Vom Lüfterstrom bis zum Tauchbad Was ist (direkte) Server-Kühlung?

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Server werden standardmäßig immer noch über den Luftweg gekühlt. Doch Flüssigkühlsysteme in den unterschiedlichen Varianten finden zunehmend häufiger Verwendung, zumal sich auf diese Weise Energie-effiziente Synergien aufbauen lassen.

Die Kühlung von Rechnersystemen ist eine ständig wachsende Herausforderung. Die Rechen- Einheiten in den Servern erbringen immer mehr Leistung auf immer kleinerer Fläche und werden im Gegenzug immer wärmer. Wärme-Entwicklung und Wärme-Abfuhr im Server-Bereich haben eine technologische, eine organisatorische, eine ökonomische und eine ökologische Komponente. Die ökonomische und die ökologische Komponente beziehen sich in erster Linie auf die Energieeffizienz der Systeme, das heißt auf Leistungsaufnahme und Abwärmenutzung und damit auf die CO₂-Bilanz; die organisatorische Komponente hebt darauf ab, wie man die Kühlelemente strukturiert und die technologische Komponente umfasst die Art und Weise, wie man die Kühlung der Einheiten technisch umsetzt.

Wir diskutieren in diesem Artikel nur diese letzte Komponente und auch bei dieser nur die lokalen Kühltechniken direkt an den Servern beziehungsweise an den Server-Racks. Natürlich werden ökonomische und ökologische Fragen aber immer wieder gestreift.

Die verschiedenen Varianten der Luftkühlung

In der Regel wird heute immer noch auf Luftkühlung gesetzt, weil sie im Vergleich zur Kühlung mit flüssigen Medien (Wasser, Wassermischungen, spezielle künstliche Mixturen) einfach und preiswert umzusetzen ist. Gleichwohl ist die Wärmekapazität dieser flüssigen Medien um ein Vielfaches höher als Luft.

Im Prinzip wird bei der Kühlung von Servern und Serverbauteilen jeweils ein Kühlkörper mit Rippen, Lamellen oder Nadeln auf die zu kühlende Komponente appliziert. Die Rippen, Lamellen oder Nadeln bestehen dabei meist aus Aluminium oder Kupfer, da diese Metalle besonders gut die Wärme (ab)leiten. Durch diese Konstruktion wird die Gesamtfläche deutlich größer, so dass die thermische Konvektion erhöht wird, sprich: Die warme Luft dehnt sich aus, strömt vom Hotspot weg und lässt dadurch Platz für nachströmende kältere Luft.

Diese (passive) thermische Konvektion kann durch Axial- oder Radial-Lüfter direkt an der zu kühlenden Komponente noch einmal beschleunigt werden, so dass ein stärkerer Kühleffekt entsteht. Freilich ist das oft nur die Theorie. Wegen der begrenzten Wärmeleitfähigkeit der Kühlelemente muss der Lüfter nahe an diesen Elementen platziert werden, so dass er die warme Luft oft nicht weit genug wegbläst, sondern Nachbar-Komponenten beziehungsweise die Hauptplatine in unerwünschter Weise aufheizt.

Deshalb werden in höherwertigen Rechnern, das heißt: vor allem in heutigen Rack-Servern, die Lüfter nicht direkt an den zu kühlenden Komponenten angebracht, sondern „strategisch günstig“, sprich: effizient, im Gehäuse platziert. Eine derartige Verschiebung ist in der Regel nur durch den zusätzlichen Einsatz von Wärmerohren („Heatpipes“) machbar. Durch Kühler mit solchen Wärmerohren wird einerseits eine (meist ohnehin nicht mögliche) Erhöhung der Kühlfläche an den Rippen oder Lamellen entbehrlich, andererseits werden Wärmeaufnahme und Wärmeabfuhr entkoppelt.

Die hauptsächlichen Kühlflüssigkeiten

Mit der Wärmerohrtechnik, die in der Regel auf der Verdampfung eines internen Mediums, beispielsweise Wasser, beruht, ist schon ein erster (kleiner) Schritt in Richtung Flüssigkühlung getan, wenn auch mit viel geringerem Aufwand. So ist beispielsweise keine Umwälzpumpe notwendig. Deshalb zählt man die Heatpipe-Technik auch nicht zur Flüssigkühlung, sondern zur Kategorie einer technisch arrivierten Luftkühlung.

Flüssigkühlung arbeitet normalerweise mit den Komponenten Pumpe(n), Ausgleichsgefäß, Röhren, Kühlblöcken (Cold Plates) und Radiatoren. Die durch das Röhrensystem gepumpte Kühlflüssigkeit nimmt in den Kühlkörpern die von den Rechnerbauteilen erzeugte Wärme auf und transportiert sie zu dem oder den Radiatoren, wo sie an die Umgebungsluft abgegeben wird.

Als Kühlflüssigkeit werden entmineralisiertes Wasser (oft auch nach englischer Terminologie „de-ionisiert“ genannt) oder elektrisch nicht leitfähige („dielektrische“) und nicht-kapazitive Kühlmittel eingesetzt. Bei letzteren handelt es sich meist um Ethylenglykol beziehungsweise Propylenglykol, die im Verhältnis 50:50 mit Wasser gemischt sind.

In Spezialfällen werden auch speziell für den Zweck entwickelte Kühlmittel wie „Novec“ von der Firma 3M verwendet. 3M Novec ist ein echtes High-Tech-Mittel und wird vor allem zur Tauchkühlung (siehe: weiter unten) verwendet. Im Gegensatz zu den in diesem Bereich ebenfalls verwendeten Ölen ist 3M Novec nicht entflammbar.

Die verschiedenen Varianten der Flüssigkühlung

Da Wasser und alle anderen genannten Mischungen eine weitaus höhere Wärmekapazität als Luft haben und dadurch weniger Volumen bewegt werden muss, um dieselbe Wärmemenge abzuführen, führt Flüssigkühlung zu erheblichen Energie-Einsparungen. Wenn zusätzlich noch die Verlegung der Rohre optimal gestaltet wird („Tichelmann-System“), wird weniger Pumpenleistung benötigt, was die Energieeffizienz noch einmal steigert.

Ein solcher Ansatz, bei dem das gesamte Server-System mit seinen wichtigsten Komponenten „flüssig“ gekühlt wird, erfordert speziell dafür gebaute Server. Mit traditioneller Server-Hardware umsetzen lässt sich dagegen eine Herangehensweise, bei der nur die Türen des Racks mit flüssigen Medien gekühlt werden, während im Rack-Inneren die Luftkühlung beibehalten wird.

Dieser Ansatz findet im Hochleistungsrechnen zunehmend Anwendung. Ein Beispiel ist das Rechenzentrum des Helmholtz-Zentrums für Schwerionenforschung in Darmstadt, das mit einem solchen System einen Energie-Effizienzwert (Power Usage Effectiveness, PUE) von 1,08 erreicht.

Auch andere hybride Ansätze, die zwischen Luft- und Flüssigkühlung eine Balance finden wollen, sind im Markt zu finden. So ermöglicht die Server-spezifische Kühllösung „ServerLSL“des dänischen IT-Kühlungs-Spezialisten Asetek die Misch-Installation von wassergekühlten und luftgekühlten Servern in demselben Rack.

Für den Wasserkreislauf verwendet die Lösung Niederdruckpumpen und entlastet damit nach Herstellerangabe die internen Server-Lüfter erheblich. Durch das System werde der Einsatz neuer Server-Designs mit verbrauchsintensiven Prozessoren in bestehenden Rechenzentrumsarchitekturen erleichtert.

Ein Flüssigkühlungs-Konzept von Asetek für ganze Rechenzentren ist das „Rack CDU D2C“. Diese Technik soll 60 bis 80 Prozent der Wärme, die CPUs, GPUs, Speichermodule und andere Wärme-intensive Komponenten erzeugen, über Wasser abführen. Das Wasser hat 40 Grad und steht damit für weitere Nutzung bereit.

Server-Kühlung in einem energetischen Verbund

Damit wären wir beim Kreislauf-Thema und dem Zusammenhang zwischen Flüssigkühlung und Energie-Effizienz, die weiter oben schon angesprochen wurde. Durch Weiterverwendung des Kühlmediums (in diesem Fall Wasser) wird eine neue Dimension der Energie-Effizienz erreicht, weil isie den gigantischen Energiebedarf heutiger Server- und RechenzentrumsInfrastrukturen abmildert, indem sie die beim Betrieb entstehende Abwärme energetisch nutzbar macht und nicht einfach die Umgebung sinnlos aufheizt.

Die Nutzung der Abwärme als Heizwärme liegt dabei nahe. Durch die Anbindung einer Adsorptions-Kältemaschine an die Serverfarm beziehungsweise das Rechenzentrum lässt sich die Abwärme aber auch in Kälte umwandeln und für die Klimatisierung nutzen. Der weltweit agierende Dresdner Datacenter-Pionier Cloud & Heat hat sich jedenfalls im Rahmen seines ganzheitlich orientierten Energie-effizienten Rechenzentrumskonzepts dem Zusammenwirken von Kühlung und energetischer Weiterverwendung des dabei anfallenden „Abfalls“ verschrieben.

Kühlmittel ist dabei heißes Wasser, also Wasser, das deutlich mehr Celsiusgrade als die Raumtemperatur oder die Außentemperatur hat, so dass die Rückkühlung der durch die erwärmten Komponenten aufgeheizten Kühlflüssigkeit allein durch die Außenlufttemperatur möglich wird. Cloud & Heat, das neben eigenen Entwicklungen auch Komponenten des Chemnitzer Klimatisierungsspezialisten Megware einsetzt, hat beim Energie-effizienten Umbau eines Rechenzentrums in Frankfurt am Main mit dieser Direkt-Heißwasser-Kühlung und Abwärmenutzung eine jährliche CO₂- Reduktion von „90 Fußballfeldern“ erreicht. Die baulichen Möglichkeiten einer solchen energetischen Symbiose müssen entweder von vornherein gegeben sein oder städtebau-planerisch geschaffen werden.

Server mit Direkt-Heißwasser-Kühlung

Mit Cloud & Heat und Megware arbeitet auch die Thomas Krenn.AG zusammen. Die seit einigen Monaten verfügbaren wassergekühlten Server des deutschen Server-Hardware-Spezialisten sind eine Direkt-Heißwasser-Kühlungs-Variante des Dual-CPU-Systems „RI2208“, das für Workloads in Unternehmen und Rechenzentren, Virtualisierung und Cloud Computing ausgelegt ist.

Die Server sind mit Kühlmittelanschlüssen für den Einbau in die wassergekühlten Micro-Datacenter von Cloud & Heat vorbereitet. Bei den Micro-Datacenter-Trägersystemen handelt es sich um 19-Zoll-Racks, welche neben den flüssig gekühlten Servern auch die Hydraulik zur Kühlmittelverteilung, Wärmeüberträger, Steuerungs- und Überwachungstechnik, sowie Netzwerktechnik und Stromverteilung enthalten.

Wenn die Server zur Kühlflüssigkeit kommen

Aber warum bringt man eigentlich die Kühlflüssigkeit zu den heißen Serverteilen und nicht die Server-Teile zur Kühlflüssigkeit? Eine berechtigte Frage! Die Antwort darauf heißt Immersions- oder Tauchkühlung. Eine Art Brute-Force-Tauchkühlung liegt vor, wenn beispielsweise ein PC-Gamer seine luftgekühlte Kiste, bevor sie den Wärmetod zu streben droht, in Mineral-Öl versenkt. Mineral-Öl ist nicht elektrisch leitend, auch nicht kapazitiv und beschädigt nicht den Rechner.

Ernsthafte großtechnische Versuche, Server oder auch ganze Rechenzentren mit Wasser, Öl oder mit dem oben erwähnten nicht entflammbaren und nahe seiner Verdampfungstemperatur eingesetzten Kühlmittels 3M Novec immersiv zu kühlen, gibt es weltweit. Beim schweizerischen Datacenter-Betreiber Deltalis hatte man schon vor ein paar Jahren ein Innovationslabor zum Thema 2-Phasen-Immersions- oder Tauch-Siedekühlung gebaut.

Icetope und Schneider Electric verfolgen ebenfalls das Ziel, ein Verfahren mit Flüssigkühlung als Alternative zu konventionellen Verfahren einzusetzen.

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