Schätzungen zufolge werden Rechenzentren ab 2021 zwischen 1 und 3 Prozent der weltweiten Stromerzeugung verbrauchen. Ein erheblicher Teil dieses Stroms stammt, je nach geografischer Lage, aus fossilen Brennstoffanlagen. Um den CO₂-Fußabdruck von Rechenzentren zu reduzieren und die Betriebskosten zu senken, sollten neue Technologien implementiert werden, die die Kühlkosten des Rechenzentrums senken und die Power Usage Effectiveness (PUE) erhöhen.

Die aktuelle Generation von High-End-CPUs der großen Hersteller verbraucht zwischen 270 und 280 Watt pro Sockel (Stand Herbst 2021). Nimmt man die neuesten GPUs hinzu, die für KI-Anwendungen und Automatisierung verwendet werden, kann ein einzelner Server über 2 kW benötigen, um diese CPUs und GPUs zu kühlen. Während die Verwendung leistungsfähigerer Lüfter helfen kann, erreichen die Server einen Punkt, an dem eine Flüssigkeitskühlung erforderlich ist. Diese Implementierung kann die Systeme nicht nur besser kühlen, sondern auch die Klimatisierung für Rechenzentren reduzieren.

Optionen für die Flüssigkeitskühlung. Vor vielen Jahren wurden Supercomputer in eine spezielle Flüssigkeit getaucht, um die Komponenten zu kühlen. Mit fortschreitender Technologie setzte sich die Luftkühlung durch, aber mit dem jüngsten Anstieg der Leistung und der Wattzahl, die eine High-End-CPU braucht, sind neue Maßnahmen erforderlich.

Die beliebtesten Methoden zur Kühlung von CPUs und GPUs im Zusammenhang mit Flüssigkeitskühlung sind Direct-to-Chip (D2C), vollständige Systemimmersion und Wärmetauscher. Veranschaulichen wir dies wie folgt:

Direct-to-Chip: Bei dieser Methode wird die gekühlte Flüssigkeit über jede CPU oder GPU in ein geschlossenes System geleitet. Dann wird die wärmere Flüssigkeit zurück an die Kühleinheit geleitet, die die Flüssigkeitstemperatur wieder auf die angegebene Temperatur senkt, und der Kreislauf beginnt von neuem. Diese Methode ist momentan die beliebteste und die Kühleinheiten können in jedem Rack oder an einem zentralen Ort installiert werden. So kann die Flüssigkeitskühlung auf bestimmte Server oder ein bestimmtes Rack angewendet werden.
Immersionskühlung: Für die Tauchkühlung wird der gesamte Server in einen mit einer Flüssigkeit gefüllten Tank gestellt. Die kühlere Flüssigkeit, die sich am Boden des Tanks befindet, steigt auf, wenn sie sich über die heißen CPUs bewegt. Sobald sie oben im Tank angekommen ist, wird sie durch Pumpen entfernt und gekühlt. Bestimmte Serverfunktionen müssen deaktiviert werden, etwa die Lüfter, aber die meisten Server haben keine Einschränkungen, wenn sie in eine spezielle Flüssigkeit eingetaucht werden. Diese Methode entfernt Wärme am effizientesten, aber der Nachteil ist, dass zusätzlicher Raum innerhalb eines Rechenzentrums für diese Tanks benötigt wird.
Rear Door Heat Exchanger: Eng mit dem IT-Gehäuse gekoppelt, neutralisieren Wärmetauscher die Warmluft, bevor sie die kühle Zuluft beeinflussen kann. Dieser Systemansatz bietet Rechenzentrumsbetreibern eine konsistente und vorhersehbare Kühlung, um ihren sich ändernden IT-Anforderungen gerecht zu werden, obwohl technisch gesehen keine Flüssigkeitskühlung direkt an den CPUs verwendet wird. Wenn die warme oder heiße Luft aus den Servern kommt, wird die Luft über die kalten Spulen geleitet, damit sie gekühlt wird. Die nun wärmere Flüssigkeit in den Spulen wird einem Kühlsystem außerhalb des Racks zugeführt. Der Vorteil von RDHx besteht darin, dass es mit jedem Rack verwendet werden kann.

Kosten senken. Die Flüssigkeitskühlung reduziert die Betriebskosten, indem sie den Bedarf an Computerraumklimageräten (CRAC = Computer Room Air Conditioning) beseitigt oder verringert. Darüber hinaus können die Serverlüfter mit niedrigeren Geschwindigkeiten betrieben werden, was den Stromverbrauch weiter reduziert. Der PUE-Wert eines Rechenzentrums wird durch die Gesamtmenge Strom gemessen, der an ein Rechenzentrum geliefert wird. Während ein Wert von 1,0 bedeuten würde, dass die gesamte Leistung nur für die Datenverarbeitung und die zugehörige In-frastruktur verwendet wird, liegt ein typischer PUE-Wert im Bereich von 1,5 bis 1,8. Der PUE-Wert wird bei der Implementierung verschiedener Flüssigkeitskühltechnologien auf den Bereich von 1,10 bis 1,20 reduziert. Betriebswirtschaftlich gesehen kann die Verwendung von Flüssigkeitskühlung die Investitionskosten senken und Rechenzentrumsbetreibern die Aufrüstung von effizienteren Komponenten, oder den Kauf zusätzlicher Server und Speichersysteme, ermöglichen.

Supermicro Flüssigkeitskühllösungen. Supermicro verfügt über jahrelange Erfahrung bei der Lieferung flüssigkeitsgekühlter Server mit verschiedenen Technologien. Die Produktlinien BigTwin, SuperBlade, GPU und Ultra mit skalierbaren Intel®-Xeon®-Prozessoren der 3. Generation können problemlos mit einer Flüssigkeitskühlungsoption für maximale Leistung angepasst werden. In enger Kooperation mit Kunden und führenden Anbietern stellt Supermicro die optimalste Lösung, um den jeweiligen Workload zu liefern, zusammen. Durch das Supermicro-Rack-Plug-and-Play-Programm können Systeme, die eine Flüssigkeitskühlung einschließlich der gewünschten Flüssigkeitskühltechnologie erfordern, vor der Auslieferung vollständig getestet werden. Darüber hinaus sind die Produktionsstätten mit den neuesten Flüssigkeitskühloptionen ausgestattet.

Fazit. Die Wahl der am besten geeigneten Flüssigkeitskühltechnologie, ob D2C, Immersionskühlung oder RDHx, hängt von vielen Faktoren ab. Zum Beispiel, wenn es sich um eine Nachrüstung handelt, wie die Installation neuer Server in einem vorhandenen Rack. Ein RDHx-System wäre die beste Wahl für diese Umgebung. Wenn neue Server mehr als 1 kW Wärme erzeugen, wäre der D2C die beste Option, vor allem, wenn ein Server aus zwei CPUs und mehreren GPUs besteht. Eine immersive Kühlung ist die beste Wahl für Umgebungen, in denen Systeme voraussichtlich sehr heiß laufen und möglicherweise nicht genügend Zweiphasenkühlung für D2C oder ultimative Kühlung vorhanden ist.

Was auch immer die beste Lösung ist, die Flüssigkeitskühlung wird letztendlich die führende Technologie sein, um den neuesten und zukünftigen Generationen von CPUs gerecht zu werden. Während die Flüssigkeitskühlung heute für High-End-Cluster die optimale Lösung bietet, werden kommende CPUs und GPUs zweifellos neuartige Entwicklungen erfordern, um die Leistung zukünftiger Mikroprozessoren zu maximieren.

Dieter Bodemer,
Systems Solutions Manager
bei Supermicro

Weitere Informationen:
https://www.supermicro.com/en/solutions/liquid-cooling

Illustration: © cd-design.co/shutterstock.com

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Dieter Bodemer, Systems Solutions Manager bei Supermicro

Weitere Informationen: https://www.supermicro.com/en/solutions/liquid-cooling

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Dieter Bodemer,
Systems Solutions Manager
bei Supermicro

Weitere Informationen:
https://www.supermicro.com/en/solutions/liquid-cooling