Liquid Cooling in Rechenzentren

Klimaanlage war gestern

23. Dezember 2022, 7:00 Uhr | Elisabeth Maller/jos
Direktkontakt-Flüssigkeitskühlung und Coldplate auf einer CPU.
Direktkontakt-Flüssigkeitskühlung und Coldplate auf einer CPU.
© nVent

Immer höhere Prozessorleistung und -dichte, zunehmende Vernetzung und empfindliche Server-Räume: Die Wahl des richtigen Kühlkonzepts ist entscheidend, um thermisch bedingte Störungen, höheren Energieverbrauch und Ausfälle von IT-Geräten zu vermeiden. Ein neuer (alter) Trend heißt Liquid Cooling.

Marktanalysen zeigen: Alle zwei Jahre verdoppelt sich das Datenvolumen. Der weltweite Umsatz des Datacenter-Markts wird bis 2030 auf über 517 Milliarden Dollar ansteigen. Im Jahr 2020 betrug er noch 187, 35 Milliarden Dollar (Quelle: Allied Market Research). Deutschland ist weltweit hinter den USA mit 484 Datacentern die Nummer zwei – noch vor China (Quelle: Statista, Zählweise der Institute abhängig von der RZ-Größe).

Je wichtiger Rechenzentren und Vernetzung sind, desto entscheidender ist insgesamt eine effiziente Kühlung, die vor Ausfällen schützt und Temperatur und Luftfeuchtigkeit präzise kontrolliert. Denn Hitze kann maßgeblicher Verursacher von Ausfällen sein und entscheidet über die Langlebigkeit von IT-Equipment. Gleichzeitig stehen Rechenzentren unter dem zunehmenden Druck, ihre Energieeffizienz zu verbessern und nachhaltiger zu arbeiten. Die gestiegenen Energiepreise legen erst recht nahe, den Stromverbrauch zu minimieren. Um diesen Anforderungen gerecht zu werden, ersetzen Flüssigkeitskühlsysteme bereits in vielen Installationen auf der ganzen Welt herkömmliche White-Space-Kühltechnik.

„Mit Hilfe von Flüssigkeitskühlung können Rechenzentren ihre Kapazität erhöhen, Ausfälle vermeiden und effizient Raum und Energie nutzen“, erklärt in diesem Zusammenhang Mustafa Karabuz, Vice President und General Manager bei nVent Schroff, einem Anbieter von Lösungen für kritische Kommunikations- und Elektroniksysteme. „Darüber hinaus werden viele Prozessoren und Komponenten der nächsten Server-Generationen speziell für die Flüssigkeitskühlung entwickelt.“ Deshalb entstehen laut Karabuz vermehrt neue Rechenzentren mit einer Flüssigkeitskühlungsinfrastruktur.

Moderne Cooling-Systeme müssen nicht mehr an ein raum- oder reihenbasierende Umluftsystem angeschlossen sein, sondern funktionieren zuverlässig gemäß dem Liquid-to-Liquid-Prinzip oder Liquid-to-Air-Prinzip. Der Vorteil: Die Kühlung ist da, wo die Wärme entsteht. „Es gibt verschiedene Arten der Flüssigkeitskühlung. Es gilt, je nach Bedarf und Möglichkeiten abzuwägen, welche die passendste Lösung für ein Unternehmen ist“, erklärt Karabuz weiter.

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Mustafa Karabuz
Mustafa Karabuz: „Wasser hat eine Wärme-Leitfähigkeit, die 3.500-mal höher ist als die von Luft. Dies können wir uns zu Nutze machen.“
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Liquid-to-Liquid-Variante

Die direkte Liquid-to-Liquid-Variante ist laut dem Experten am effektivsten. Dabei wird die Wärme von den Server-Komponenten direkt auf eine Flüssigkeit übertragen und durch zusätzliche Flüssigkeitsleitungen in einen Wärmetauscher abgeführt. Dies erfordert Flüssigkeitsleitungen, Ventile und Anschlüsse, die an verschiedenen Stellen im Rack und im gesamten Rechenzentrum installiert sind. Dementsprechend sind die anfänglichen Investitionen höher. Langfristig zahlen sie sich jedoch durch verbesserte Leistung, Kapazität, Zukunftssicherheit und Energieeffizienz aus, wie Karabuz ergänzt.
Die Umrüstung bestehender Anlagen auf eine vollständige Flüssigkeit-zu-Flüssigkeitkühlung stellt Betreiber von Rechenzentren jedoch vor eine Herausforderung. Oft ist es nicht möglich oder zumindest mit enormen Kosten verbunden, die Flüssigkeitsinfrastruktur in bestehende Gebäude zu integrieren. Doch es gibt weitere Lösungsmethoden. „Einige Rechenzentren sind an Flüssigkeitskühlung interessiert, verfügen aber nur über eine Luftkühlungsinfrastruktur. Für sie gibt es die Alternative Liquid-to-Air-Kühlung“, so Karabuz. Mit der Flüssigkeit-zu-Luft-Kühlung können Rechenzentren IT-Geräte effektiv kühlen und dabei die vorhandene Luftkühlungsinfrastruktur nutzen, ohne massive Änderungen des Rechenzentrums-Layouts durchzuführen.

Wie bei der Flüssigkeit-zu-Flüssigkeit-Kühlung erfolgt der Kühlvorgang bei der Flüssigkeit-zu-Luft-Kühlung für Prozessoren und Server-Komponenten entweder durch direkten Kontakt mit der Flüssigkeit (Cold Plate) oder durch Eintauchen (Immersion) in die Flüssigkeit. Die Flüssigkeit zirkuliert innerhalb des Server-Gehäuses und des Racks und überträgt die Wärme über einen intelligenten Wärmetauscher. Je nach Art des Wärmetauschers kann entweder die Luftkühlungsinfrastruktur die Wärme aus dem Raum ableiten, oder eine Coolant-Distribution-Unit übergibt die Wärme an die Flüssigkeitsinfrastruktur des Gebäudes. Unternehmen wie nVent bieten mehrere Optionen für intelligente Wärmetauscher mit integrierten Pumpeneinheiten und Sensorik für direkte Flüssigkeits-Kühlsysteme an.

Cloud-Anbieter mit hohem Bedarf an Rechenzentren erweitern das Service-Angebot für ihre Kunden, und KI-Anwendungen erfordern fortschrittlichere Techniken. Rechenzentren müssen daher mit einer steigenden Nachfrage an Flüssigkeitskühlung rechnen, so der nVent-Experte weiter. Hybride Flüssigkeit-zu-Luft-Kühlsysteme sollen dann den optimalen Schutz für kritische Infrastrukturen bieten. Sie haben laut Karabuz nur minimale Auswirkungen auf die bestehende Rauminfrastruktur und erfordern nur geringe Anfangsinvestitionen.

Ein weiteres Stichwort lautet Hybridkühlung. Dabei erfolgt eine selektive Kühlung der energieintensivsten Server-Komponenten mit einer Direktkontakt-Flüssigkeitskühlung, während der Rest über einen Luftkreislauf mit einem Luft-Wasserwärmetauscher, wie etwa über eine Rücktürkühlung (Rear Door Cooler, RDC) gekühlt wird. Flüssigkeitskühlungen können laut nVent die Luftkühlungen in Zukunft ablösen. Leistungsstärkere Prozessoren und Bauteile kommen an die physikalischen Grenzen der Luftkühlung. Hinzu komme, dass sich auch bei Servern mit weniger Rechnerleistung durch den Einsatz von Flüssigkeitskühlung enorme Effizienzgewinne und Energieeinsparungen erzielen lassen.

Für bedarfsgerechte Lösungen unter oft schwierigen Umgebungsbedingungen sei allerdings ein erfahrener Partner in der Planung und Installation notwendig. „Es braucht eine umfangreiche, fundierte Beratung bei der Spezifikation des Kühlungskonzepts, mit individuellen Server-Konfigurationen, spezifischen Umgebungsparametern, und Bewertung der Betriebszeiten, um die geeignetste und energieeffizienteste Lösung zu finden“, so Karabuz.

Fazit

Neue Kühltechniken bereiten den Weg für eine effizientere Nutzung von Raum und Ressourcen und stellen eine hohe Verfügbarkeit sicher. Der Übergang zu Liquid-Cooling-Lösungen lässt sich individuell gestalten und an die jeweiligen Startbedingungen eines Unternehmens anpassen.

Elisabeth Maller ist freie Journalistin in München.


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