Von Andy Smith
Rechenzentren bilden das Rückgrat nahezu jeder modernen Branche. Sie sorgen für Systembetrieb, Datenspeicherung, Konnektivität und Kommunikation – weltweit. Telekommunikation, E-Commerce, Medien, Gesundheitswesen, Finanzen, Bildung, Sicherheit und Fertigung werden von Rechenzentren unterstützt. Das Wärmemanagement ist jedoch gerade für Rechenzentren eine Herausforderung, der häufig nicht die nötige Aufmerksamkeit zuteil wird.
Dieser Artikel befasst sich mit Kühltechniken für Platinen, Subsysteme und Systeme, die für einen effizienten und effektiven Betrieb von Rechenzentren erforderlich sind.
Warum Kühlsysteme für Rechenzentren von entscheidender Bedeutung sind
Das Wärmemanagement ist für Rechenzentren unverzichtbar, um Zuverlässigkeit und Energieeffizienz sicherzustellen, Datenverluste zu verhindern, Leistung, Sicherheit, Kosten und betriebliche Effizienz zu optimieren sowie Umweltbeeinträchtigungen zu minimieren.
Ein effizientes Wärmemanagement stellt sicher, dass die einzelnen elektronischen Komponenten in den optimalen Temperaturbereichen arbeiten, und optimiert zudem den komponentenspezifischen Stromverbrauch. Wenn die Temperatur von Komponenten steigt, erhöht sich auch ihr Innenwiderstand. Das kann die Leistung verringern oder den Gesamtstromverbrauch erhöhen. Eine unzureichende Kühlung von Komponenten kann zu einem massiven Anstieg des Energieverbrauchs für den Rechenbetrieb führen. Übermäßig kühlende oder ineffiziente Kühlsysteme können andererseits unnötigen Energieverbrauch verursachen, während sie die benötigte Rechenleistung aufrechterhalten.
Die Kosten für Rechenzentren sind direkt an den Energieverbrauch gekoppelt. Effiziente Strategien für das Wärmemanagement reduzieren die Betriebskosten. Indem sie die Energiekosten für das Kühlsystem im Verhältnis zu den Stromkosten für die Rechenleistung optimieren, können die Betreiber von Rechenzentren die Betriebskosten minimieren und die Anforderungen an die Rechenleistung erfüllen.
Die drei Kühlebenen für Rechenzentren
Kühlung auf Platinenebene
Die Wärme in Rechenzentren wird primär von Prozessoren – CPU, GPU und TPU – erzeugt. Für diese Platinenkomponenten ist eine wirksame Ableitung der entwickelten Wärme erforderlich, damit die zulässigen internen Temperaturen nicht überschritten werden.
Die gebräuchlichsten Verfahren zur Platinenkühlung nutzen Luft als Kühlmedium. Platinen in Rechenzentren nutzen Vorrichtungen wie passive Kühlkörper, Wärmerohre, Dampfkammern, aktive Lüfter und Gebläse zur Luftkühlung.
Ein Flüssigkeitskühlsystem kann verwendet werden, wenn luftgekühlte Wärmemanagementsysteme nicht ausreichen, um die Komponenten zu kühlen. Flüssigkeitsgekühlte CPU, GPU, ASIC und Rechenbeschleuniger werden in Rechenzentren mit hoher Dichte und speziellen Hardwareanforderungen eingesetzt, die Wärme jenseits der Kapazität herkömmlicher Kühlmethoden erzeugen. Flüssigkeitskühlung leitet Wärme besser ab und kommt deshalb beispielsweise bei Hardware für Hochleistungscomputing (HPC) wie KI-Training, wissenschaftliche Simulationen, komplexe Datenanalysen und Grafikrendering zum Einsatz.
Subsystemkühlung
Flüssigkeitskühlung kann für ganze Rechenzentren genutzt werden. Dies geschieht aufgrund der hohen Komplexität und der Kosten aber nur selten. Viele Rechenzentren setzen abschnittsweise unterschiedliche Kühlverfahren ein. Bei lokalen Flüssigkeitskühlsystemen wird die aufgenommene Wärme meist von der Flüssigkeit an die Luft abgegeben und dann über die Luftkühlungssysteme des Rechenzentrums abgeführt.
Das Management des Luftstroms ist für das Wärmemanagement von Rechenzentren insgesamt eine sehr wichtige Technik. Da die meisten Platinen in Rechenzentren in Racks angeordnet sind, können Kühlsysteme für Racks aus speziellen Kühlvorrichtungen oder im Rack montierten Lüftern bestehen, die den Luftstrom aus einem Bereich des Rechenzentrums in einen anderen leiten.
Rechenzentren werden typischerweise in „warme“ und „kalte“ Gänge unterteilt: eine Serverseite ist also zum kalten, die andere zum warmen Gang gerichtet. Kühleinheiten und Lüfter für Racks saugen Luft aus den kalten Gängen an und leiten sie durch das Rack, um die Platinen und Komponenten zu kühlen. Dann wird die Luft in die warmen Gänge geleitet. HAC(Hot Aisle Containment)-Lösungen kapseln die Gänge mit physischen Barrieren und Türen, um zur Steigerung der Effizienz die Vermischung der warmen Luft mit der gekühlten oder auf Umgebungstemperatur befindlichen Luft zu minimieren.
Eine Alternative zur Luftkühlung der Racks sind Vorrichtungen für die Kaltwasserverteilung oder Flüssigkeitskühlung (CDU und LCDU), die Wasser durch das gesamte Rack zirkulieren und zu den Flüssigkeitskühlern der Komponenten leiten. CDU bestehen aus Kühlmittelkreislauf, Pumpe und Steuersystem, damit die Kühlflüssigkeit nach Bedarf verteilt wird. Dazu kommt ein Wärmetauscher, der die im Rack erzeugte Wärme zum Luft- oder Flüssigkeitskühlsystem des Rechenzentrums abführt.
Die Flüssigkeitstauchkühlung ist das am seltensten eingesetzte Kühlverfahren für Subsysteme in Rechenzentren. Es findet nur für Hochleistungsrechner und Technologiesektoren Verwendung. Bei diesen Systemen werden ganze Serverhardwaresysteme in dielektrischen Flüssigkeiten platziert, damit alle Platinenkomponenten gleichzeitig direkt gekühlt werden. Dieses Kühlverfahren zeichnet sich durch überlegene Kühlleistung aus, benötigt aber eine spezielle Infrastruktur und lässt sich nicht so unproblematisch wie Luft- oder Kaltwasserkühlsysteme skalieren. Zudem sind dielektrische Flüssigkeiten teuer, kompliziert in der Pflege, gegebenenfalls umweltschädlich und tendieren zur Zersetzung. Deshalb kommen sie in den meisten Rechenzentren nur ausnahmsweise zur Anwendung.
Lösungen auf Systemebene
Das Kühlen eines Rechenzentrums macht Weitblick in Bezug auf die Infrastruktur, den Energieverbrauch und die Planung des Standorts erforderlich. Abhängig von Temperatur, Feuchte und Umgebungsbedingungen in der Einrichtung kommen mehrere Systeme zum Einsatz. Die Auswahl der Systeme erfolgte branchenabhängig und nach Maßgabe der erwarteten Nutzung/Auslastung des Rechenzentrums.
Präzisionsklimaanlagen
Präzisionsklimaanlagen wie CRAC(Computer Room Air Conditioners)-Einheiten sind die wohl gebräuchlichsten Kühlsysteme für Rechenzentren. CRAC-Einheiten werden in Rechenzentren eingesetzt, die gekühlte und gerichtete Luft zum Kühlen der Racks verwenden. Sie Luft wird von einem zentralen Kühlkreislauf bereitgestellt, der die erwärmte Luft an die Umgebung abgibt.
CRAC-Einheiten erlauben eine präzise Temperatur- und Feuchtesteuerung sowie die Filterung der Luft. Letzteres ist für empfindliche Anlagen und für die Datenspeicherung unverzichtbar, für HPC-Anwendungen aber weniger geeignet. Die Kühlluftverteiler von CRAC-Einheiten können in allen Konfigurationen implementiert werden – von Lösungen mit kalten und warmen Gängen bis hin zu Aufwärtsstromsystemen. Präzisionsklimaanlagen kommen insbesondere in Rechenzentren für Banken, Gesundheitsfürsorge, Technologie, E-Commerce und Unterhaltungszwecke zum Einsatz, die sich durch einen hohen Datenspeicherungsanteil, relativ gleichmäßigen täglichen Bedarf und nur wenige HPC-Racks auszeichnen.
Beispiel einer Aufwärtsstromkonfiguration zum Kühlen von Racks
Kaltwassersysteme
Kaltwassersysteme basieren auf Wasser als Kühlmedium, das durch das gesamte Rechenzentrum zirkuliert wird. Diese Systeme werden auch als hydronische Kühlsysteme bezeichnet und insbesondere in Branchen mit hoher Rechenlast oder in sehr großen Rechenzentren eingesetzt, weil sie sich gut skalieren lassen. Kaltwassersysteme sind effizienter. Weil sie deutlich größere Wärmemengen als Klimaanlagen abführen können, sind sie auch zur Bewältigung der unterschiedlichen, im Tagesverlauf anfallenden Wärmemengen geeignet.
Kaltwassersysteme zeichnen sich außerdem durch eine hohe Zahl von Redundanzen aus, wodurch die Systeme insgesamt zuverlässiger werden. Der Nachteil bei Kaltwassersystemen besteht darin, dass höhere Investitionskosten anfallen. Die zentrale Anlage, die Wasserleitungen und die Kühlsysteme für die Racks sind teurer als herkömmliche, auf Klimaanlagen basierende Kühlsysteme. Zudem besteht bei diesen Systemen die Gefahr von Lecks. Sie müssen deshalb professionell errichtet und gewartet werden, damit die wertvolle Serverhardware nicht beschädigt wird.
Aufgrund der Zuverlässigkeit, Skalierbarkeit und höheren Leistung bei der Abführung von Wärme kommen Kaltwassersysteme typischerweise in Sektoren wie Telekommunikation, staatliche Verwaltung, Energie-/Versorgungsunternehmen, Sicherheit, Produktion und Wissenschaft zum Einsatz. Kaltwassersysteme stellen das bevorzugte Kühlverfahren für Systeme mit hoher Rechenlast – ob durch Komponentendichte oder Gesamtgröße – dar.
Freie Kühlsysteme
Freie Kühlsysteme nutzen die Umgebungsbedingungen, um Rechenzentren zu kühlen. Freie Kühlsysteme werden eingesetzt, wenn die Energieeffizienz Priorität hat. Sie minimieren die Abhängigkeit von mechanischen Kühlsystemen. Diese Systeme saugen kalte Außenluft an, filtern diese, nutzen sie zum Kühlen der Racks im Rechenzentrum und geben die erwärmte Luft dann wieder an die Umgebung ab. Diese Systeme können nur eingesetzt werden, wenn das Rechenzentrum in einer geeigneten Umgebung steht. Sie sind deshalb seltener und werden in erster Linie für ausgewählte Branchen verwendet, die mit relativ niedriger Rechenlast auskommen.
Rechenzentren müssen gekühlt werden
Die meisten Rechenzentren werden mit einer herkömmlichen Klimaanlage oder einem Kaltwassersystem gekühlt. Die Entscheidung für eines dieser Systeme hängt von Faktoren wie der Wärmeerzeugung des Rechenzentrums, dem verfügbaren Platz, dem geografischen Standort und dem verfügbaren Budget ab. Moderne HPC-Rechenzentren können mit komplexen Flüssigkeitstauchkühlsystemen für das Wärmemanagement ausgestattet werden. Diese Systeme stellen die leistungsfähigste Lösung für das Wärmemanagement darf. Aufgrund ihrer Kosten und Komplexität bleiben sie aber selten. Die weitgehend anwendungsspezifische Auslegung von Kühlsystemen für Platinen, Subsysteme und Rechenzentren ergibt sich in erster Linie aus den Anforderungen der jeweiligen Branche in Bezug auf Rechenleistung, Skalierbarkeit, Zuverlässigkeit und Energieeffizienz. Dessen ungeachtet sind Lösungen für das Wärmemanagement für den Betrieb moderner Rechenzentren unverzichtbar.
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