So bleiben Rechenzentren cool

Im KI-Zeitalter reicht Belüftung oft nicht mehr aus, um ein Rechenzentrum zu kühlen. Flüssigkeitskühlung kann helfen.
Foto: Timofeev Vladimir – shutterstock.comRechenzentren können sehr heiß werden, weil die elektrische Energie, die von Servern, Speichergeräten, Netzwerkhardware und verschiedenen anderen Geräten verbraucht wird, in Wärmeenergie umgewandelt wird. Deshalb benötigen Rechenzentren wirksame Kühlsysteme und -methoden, um die Temperatur zu regulieren und um die ordnungsgemäße Funktion und Lebensdauer der Geräte zu gewährleisten. Diese Systeme transportieren die Wärmeenergie aus den IT-Räumen in die Außenumgebung.Seit Jahren ist Luft das wichtigste Medium für den Wärmeaustausch. Um die Wärmeenergie abzuführen, muss kühle Luft an jeder wichtigen Komponente vorbeiströmen. Dies wird durch Hochleistungslüfter und große Kühlkörper erreicht, die die Hauptlärmquellen in Rechenzentren darstellen.Heiße Luft – und viel LärmEin typisches Rechenzentrum hat einen Geräuschpegel von 70 bis 80 dB, manchmal werden bis zu 90 dB erreicht. Zum Vergleich: Ein typisches Gespräch findet bei 60 dB statt; Lärm vom Staubsauger beträgt zirka 75 dB; ein Wecker klingelt etwa mit 80 dB; eine anhaltende Lärmbelastung von über 85 dB kann zu dauerhaftem Hörverlust führen.Bei der klassischen Kühlung wird kühle Luft zunächst durch Bodenbelüftungsöffnungen in den Kaltgang des Rechenzentrums gepumpt. Anschließend strömt sie durch die Serverschränke und überträgt die Wärme in den Warmgang. Schließlich wird die erwärmte Luft durch Deckenlüftungsöffnungen angesaugt und durch Klimageräte für Computerräume gekühlt, wodurch sich der Kreislauf wiederholt. Abbildung 1 zeigt die schematische Darstellung dieses Kreislaufs.Abbildung 1: Klassische Luftkühlung im Rechenzentrum mit Kalt- und Warmgang.
Foto: CorningDa der Leistungsbedarf von Serverschränken in den letzten Jahren rapide von fünf bis sieben kW pro Schrank auf bis zu 50 kW und in einigen Fällen auf über 100 kW pro Serverschrank gestiegen ist, hat sich auch die von den IT-Geräten erzeugte Wärmemenge erhöht. Herkömmliche luftbasierte Kühllösungen können diese neue Realität nicht bewältigen, da die Wärmeübertragungskapazität von Luftmolekülen einfach zu gering ist.Die Industrie erwärmt sich für die FlüssigkeitskühlungAls Konsequenz entwickeln sich Wärmeübertragungsmedien auf Flüssigkeitsbasis in der gesamten Branche schnell zu einer praktikablen Lösung. Wasser hat zum Beispiel eine 1.000-mal höhere Kühlkapazität als Luft, da die Wassermoleküle enger beieinander liegen. Man kann jedoch nicht einfach Wasser in den Servern oder IT-Geräten zirkulieren lassen, wie es mit Luft gehandhabt wird. Es ist aber möglich, Wasser in isolierten Rohren und um die wärmeerzeugenden Komponenten von CPUs und GPU herum zirkulieren lassen, indem isolierte wärmeleitende Platten verwendet werden. Diese Methode hat sich in letzter Zeit weitestgehend durchgesetzt.Diese Art der Flüssigkeitskühlung erfordert Serverschränke, die mit vertikalen und horizontalen Flüssigkeitskühlverteilern ausgestattet sind. Außerdem müssen Server und Netzwerk-Switches anstelle von Kühlkörpern nun Flüssigkeitskühlplatten verwenden. Diese werden über ein dichtes Rohrleitungsnetz mit der Kühlmittelverteilungseinheit verbunden.Wenn wir einen Blick in einen flüssigkeitsgekühlten Serverschrank werfen, sehen wir eine Menge Rohre und Verteiler, die es bei luftgekühlten Servern nicht gibt. Bei einem Verteiler handelt es sich im Wesentlichen um ein größeres Rohr, das sich in mehrere Öffnungen verzweigt, die dann mit den kleineren Rohren, die von den Servern kommen, verbunden sind. Abbildung 2 zeigt die schematische Darstellung dieser Kühltechnologie.Abbildung 2: Flüssigkeitsgekühlter Serverschrank
Foto: CorningZwei Varianten von TauchkühllösungenDie Industrie hat Tauchkühllösungen in zwei Varianten entwickelt: Einphasen-Tauchkühlung (1PIC) und Zweiphasen-Tauchkühlung (2PIC).Bei der 1PIC-Lösung werden die Server vertikal in einem Kühlmittelbad aus einer dielektrischen Flüssigkeit auf Kohlenwasserstoffbasis installiert, die Mineralöl ähnelt (Abbildung 3). Die Kühlflüssigkeit überträgt die Wärme durch direkten Kontakt mit den Serverkomponenten. Die erwärmte Kühlflüssigkeit tritt dann oben aus dem Schrank aus und zirkuliert durch eine Kühlmittelverteilungseinheit. Diese ist mit einem Warmwasserkreislauf verbunden, welcher an ein externes Kühlsystem angeschlossen ist. Diese Art von Kühllösung erfordert es, eintauchfähige Server zu verwenden. Bei Lösungen mit Eintauchkühltank ist auch ein Anschluss an eine externe Pumpe und einen Kühlturm erforderlich, die das zurückfließende heiße Wasser aus dem System umwälzen und die Wärme an die Umgebung des Rechenzentrums abgeben.Abbildung 3: 1PIC-Flüssigkeitskühlung
Foto: CorningIn 2PIC-Systemen sind die Server in einem Bad aus einer speziell entwickelten Flüssigkeit auf Fluorkohlenstoffbasis versiegelt, die einen niedrigen Siedepunkt hat (oft unter 50 Grad Celsius) (Abbildung 4). Die von den Servern ausgehende Wärme bringt die umgebende Flüssigkeit zum Sieden. Das führt zu einem Phasenwechsel (von flüssig zu gasförmig), weshalb das Verfahren auch als Zweiphasen-Tauchkühlung bezeichnet wird. Der Dampf kondensiert dann in die flüssige Form zurück, wenn er die gekühlten Kondensatorspulen erreicht. Die kondensierte Flüssigkeit tropft zurück in das Flüssigkeitsbad und wird durch das System zurückgeführt.Abbildung 4: 2PIC-Flüssigkeitskühlung
Foto: CorningIn einem flüssigkeitsgekühlten Schrank bleibt zwischen Kühlrohren und -verteilern nur sehr wenig Platz für Anschlusstechnik der strukturierten Verkabelung. Bei Lösungen mit Eintauchkühlung ist es deshalb besser, die optischen Verbindungskomponenten außerhalb der Kühltanks unterzubringen. Eine Möglichkeit ist es, die erforderlichen optischen Verteilerfelder in Überkopf-Gehäuseträgern zu montieren und die Serverkonnektivität mit Hilfe von kurzen Patchkabeln herstellen, die nach unten zu den Serversystemen führen. Bei Tauchkühlungssystemen ist es außerdem wichtig, Kabel zu verwenden, die sich im Laufe der Zeit nicht zersetzen, wenn sie längere Zeit den in diesen Tanks verwendeten Flüssigkeiten ausgesetzt sind.Eine Flüssigkeitskühlung kann dazu beitragen, die Stromkosten für ein ganzes Rechenzentrum um bis zu 55 Prozent zu senken. Eine Reduzierung des Geräuschpegels der Server im Rechenzentrum wäre ebenfalls ein Bonus. Klar ist jedoch, dass mit zunehmender Erwärmung von Rechenzentren die Argumente für Flüssigkeitskühlsysteme immer stärker werden. (mb)Lesen Sie auch:Das Rechenzentrum in der WindkraftanlageSo funktioniert ein Rechenzentrum