Flüssigkühlung erklärt Eine Kühlmethode mit vielen Varianten

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Derzeit wird viel über Flüssigkühlung im Rechenzentrum geredet. Doch was ist damit eigentlich gemeint? DataCenter-Insider bietet eine kleine Artikelserie über die vielen Möglichkeiten, Wasser oder andere Flüssigkeiten zum Kühlen einzusetzen. Teil 1 befasst sich mit Kühlung on Chip, am Modul oder im Schrank.

Das Kühlen von Rechenzentren ist ein erheblicher Energieverbrauchsfaktor. Noch dazu hängt es von der Kühlmethode ab, ob die Abwärme nur schwer oder relativ unkompliziert für weitere Zwecke verwendet werden kann. Grundsätzlich gilt: Wasser oder auch spezielle Kühlflüssigkeiten als Kühlmedium kühlen um Dimensionen besser als Luft.

Zutacore, ein Anbieter von On-Chip-Cooling-Systemen gibt Kühlleistungen von 90 Watt pro Quadratzentimeter (W/cm²) für seine Technik an. Und je heißer die primäre Kühlflüssigkeit zum Wärmetauscher oder Sekundärnutzer vordringt, desto besser für die Nachnutzung.

Hohe Rechenleistungen verlangen Flüssigkühlung

Daher setzen sich Flüssigkeiten als primäres Kühlmedium immer dort auf Dauer durch, wo besonders hohe Rechenleistungen gefordert sind und also mehr Abwärme entsteht. Heute geht man davon aus, dass sich unter günstigen Umständen Lasten bis etwa 15 Kilowatt pro Quadratmeter (kW/m²) mit Luft kühlen lassen. Darüber hinaus wird es eng.

Doch welche Methoden gibt es dafür, flüssig zu kühlen? Fangen wir ganz nah am Chip an: On-Chip-Flüssigkühlung ist eines der Verfahren, an denen unter anderem das OCP (Open Compute Project) arbeitet. Die Lösungen, die hier entstehen, sind für vor allem für OCP-konforme Racks gedacht.

Rittal und Zutacore: OCP-konforme Flüssigkühlung für CPUs und GPUs

So stellten Rittal und Zutacore gemeinsam auf dem „OCP Summit 2021“ folgende Lösung vor: Das flüssige Kältemittel „3M Novec TM 7000 Engineered Fluid“ fließt bei Zutacores „Hypercool“ durch speziell entwickelte Cold Plates („Enhanced Nucleation Evaporator“) direkt auf den Microchips (CPU, GPU). Die Flüssigkeit nimmt die Prozessorwärme auf, und verdampft.

Im Wärmetauscher in der Tür wird das Kältemittel wieder verflüssigt. Eine oder mehrere Pumpen halten den Versorgungsdruck aufrecht, um alle Kühlkörper mit Kältemittel zu versorgen. Auf dem OCP Summit 2022 stelte Zutacore mit dem innovativen Serverhersteller ASRock Rack eine weitere Lösung vor.

Die mit Hypercool ausgerüsteten Systeme lassen sich in allen Klimata einsetzen und brauchen keine Klimatisierung. Der Kühlchip tritt automatisch durch die Temperatur des darunterliegenden Prozessors in Aktion.

Laut Zutacore lassen sich damit die Prozessordichten pro Rack verdreifachen und Infrastrukturkosten um 60 Prozent senken, die Stromkosten um 20 Prozent und der Kühlenergieverbrauch um 80 Prozent - das alles ohne Leistungsverlust. Die Lösung eignet sich zur Nachrüstung aller Datacenter-Typen.

So genannte Cool Plates gibt es auch von einer ganzen Reihe anderer Hersteller. Allerdings handelt es sich hier in der Regel um Individualprodukte, während die OCP eine Standardisierung beispielsweise bei verwendeten Materialien, bei Anschlussdimensionen und -technologien vorantreibt. Beispiele für Hersteller, die Cool Plates offerieren, sind CPC Thermal, Q ATS, Optimus, Koolance und Boyd.

On-Chip-Flüssigkühlung plus luftgekühlte Kühltür

QCT allerdings stellte auf der OCP-Veranstaltung 2022 eine Lösung für 19-Zoll-Racks vor. Sie bietet in einem geschlossenen System On-Chip-Wasserkühlung. Luft dient als zweiter Kühlkreis. Auch dieser Kühlkreis befindet sich im Rack, nämlich in der Rücktür. Die Lösung eignet sich für Intel-Scalable-Server der vierten Generation.

Unten im Rack steckt eine vier Höheneinheiten große Kühlverteileinheit. Die Steuertechnik und die Stromversorgung sind oben untergebracht, wohl, weil Wasser nach unten fließt. Schläuche verbinden die On-Chip-Kühlmodule der Server mit dem Kühlsystem und transportieren das erwärmte Wasser wieder ab zur Tür, wo die Wärme durch energiesparende Hochleistungs-Lüfter mit großem Durchmesser abfließt. Die Lüfter lassen sich gruppenweise an- und abschalten.

Flüssigkühlung dreidimensionaler Chips

Für dreidimensionale Chips ist auch die In-Chip-Kühlung mit einem Kühlmedium im Gespräch. Entsprechende Versuche wurden in 2010er Jahrzehnt im Projekt „CMOSAIC“ an der Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) durchgeführt.

Unter anderem war IBM daran interessiert, entsprechende 3D-Chipdesigns zu bauen. 2017 stellte das Unternehmen „Icecool“ als In-Chip-Kühllösung für 3D-Chips vor.

Wasserkühlung der Serverplatine

Doch es lässt sich auch die gesamte Serverplatine in Kühlflüssigkeit einhüllen. Eine entsprechende Lösung bietet bereits seit einigen Jahren die Thomas-Krenn AG an. Seit 2020 gibt es diese Server bei dem Anbieter als Standardprodukt. Das Kühlmedium ist hier Wasser.

Der 2U-Server ist eine Variante des Dual-CPU-Systems „RI2208-LCS“. Basis ist dabei ein auf zwei „Intel Xeon Cascade Lake“ aufbauendes Supermicro-Mainboard mit bis zu 1 Terabyte (TByte) Memory. Die Wassereintrittstemperatur darf bis zu 53 Grad betragen. Lokale Abwärmenutzung gehört zum Konzept. Die Lösung hat einen Blauen Engel für Server erhalten.

Bei der Implementierung seiner wassergekühlten Serverlösung arbeitet Thomas Krenn mit Cloud&Heat zusammen. Der Anbieter hat ein wassergekühltes Mikrorechenzentrum entwickelt, das auf Nachnutzung der Abwärme hin, zum Beispiel als Heizmedium für Bürogebäude, konzipiert ist. Wegen der Skepsis gegenüber Wasserkühlung in der Datacenter-Branche verläuft die Durchsetzung der Technologie allerdings erheblich langsamer als erhofft.

Die Racks von Cloud&Heat enthalten sämtliche für Abtransport und Nachnutzung der Abwärme nötigen Aggregate: Hydraulik zur Kühlmittelverteilung, Wärme-Überträger,Steuerungs- und Überwachungstechnik, sowie Netzwerktechnik und Stromverteilung.

Wasserkühlung in der Rücktür

Wärme lässt sich im Rack auch im Sekundärkreis in Form einer flüssig gekühlten Kühltür beseitigen, die sich meist auf der Rückseite des Racks befindet. Sie enthält Kühlregister, durch die die erwärmte Abluft der Server geblasen wird.

Diese Kühlmethode ist nicht so leistungsfähig wie die Flüssigkühlung direkt am Chip, kann aber durchaus hohe Wärmelasten stemmen, ohne deswegen das gesamte Rechenzentrum auf Wasserkühlung umstellen zu müssen. Vielmehr lässt sich für jedes Rack entscheiden, ob es so dicht ist, dass man Flüssigkühlung braucht oder nicht.

Racks mit wassergekühlten Rücktüren gibt es von verschiedenen Anbietern, beispielsweise von Lehmann IT (EVO- Serie) oder von Kaltra (In-Rack CW) für Leistungen zwischen 30 und 40 kW/Rack. Die Kühltür enthält dabei Kälteregister. Ein weiteres derartiges Angebot sind die heute bei Vertiv erhältlichen „Knürr Cooltherm“-Racks. Der Anbieter zielt dabei auf Rackleistungen bis 35 kW. Die Lösung ist für Blade-Server optimiert.

Im Teil 2 geht es mit Flüssigkühlsystemen für ganze Rack-Reihen oder Rechnerräume weiter.

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