Herausforderung für Rechenzentren

Steigende Rechenleistungsdichte fordert Umdenken bei der Kühlung

| Autor / Redakteur: Otto Geißler / Ulrike Ostler

Eine Warmwasserkühlung mit einer Vorlauftemperatur von 40 °C kühlt energieeffizienter als andere Systeme. Was in wissenschaftlich betriebenen Rechenzentren allmählich Schule macht, sollte auch ein Konzept für den allgemeinen Einsatz sein.
Eine Warmwasserkühlung mit einer Vorlauftemperatur von 40 °C kühlt energieeffizienter als andere Systeme. Was in wissenschaftlich betriebenen Rechenzentren allmählich Schule macht, sollte auch ein Konzept für den allgemeinen Einsatz sein. (Bild: gemeinfrei: CCO Herzkönigin96/pixabay / CC0)

Durch die Digitalisierung wird in den nächsten drei Jahren ein gestiegener Bedarf an Verarbeitung und Analyse von Daten um den Faktor 10 entstehen. Die unvermeidbare Konsequenz: Ein Anstieg der Leistungsdichte. Stehen in den Rechenzentren dafür die geeigneten Kühlkonzepte bereit?

Die Energiebereitstellung ist im Datacenter neben den Personal- und Wartungskosten der zweitgrößte Kostenfaktor. Der zunehmende große Boom mit Big Data, Künstlicher Intelligenz (KI), Augmented Reality (AR) sowie Video-Streaming heizt die Nachfrage nach Rechenzentrumskapazitäten und damit den Energiebedarf weiter an.

„Der Löwenanteil für den Anstieg der Energiekosten fällt auf die Bereiche Server und Kühlung“, stellt Eric Schnepf, Technical Presales Central Europe, New Business Infrastructure bei Fujitsu, fest. „So kann eine Kühlanlage eines neu errichteten Rechenzentrums gut 20 Prozent der Gesamtinvestition ausmachen.“

Verdreifachung von Edge Datacenter bis 2025

Alles ändert sich - die Rechenzentrumsumfrage von Vertiv

Verdreifachung von Edge Datacenter bis 2025

28.06.19 - In den vergangenen Jahren blieben die Prognosen für Entwicklungen im Bereich Rechenzentrum nahezu unverändert. Doch jetzt ändert sich vieles. So deuten im Vertiv-Report „Data Center 2025: Closer to the Edge“ die Umfragen auf ein rasantes Edge-Wachstum und einen starken Rückgang an Fachkräften hin. lesen

Kühlsysteme beeinflussen Wirtschaftlichkeit

Daher wird die energierelevante Infrastruktur von Rechenzentren immer mehr zur Herausforderung. Das heißt, dass nicht nur ein steigender Anteil an elektrischer Energie für den Server-Betrieb dauerhaft und unterbrechungsfrei bereitzustellen ist, sondern auch die von den Servern produzierte Wärme sicher und möglichst kostengünstig sowie zielführend abgeführt werden muss. Dabei beeinflusst insbesondere die Art und Weise der Kühlung die Effizienz.

Für die Kühlung von Servern bieten sich im Prinzip drei Möglichkeiten an: Luft-, Kaltwasser- und Warmwasserkühlung. Im Server-Rack und im Raum kommt in einem herkömmlichen Datacenter mechanisch erzeugte Kaltluft als Kühlmedium zum Einsatz.

Bei der Luftkühlung werden die Racks so positioniert, dass Warm- und Kaltgänge entstehen. Die Kaltluft wird meist über einen Doppelboden von unten zugeführt. Strömungshindernisse, zum Beispiel Verkabelungen oder Rohre, verursachen hier bei der Versorgung mit Kaltluft oft Engpässe.

Air Cooled Data Center
Air Cooled Data Center (Bild: Fujitsu)

Luftgekühlte Datacenter verschlingen für die Kühlung einen hohen Anteil des Energiebedarfs, weil die Kälte mechanisch erzeugt werden muss. Bei einer Kaltwasserkühlung entfällt zwar das Verteilen der Kaltluft über den Doppelboden, jedoch müssen für das Kaltwasser ebenfalls Kältemaschinen bereitgestellt werden. Da nicht alle Server-Systeme das gleiche Temperaturniveau benötigen, sind in der Praxis ebenso kombinierte Varianten von Luftkühlung und direkter Rack-Kühlung anzutreffen.

Cool-Central LCT Cooled Data Center
Cool-Central LCT Cooled Data Center (Bild: Fujitsu)

„Aus diesem Grunde bietet Fujitsu eine so genannte Sowohl-als-auch-Lösung“ an, betont Jo Witt, System Design Expert im Category Management für HPC bei Fujitsu. „Das heißt, dass beispielsweise statt den Kühlkörpern für Luftkühlung auch Pumpen für Warmwasserkühlung im gleichen Server verbaut werden können. Das ist ein großer Kundenvorteil, denn so ist es möglich, ausgewählte Systeme für beide Varianten – sowohl klassisch luftgekühlt als auch Direct-On-Chip zu kühlen. Damit sind diese Systeme vielseitig einsetzbar.“

Geht es mit warmen Wasser noch effizienter?

Mit dem Einsatz von warmwassergekühlten Racks profitiert der Betreiber von einem entscheidenden energetischen Vorteil: Für die Abfuhr von Wärme ist keine mechanische Kälte mehr notwendig.

Daher geht der Trend bei Hochleistungsrechnern eindeutig zu vollständig warmwassergekühlten Servern. „Die Cool-Central Liquid Cooling-Technologie (LCT) von Fujitsu ist eine Warmwasser-Flüssigkeitskühlungslösung, die zwischen 60 Prozent und 80 Prozent der Server-Wärme auffängt, die Kühlkosten des Rechenzentrums um über 50 Prozent reduziert und eine 2,5- bis 5-fache höhere Server-Dichte des Rechenzentrums ermöglicht“, unterstreicht Schnepf.

Da die Kosten der Luftkühlung den größten Teil der laufenden Ausgaben (operational expenditures - OpEx) und der Investitionsausgaben für längerfristige Anlagegüter (capital expenditures - CapEx) ausmachen, kann die Fujitsu-Lösung Budgets für Investitionen in ein leistungsfähigeres Computing freisetzen, anstatt dass sie in den Betriebskosten verschwinden.

„Der Vorteil ist, dass wir bei einer Vorlauftemperatur von zirka 40 Grad und einer Rücklauftemperatur von ungefähr 60 Grad mit einem Außenkühler (Drycooler) - ohne Kältemittelzusätze - arbeiten können“, so Witt. „Denn der Dry Cooler auf dem Dach kühlt das erwärmte Wasser wieder auf die gewünschten 40 Grad zurück. Damit spart man sehr viel Energie ein, was übers Jahr verteilt in den meisten Regionen innerhalb Europas möglich ist.“

Strategische Planung mit dem Facility Management

Diese Vorgehensweise erlaubt wiederum eine niedrigere Leistungsstufe der Room Air Condition im Server-Raum, denn die hohe Last der Wärme wird bereits durch das „Direct Cooling“ aus der ganzen Berechnung `rausgenommen und spart so viel Energiekosten. „Bei der Warmwasserkühlung ist des Weiteren zu beachten, dass sie sich auch in den Kontext übergeordneter Nutzungsmöglichkeiten, also nicht nur der Zweck des Kühlens des Clusters, einbetten lässt“, so Schnepf. „Das bedeutet, mit der Cool-Central-LCT ist es möglich, die Abwärme auch in lokale Heizungssysteme oder gar Fernwärmenetze einzuspeisen.“

Der Einsatz von Liquid Cooling ist dann am effektivsten, wenn der Betreiber strategisch vorgeht und schon von vornherein Gedanken über die Verwendung der entstehenden warmen Luft oder des warmen Wassers anstellt. „Wenn er mit der Warmluft oder dem Warmwasser sogar die Gebäudeheizung betreiben möchte, so muss dies natürlich bereits in der Bauplanung berücksichtigt sein“, so Schnepf. „Hierfür sind Beratungen notwendig, nachträglich geht das eher schlecht.“

IT und Facility-Management

Daher gehen den Projekten von Fujitsu immer Gesprächsrunden mit dem Facility Management und den Klimatechnikern voraus. Hier werden unter anderem die baulichen Gegebenheiten und die Anforderungen besprochen: Eine bestmögliche Effizienz kann mit einem Datacenter-Neubau erzielt werden.

Bei einer Nachrüstung ist immer im Einzelfall zu prüfen, ob sich ein Warmwasser Liquid Cooling rechnet. Oder sollen zum Beispiel erst einmal Kostenvorteile beziehungsweise weniger Kühlenergie im Vordergrund stehen oder auch die Luft der Umgebung genutzt werden?

„Wenn wir die Kennwerte dazu liefern, um das System effizient laufen zu lassen, dann haben die meisten Kunden schon eine Idee im Hinterkopf, was sie mit der hohen Rücklauftemperatur von 60 Grad beabsichtigen“, erklärt Witt. „Bei Ausschreibungen für Datacenter werden solche Fragen gleich mit aufgenommen. Denn in Neubauten kann man diese Energie bereits direkt für die Hausklimatisierung benutzen.“

Die Leistungsdichte wird steigen!

Die maximale Wärme-Ableitrate definiert die maximale Anzahl der Server pro Rack. Jedoch ist nur bei einer direkten Kühlung mit Flüssigkeit auf dem Chip die Wärmeabfuhr hoch genug, um Racks mit zugepackten Hochleistungsprozessoren zu unterstützen.

Eine Luftkühlung reicht in diesem Fall dann definitiv nicht mehr aus. Im Vergleich dazu nimmt die Kühlung in herkömmlichen luftgekühlten Rechenzentren viel Platz in Anspruch, der nun für weitere Racks genutzt werden kann.

So reduziert sich bereits die Computerraum-Klima-Anlage (Computer Room Air Conditioning – CRAC) auf weniger als die Hälfte, wenn ein Rechenzentrum nur zum Teil mit Flüssigkeitskühlung gekühlt wird. Gleichzeitig wird mehr Stellfläche frei. „Wenn allerdings im Datacenter noch genügend Platz zur Verfügung steht, kann natürlich noch mit Luftkühlungen gearbeitet werden“, so Schnepf. „Sollte bereits alles vollgepackt sein, muss über Liquid Cooling nachgedacht werden. Für kleine Rechenzentren mit nur wenigen Racks lohnt sich beispielsweise keine Einführung von Warmwasser.“

Außer im Super-Computing sind die Warmwasser-Technologien in Rechenzentren gegenwärtig eher selten anzutreffen. „Schon die gedankliche Verbindung von Wasser und Strom bereiten manchen Rechenzentrumsbetreibern heute noch Bauchschmerzen“, sagt Witt. „Prinzipiell steht der Wissenschaftsbereich dieser Technologie aufgeschlossener gegenüber. Schließlich muss dort auch nicht die komplette Finanzbuchhaltung drüber laufen.“

Die Vorteile von Liquid Cooling auf einen Blick:

  • Die Flüssigkeitskühlung ermöglicht es, die Abwärme direkt an der Quelle zu sammeln.
  • Der Austausch der Wärme mit Wasser ist sehr effizient.
  • Die Warmwasserkühlung basiert einfach auf Trockenkühlern, die hohe Wirkungsgrade und niedrige Betriebskosten aufweisen.
  • Das Wasser muss nur auf 40 Grad abgekühlt werden, was die Anzahl der Stunden maximiert, in denen eine „freie Kühlung“ möglich ist.
  • Eine warmwasserbasierte Flüssigkeits-Kühlinfrastruktur erfordert eine wesentlich geringere Investition als herkömmliche luftgekühlte Infrastrukturen.
  • Trockenkühler bieten bei Warmwasser-Kühlung eine höhere Effizienz, da sie keine höhere Kühlleistung benötigen, um Temperaturen von 15 Grad für klassische Rechenzentren bereitzustellen. Damit verringern sich die Kosten, weil mit dieser Technologie große leistungsstarke CRAC+Chiller sowie CRAH-Geräte eingespart werden können.
  • Da Trockenkühler für die Infrastruktur der Flüssigkeitskühlung außerhalb des Rechenzentrums platziert sind, kann außerdem wertvolle Stellfläche gespart werden.
Was meinen Sie zu diesem Thema?
Im Prinzip der richige Ansatz. Sollte noch ergänzt werden mit den Möglichkeiten der direkten...  lesen
posted am 26.07.2019 um 08:07 von Unregistriert

Die erwähnten Punkte sind alle relevant. Mit der Cool-Central® Liquid Cooling Technology bietet...  lesen
posted am 25.07.2019 um 14:33 von eric.schnepf@ts.fujitsu.com

Naja, stimme dem Ansatz im Grundsatz ersteinmal zu. jedoch sind da noch ein paar Fallstricke im...  lesen
posted am 17.07.2019 um 19:35 von Unregistriert

Sehe ich auch so. Jedoch muss die Flexibilität (= Schnelles Austauschen von Blades) gewahrt...  lesen
posted am 15.07.2019 um 14:55 von Unregistriert

Völlig einverstanden ! Wim Buters Principal Commercial Officer Asperitas Immersed Computing  lesen
posted am 12.07.2019 um 13:49 von wim buters


Mitdiskutieren
copyright

Dieser Beitrag ist urheberrechtlich geschützt. Sie wollen ihn für Ihre Zwecke verwenden? Kontaktieren Sie uns über: support.vogel.de/ (ID: 45997275 / Stromsparende Server und RZ-Komponenten)