein.

Flüssigkeitskühlung im Rechenzentrum im virtuellen Model geplant und getestet

Das kennt der Rechenzenrumsplaner: Die numerische Strömungsmechanik (CFD), eine Wissenschaft, die mithilfe von Computern quantitative Vorhersagen zu Strömungsphänomenen auf der Grundlage der Erhaltungssätze (Erhaltung von Masse, Impuls und Energie) erstellt, die die Bewegung von Flüssigkeiten regeln.

Die Flüssigkeitskühlung ist aber so komplex, dass ein einziges 3D-Modell zu rechenintensiv sein könnte. Die Cadence-Software verbindet das 3D-Modell mit einem 1D-Netzwerk, was zu schnelleren Lösungszeiten und einer einfacherenn thermischen Analysen führen soll. Durch die Verbindung dieser beiden Elemente reduziert sie Software nämlich die Anzahl der Gitterzellen.

Von einem Modell in das nächste

Die Cadence-Rechenzentrumssoftware kann auch den Wärme-Aufnahmegrad bestimmen. Um die Wärme-Aufnahmerate oder das Verhältnis der von der Flüssigkeit aufgenommenen Wärme zur Gesamtwärme zu ermitteln, verwendet die Software etwa den statischen Druckabfall und die Wärmewiderstandskurven der Kühlplatten, die aus ihrem detaillierten CAD-Modell abgerufen werden können.

Nach Abschluss der IT-Level-Analyse lässt sich das IT-Modell im Rack-Level-Modell verwenden. Und das Rack-Level-Modell kann wiederum im digitalen Zwillingsmodell eingesetzt werden werden, um die Lösung zu vervollständigen. Der Softwarehersteller verspricht, dass sich Fragen beantworten lassen wie: Ist das Rechenzentrum in der Lage, eine Vielzahl von Wärme-Abfuhrsystemen zu verarbeiten?Wie würde die Implementierung einer Flüssigkeitskühlung im Rechenzentrum aussehen?

Dazu stellt der Softwarelieferant allerdings nicht nur ein Tool zur Verfügung: Interessenten müssen sich auf der Website schlau machen.

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