Immersionskühlung im Rechenzentrum Statt viel heißer Luft: Einfach 'mal untertauchen

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Immersionskühlung, also das Eintauchen der IT in wärmeleitende Flüssigkeiten, ist eine sehr effektive Kühlmethode – allerdings erfordert sie ein anderes Design der Rechenzentren. Im abschließenden Teil 3 unserer Serie über Flüssigkühlverfahren geht es nun um dieses Thema.

Immersionskühlung ist eine pfiffige Idee: Sie nutzt den Tatbestand, dass Flüssigkeiten meist bessere Wärmeleiter sind als Luft. So speichert Mineralöl Wärme 1000mal effizienter als Luft. Grundsätzlich werden bei diesem Verfahren die zu kühlenden Einheiten, insbesondere Server, ganz in einer Tauchwanne versenkt.

In dieser Wanne befindet sich eine Flüssigkeit. Diese darf keinesfalls mit irgendeinem der in den IT-Boards steckenden Materialien chemisch reagieren. Das bezeichnet man als inert.

Weiter muss sie Wärme gut leiten, Strom aber nicht, und eine zum System passende Temperatur für den Wechsel des Aggregatzustandes von flüssig zu gasförmig und wieder zurück aufweisen. Sie muss chemisch längere Zeit stabil sein, möglichst nicht umweltschädlich und bezahlbar.

Einfaches Funktionsprinzip

Das Funktionsprinzip ist einfach: Die Flüssigkeit in der Wanne wird im Kreis geführt. Kalte Flüssigkeit befindet sich unten in der Wanne, mit der Erwärmung durch die Abwärme der Komponenten steigt sie auf. Schließlich wird ihr die Wärme entzogen und die Flüssigkeit fließt unten im Becken wieder in den Kreislauf ein. Die Wärme wird über einen Wärmetauscher abgeführt und kann weiter genutzt werden.

Dieses Prinzip gibt es in ein- und zweiphasiger Form: Einphasig heißen Immersionskühlsysteme, bei denen die Flüssigkeit während des gesamten Kreislaufs ihren flüssigen Aggregatzustand behält. Zweiphasig sind Lösungen, bei denen die heiße Flüssigkeit verdampft und an anderer Stelle im System kondensiert, um wieder zurück zu fließen.

Höhere Abwärmetemperaturen

Mit dem Verfahren lassen sich ohne Wärmepumpen sehr viel höhere Abwärmetemperaturen realisieren als bei Luftkühlung. 60 Grad und mehr sind drin. Damit kann man beispielsweise Heizkreise direkt oder mit wenig Wärmepumpen-Aufwand speisen.

Ein weiterer Vorteil: Die Immersionsaggregate bilden eine sehr stabile Betriebsumgebung für die Server. Da die Flüssigkeit sie allseits umgibt, entstehen keine Wärmeinseln mehr, sondern es lässt sich eine sehr gleichmäßige Temperatur garantieren. Das verlängert die Lebensdauer der Hardware.

Ein weiterer ist das Wegfallen vieler Komponenten, die bei Luftkühlung sein müssen: Lüfter, CRACs und so weiter. Das spart Geld in der Anschaffung, aber auch auf der Energierechnung.

Für traditionelle Festplatten ungeeignet

Ein Nachteil besteht darin, dass bislang keine Komponenten mit beweglichen Teilen immersionsgekühlt werden. Doch da die Technologie eher in leistungshungrigen Bereichen eingesetzt wird, muss das kein Hindernis sein.

Anwendungsbereiche sind Hochleistungsrechnen, Edge-Datacenter, KI, Kryptomining und anderes. Auch die Hyperscaler interessieren sich stark für das Verfahren. Schließlich werden hier zunehmend SSDs verwendet, und diese passen prinzipiell im Gegensatz zu Festplatten durchaus zur Immersionskühlung.

Außerdem ist die Technologie noch nicht sehr weit verbreitet. Schon länger wird sie in hochdichten Forschungsrechenzentren eingesetzt. Doch deren Architektur gilt gemeinhin als ungeeignet für kommerzielle Installationen.

Unterschiedliche Kühlflüssigkeiten

Ein wichtiges Unterscheidungsmerkmal zwischen den Anlagentypen sind die Kühlflüssigkeiten. Sie können auf Mineralöl basieren, auf Fluorkohlenstoff oder synthetischen Flüssigkeiten. Derzeit dominieren die Mineralöl-basierenden Kühlflüssigkeiten, weil sie sehr gut Wärme speichern und leiten und in der Handhabung gut bekannt sind. Außerdem sind sie billiger.

Eine synthetische Kühlflüssigkeit, „Novec“, von 3M, kostet im Online-Shop eines einschlägigen US-Fachhändler (Applied Thermal Fluids) 1.370 Dollar pro 33 lb (britisches Gewichtsmaß, 1 lb=453 gr.) Flüssigkeit. Eine entsprechende Menge Öl ist für erheblich weniger zu haben.

Beispielhaft seien einige Daten zu Novec genannt. Die Flüssigkeit kocht je nach Druck zwischen 50 und 99 Grad Celsius, hat eine Dichte von 1,42 Gramm pro Kubikzentimeter (g/cm3), ist zu Materialien wie Polykarbonaten, Acrylen, Metallen, Keramik, Plastik und Silikonen kompatibel, reagiert also nicht mit ihnen. Novec ist nicht brennbar und leitet nicht, ist ungiftig, hat ein geringes Treibhausgaspotential und lässt die Ozonschicht intakt.

Marktvolumen: Noch Luft nach oben

Der Markt für Immersionskühlung bewegt sich noch unterhalb der Milliardenschwelle. Laut Mordor Intelligence betrug der weltweite Umsatz mit Immersionskühlsystemen 2020 rund 296,72 Millionen Dollar. Er soll bis 2026 auf 703,06 Millionen Dollar anwachsen. Das entspricht einer prognostizierten jährlichen Wachstumsrate von 15,27 Prozent. Nordamerika ist der dominierende Markt.

Die große Zeit steht der Immersionskühlung also wohl erst bevor. Denn das Potential ist riesig: Laut Research and Markets lag das weltweite Marktvolumen für Datacenter-Kühlaggregate 2021 bei 17,82 Milliarden Dollar und soll bis 2027 um jährlich 16,99 Prozent zulegen. 2027 sollen er 44,52 Milliarden Dollar groß sein.

Fehlende Standards

Ein Hemmschuh für die schnelle Ausbreitung ist sicher, dass es derzeit ausschließlich proprietäre Lösungen gibt. Es fehlen Standards für Flüssigkeiten, Wannen, Anschlüsse, die Materialien von Schläuchen, Ventilen und so weiter.

Das OCP (Open Compute Project) sieht Immersionskühlung immerhin als eine der drei von ihm bevorzugten Kühltechnologien für Rechenzentren. Die Organisation hat ein eigenes Projekt dazu aufgesetzt. Hier wird versucht, Begrifflichkeiten zu vereinheitlichen, Anforderungen und technische Specs für wichtige Komponenten festzuklopfen vorteilhafte Verfahrensweisen zu definieren.

Außerdem geht es dem OCP-Projekt darum, IT-Hersteller dazu zu bewegen, ihre Aggregate so zu bauen, dass sie mit Immersionskühlung kompatibel sind. Dazu gehört auch die Definition von Hardware-Kompatiblitätsanforderungen für die Nutzung mit Immersionskühlung.

Veränderte Arbeitsabläufe im Rechenzentrum

Schließlich müssen sich viele Datacenter-Mitarbeiter umstellen. Nur die wenigsten haben bislang Erfahrung mit dem Verfahren. Und viele finden nichts schrecklicher als die Vorstellung, im Rechenzentrum mit Flüssigkeit zu hantieren. Die Arbeitsprozesse etwa beim Austausch von Servern verlaufen in immersionsgekühlten Umgebungen grundsätzlich anders als in den verbreiteten luftgekühlten.

Derzeit gibt es diverse Anbieter, die bereits Immersionskühllösungen im Programm haben. Einer der Pioniere ist Submer. Das Unternehmen stellte erst im Herbst 2020 eine neuartige Immersionskühllösung mit synthetischer Kühlflüssigkeit vor. In Europa möchte Green Revolution Cooling (GRC) gemeinsam mit Total Datacenter Solutions expandieren. Iceotope bietet etwa eine integrierte Lösung mit „Lenovo Thinksystem SR670“-Server an. Und Wiwynn arbeitet seit 2021 mit Microsoft an einer zweiphasigen Immersionskühllösung. OVHcloud hat gerade neue Patente für eine hybrides System angemeldet.

Asperitas: Einphasiges Immersions-Kühlen ohne Pumpen

Ein in weiterer Anbieter ist Asperitas. Das Unternehmen brachte ein ausschließlich auf Konvektion basierendes einphasiges Immersionskühlsystem auf den Markt (siehe: Abbildung). Auf Pumpen für die Flüssigkeitszirkulation, externe Kühlanlagen für die Flüssigkeit beispielsweise kann hier verzichtet werden, was viel Geld spart.

Integriert ins System sind Stromverteilung, Switching, System-Monitoring und Kabel-Management. Der Hersteller wirbt mit 40 Prozent mehr CPU-Leistung aufgrund der stabilen Betriebsbedingungen, 80 Prozent Platzersparnis, 45 Prozent geringeren Investitions- und Betriebskosten sowie der Möglichkeit, die abgegebene Wärme fast vollständig wieder zu nutzen. Zu den Partnern gehören Nvidia, Dell, Gigabyte, Siemens und Shell für die Kühlflüssigkeit.

Fujitsu: Zweiphasiges Immersionskühlen mit guter Skalierungsmöglichkeit

Fujitsu begann 2018, sein zweiphasiges „Fujitsu Server Primergy Liquid Immersion Cooling System“ zu vermarkten. Hier wird Novec verdampft, anschließend kondensiert und zurückgeführt. Die Komponenten dieses Systems sind bei laufendem Betrieb auswechselbar. Mitarbeiter können in das verwendete Novec greifen, ohne dass das negative Folgen hat. Die Kühlmittelverteilungseinheit ist doppelt ausgelegt.

Fujitsu verwendet leicht modifzierte "Primergy"-Standardserver. Die Kühlmittelverteilung ist eine vom eigentlichen Servertauchbecken getrennte Einheit. Das Tauchbecken kann auf diese Einheit aufgestellt oder daneben platziert werden. Mehrere Tauchbecken samt ihrer jeweiligen Verteileinheit lassen sich einfach nebeneinanderstellen und so skalieren. Als geplante Standzeit gibt Fujitsu mehr als zehn Jahre an.

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