Nachfrage nach Wärme-Manage­ment für Datacenter und die Flüssigkühlung IDtechex vergleicht Kühlmethoden und -flüssigkeiten

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Angesichts der steigenden Nachfrage nach Hochleistungsservern in Rechenzentren hat sich das Forschungs- und Beratungsunternehmen IDtechex die Herausforderungen im Wärme-Management von Rechenzentren angesehen und enorme Chancen für flüssig gekühlte Server und deren Kühltechniken entdeckt.

Die Kühlmethoden für Rechenzentren lassen sich grob in Luft- und Flüssigkeitskühlung unterteilen, je nach dem verwendeten Kühlmedium. Die Luftkühlung basiert auf Klima-Anlagen und/oder Lüftern, die Luft einblasen und die Konvektion nutzen, um die Wärme von den Servern abzuleiten.

Sie hat sich aufgrund ihrer langen und erfolgreichen Erfolgsgeschichte weitgehend durchgesetzt. Die niedrige spezifische Wärme der Luft macht es jedoch schwierig, die steigenden Anforderungen an die Kühlkapazität zu erfüllen. Da die Benutzer von Rechenzentren außerdem bestrebt sind, den Platz im Rack durch eine dichte Anordnung der Server (in der Regel 1U-Server) zu maximieren, werden die Luftzwischenräume zwischen den Servern immer enger, was die Effizienz der Luftkühlung weiter verringert.

Dazu ein Beispiel: Wie aus dem Finanzbericht von Nvidia für das zweite Quartal hervorgeht, erreichte der Umsatz des Unternehmens im Bereich Rechenzentren im zweiten Quartal einen Rekordwert von 10,32 Milliarden Dollar, was einem Anstieg von 141 Prozent gegenüber dem vorangegangenen Quartal und 171 Prozent gegenüber dem Vorjahr entspricht. Verbaut werden Nvidia-GPUs in Hochleistungsservern, wie sie für virtualisierte Lasten, KI-Rechnereien und HPC-Anwendungen gebraucht werden. Nvidia selber stellt (Referenz-)Hardware - Server, Pods und Cluster - bereit, mitsamt schneller und schnellster Connectivity-Technik. Das alles benötigt Strom, sehr viel Strom.

Die thermischen Grenzen rücken näher

So kündigte Nvidia im Jahr 2022 seinen neuen Plan zur Senkung des Energieverbrauchs von Rechenzentren an, zum 'Crunchen' großer Datenmengen oder zum Trainieren von KI-Modellen: flüssigkeitsgekühlte Grafikkarten, etwa eine neue flüssigkeitsgekühlte Version der „A100“-Rechenkarte auf der Computex, und berichtete, dass sie 30 Prozent weniger Strom verbrauche als die luftgekühlte Version. Anfang dieses Jahres (2023) erhielt Nvidia 5 Millionen Dollar vom US-Energieministerium für die Erforschung innovativer Kühlungsansätze.

Bei der Flüssigkeitskühlung wird die höhere spezifische Wärme der Flüssigkeit ausgenutzt, um eine bessere Kühlleistung zu erzielen. Je nachdem, mit welchen Komponenten die Flüssigkeiten in Berührung kommen, kann die Flüssigkeitskühlung in Direkt-zu-Chip-/Kühlplattenkühlung, Sprühkühlung und Tauchkühlung unterteilt werden.

Bei der Direkt-Chip-Kühlung wird eine Kühlplatte mit einer Kühlflüssigkeit direkt auf Wärmequellen wie GPUs und Chipsätze montiert, wobei ein thermisches Schnittstellenmaterial (TIM) dazwischen angebracht wird. Die Kühlplattenkühlung kann je nach Konfiguration eine partielle Stromverbrauchseffektivität (pPUE) von 1,02 bis 1,20 erreichen.

Eine sich abzeichnende Alternative ist die Tauchkühlung, bei der die Server vollständig in Kühlflüssigkeiten eingetaucht sind, was einen direkten Kontakt zwischen den Wärmequellen und der Kühlflüssigkeit ermöglicht. Die breite Einführung ist jedoch aufgrund von Problemen wie der Komplexität, der begrenzten Branchenkenntnis und der hohen Vorlaufkosten (in Dollar pro Watt) noch begrenzt.

Nichtsdestotrotz birgt die Eintauchkühlung ein Potenzial für langfristige Energie-Einsparungen, was angesichts der aktuellen Energiekrise nicht nur wirtschaftlich vorteilhaft ist, sondern auch den großen Unternehmen hilft, ihre Energie-Einsparungs- und Nachhaltigkeitsziele langfristig zu erreichen. Die von IDtechex durchgeführte vergleichende Analyse der Gesamtbetriebskosten (TCO) zwischen herkömmlicher Luftkühlung und Tauchkühlung zeigt, dass die Amortisationszeit für Tauchkühlung bei etwa 2,2 Jahren liegt, vorbehaltlich der im Bericht aufgeführten Annahmen.

Die Vor- und Nachteile

Der IDtechex-Bericht enthält eine Analyse verschiedener Anbieter von Flüssigkeitskühlung, Kühlflüssigkeitslieferanten und Endnutzer von Rechenzentren und bietet Einblicke in die Chancen und Risiken, die mit der einphasigen und zweiphasigen Direct-to-Chip/Cold-Plate- und Immersionskühlung verbunden sind. An dieser Stelle lässt sich der Bericht nur in Auszügen wiedergeben.

Jedenfalls hat mit der zunehmenden thermischen Leistung von Chips die herkömmliche Luftkühlung Schwierigkeiten, die Kühlanforderungen zu erfüllen. Obwohl die direkte Kühlung von Chips (auch bekannt als direkte Flüssigkeitskühlung (DLC) weit verbreitet ist, kann die D2C-Kühlung nur eine begrenzte Anzahl wichtiger Komponenten wie Chipsätze und GPUs und nicht die gesamte Platine kühlen.

Eine Eintauchkühlung hingegen bietet eine hohe und gleichmäßig verteilte Kühlung. Der Prozess des Eintauchens der Server in Tanks kann jedoch umständlich sein und erfordert eine erhebliche Nachrüstung bestehender Rack-basierter Rechenzentren. Generell lässt sich die Flüssigkeitskühlung, je nachdem ob ein Phasenwechsel stattfindet, in einphasig oder zweiphasig unterteilen.

Zwei- oder einphasig?

Die Zweiphasenkühlung weist im Allgemeinen eine höhere Effektivität auf, birgt aber auch Herausforderungen, wie Vorschriften für Zweiphasen-Tauchkühlflüssigkeiten auf der Basis von Perfluoralkyl- und Polyfluoralkyl-Substanzen (PFAS), mechanische Festigkeitsanforderungen an Flüssigkeitsbehälter, um dem erhöhten Druck während des Phasenwechsels standzuhalten, Flüssigkeitsverluste aufgrund von Verdampfung und hohe Wartungskosten.

Einphasige Kühlmittel hingegen nutzen die Konvektion, um die Wärme abzutransportieren. Dadurch werden die regulatorischen Risiken gemindert.

Die unterschiedlichen Kühlflüssigkeiten

Allerdings spielt unabhängig von der D2C-Kühlung oder der Tauchkühlung auch die Kühlflüssigkeit eine entscheidende Rolle. Flüssige Kühlmittel für Rechenzentren können in Flüssigkeiten auf Ölbasis und technische Flüssigkeiten unterteilt werden. Zu den führenden Unternehmen gehören Shell, Castrol, Exxon Mobil, Fuchs, M&I Materials, Engineered Fluids, 3M, Chemours und Solvay.

Dementsprechend können auch Preise für Kühlflüssigkeiten erheblich variieren. Die Kosten können liegen zwischen etwa 10 Dollar pro Kilogramm (Dollar/kg) und über 100 Dollar/kg liegen.

Insgesamt ergeben sich daraus bei der Wahl des richtigen Kühlmittels eine Reihe von Überlegungen. Eine davon ist die Komplexität der Wartung. So enthalten Kühlmittel auf Öl- oder Kohlenwasserstoffbasis oftmals Verunreinigungen, die zu einer möglichen Korrosion von Serverplatinen und Rohrleitungen führen können. Im Gegensatz dazu sind technische Flüssigkeiten in der Regel frei von diesen Verunreinigungen, was den Wartungsaufwand mit der Zeit verringert.

Was die Anschaffungskosten betrifft, so kann ein Eintauchkühltank etwa 4.000 Dollar kosten, und die Kosten für die Kühlflüssigkeit pro Tank können sich auf etwa 7.000 Dollar belaufen:

Trotz der relativ hohen Anfangskosten können sich die Gesamtbetriebskosten der Flüssigkeitskühlung dank der Energie-Einsparungen im Laufe der Zeit auszahlen. IDtechex erwartet jedenfalls ein schnelles Wachstum bei der Einführung von Flüssigkeitskühlung, das durch Faktoren wie die steigende Leistungskapazität von Rechenzentren, die Zunahme von Hyperscale-Datacenter und die Verfügbarkeit von gebrauchsfertigen Flüssigkeitskühlungslösungen angetrieben wird.

Insbesondere wird erwartet, dass die Kühlung mit Kühlplatten aufgrund ihrer Kosteneffizienz und Kompatibilität mit bestehenden luftgekühlten Rechenzentren das größte Wachstum erfahren wird, da keine umfangreichen Nachrüstungen erforderlich sind, um Lösungen für die Tauchkühlung unterzubringen. Das Unternehmen geht davon aus, dass der jährliche Umsatz mit flüssig gekühlter Hardware für Rechenzentren bis zum Jahr 2033 rund 900 Millionen Dollar übersteigen wird.

Die Marktchancen

Und mit der zunehmenden Verbreitung der Flüssigkeitskühlung eröffnen sich neue Möglichkeiten, die zu einer verstärkten Zusammenarbeit zwischen den an der Lieferkette für die Kühlung von Rechenzentren beteiligten Unternehmen führen. Es wird erwartet, dass Komponentenlieferanten wie Hersteller von Kühlmittelverteilern (Coolant Distribution Units, CDUs), Pumpen und Kühlflüssigkeiten von der zunehmenden Verbreitung der Flüssigkeitskühlung profitieren werden.

CDUs und Pumpen sind entscheidende Komponenten für die Steuerung der Durchflussmenge in Flüssigkeitskühlsystemen. Faktoren wie Materialverträglichkeit und Druckabfall müssen sorgfältig berücksichtigt werden.

Weitere Einzelheiten finden Sie im zahlungsflichtigen IDtechex-Bericht „Wärme-Management für Rechenzentren 2023-2033“. Er beleuchtet etwa die verschiedenen handelsüblichen In-Rack- und In-Row-CDUs, begleitet von einem umfassenden Vergleich von Kühlflüssigkeiten auf der Grundlage ihrer dynamischen Viskosität, Dichte, spezifischen Wärme, Wärmeleitfähigkeit sowie der erforderlichen Rohrlänge und des Rohrdurchmessers. Er enthält auch eine Prognose für CDUs und Pumpen in der Rechenzentrumsbranche für die kommenden zehn Jahre.

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