Rechner effizienter kühlen

Was ist Immersionskühlung?

| Autor / Redakteur: Ariane Rüdiger / Ulrike Ostler

Immersionskühlung ist effizienter und platzsparender als andere Kühlmethoden
Immersionskühlung ist effizienter und platzsparender als andere Kühlmethoden (Bild: © djama – stock.adobe.com)

Die überkommenen Kühltechniken mit Luft gelangen zusehends an ihre Grenzen - Experten empfehlen Flüssigkühlung. Eine Variante davon ist Immersionskühlung.

Effektive Kühlung gehört zu den großen Aufgaben des Recehnzentrumsbetriebs. Richtig gekühlte Komponenten halten länger, leisten mehr und verschwenden keine wertvolle Energie. Doch wie macht man das am besten?

Die erste Generation der Rechner besaß wie selbstverständlich eine Flüssigkühlung. Dann kamen die PCs, die weniger groß und schwer waren und auch weniger Wärme abstrahlten. Mit ihnen kamen die allgegenwärtigen Ventilatoren und Kompressoren nebst der Kühlung mit Luft plus aufwändige Zweit- und Drittkühlkreisläufe. Sie trieben die PUEs (Power Usage Effectiveness, Verhältnis zwischen Rechen- und Kühlleistung) in heute nicht mehr tolerable Höhen – oft 3 oder 4.

Inzwischen sind aber dank höherer Rechner-Betriebstemperaturen sowie Datacenter-Gestaltung mit Kalt- und Warmgängen derartige Dinosaurier-Implementierungen eher selten. Freiluftkühlung gilt, wo sie möglich ist, als die Lösung der Wahl. Die PUEs schrumpfen bei neuen Rechenzentren in Richtung 1.

Paradigmenwechsel notwendig

Was kann man also noch tun, um die Leistung von Rechenzentren zu heben, ohne dass der Stromverbrauch mit steigt? Eine Schwäche der bisherigen Kühllösungen ist, dass die Kühlmedien in der Regel nicht gleichmäßig an den rechnenden Systemen anliegen. Luft lässt sich auch nur in Grenzen zielgenau steuern, so dass es doch immer wieder zu punktuellen Aufheizungen kommen kann.

Genau diese Ungleichmäßigkeit und die Schwankungen aber sind es vor erhöhten Temperaturen, so der aktuelle Forschungsstand, die Leistung und Lebensdauer beeinträchtigen. Et was anderes gilt nur bei Temperaturen jenseits des Betriebsspektrums der Hardware. Doch tatsächliche Überhitzung ist nicht so häufig, die ständigen Schwankungen betrieblicher Alltag.

Untertauchen, marsch!

Charakteristisch für Immersionskühlung ist es, die gesamten rechnenden Einheiten als Ganzes in eine Kühlflüssigkeit zu tunken. Dann werden die Platinen und Chips von allen Seiten gleichmäßig benetzt. Die Wärme wird so nah als möglich am Entstehungspunkt abgeführt.

Die dadurch gleichmäßige Temperatur erlaubt mehr Leistung der Chips. Manche Hersteller beziffern das Plus auf 30 bis 40 Prozent, ohne dass deswegen größere Kühlaggregate nötig sind.

Ein Server wird aus Fujitsus 2016 auf den Markt gebrachtem Immersionskühlsystem gezogen
Ein Server wird aus Fujitsus 2016 auf den Markt gebrachtem Immersionskühlsystem gezogen (Bild: Fujitsu)

Je nach Technologie verwendet man ein- und zweiphasige Flüssigkeiten. Einphasig sind sie, wenn sie während des gesamten Einsatzes flüssig bleiben, zweiphasig, wenn sie ihren Aggregatzustand durch die Erwärmung mit der Prozessorabwärme ändern, also verdampfen, und sich beim Abkühlen wieder verflüssigen.

Nachteil: Der Umgang mit dem flüssigen Kühlmittel ist ungewohnt und erfordert es, gewohnte Prozesse anders zu gestalten.

Außer rotierenden Festplatten taugt die gesamte Digitaltechnik für Immersion

Außer Festplatten mit rotierenden Teilen und den Kabeln können alle Elemente untergetaucht werden. SSDs passen also ohne Weiteres zur Immersionskühlung. Die Kabel lassen sich, da sie sich mechanisch beim Betrieb nicht bewegen, in gegen das Eindringen von Flüssigkeiten geschützten Kanälen oder Patch-Feldern am Gerät unterbringen.

In der Regel stehen eine Reihe von Digitalelementen senkrecht in einer Art Wanne, die mit der entsprechenden Flüssigkeit gefüllt ist. Die Kabel befinden sich am oberen Ende der Platinen und damit oberhalb der Flüssigkeit.

Die Abwärme, die zumeist gut nutzbare höhere Temperaturen hat, wird meist über einen Sekundärkreislauf abgeführt. Weil keine Warm- und Kaltgänge und keine Belüftungstechnik mehr nötig sind, sinkt der Platzbedarf.

Bald reif für den breiten Markt

Die Immersionskühlung galt bisher wegen der grundlegend anderen Architektur als das Privileg wissenschaftlicher oder Hochleistungs-Rechenzentren. Nun schicken sich Unternehmen wie Fujitsu, Asperitas, Immersion 4 oder Green Revolution Cooling an, Lösungen für den breiteren Einsatz zu entwickeln. Sie verbessern die Praxistauglichkeit von Wannen, Abtropfeinrichtungen und weiterem Zubehör oder entwickeln gemeinsam mit den Prozessorherstellern und Server-Anbietern breitentaugliche IT-Systemdesigns für Immersionskühlung.

Kriterien wie Nutzbarkeit der Abwärme, Verhältnis zwischen Rechen- und Kühlaufwand und Platzbedarf für Rechner- und Kühlfläche sprechen auf jeden Fall für die Technologie. Die Nutzungsgewohnheiten und der neue Umgang mit einem System, das erst abtropfen muss, bevor man es beispielsweise reparieren oder austauschen kann, sind aktuell noch Gegenargumente.

Doch die energetischen und Klimaprobleme, die die IT-Branche hat, machen Immersion zu einem Kandidaten für den breiten Einsatz. Auch die OCP (Open Compute Platform) beschäftigt sich schließlich in einer ihrer Arbeitsgruppen zu zukunftsfähigen Kühllösungen intensiv mit der Technologie.

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