Das Wärmemanagement in Rechenzentren lässt sich grob anhand des Kühlmediums in zwei Typen unterteilen: Flüssigkeitskühlung und Luftkühlung. Obwohl die Flüssigkeitskühlung in den letzten Jahren an Popularität gewonnen hat, bleibt die Luftkühlung die traditionelle und am weitesten verbreitete Methode, da sie mehrere Vorteile bietet:
Benutzerfreundlichkeit: Luftkühlungssysteme sind relativ einfach zu installieren und zu bedienen. Sie nutzen in der Regel Lüfter oder Kühlkörper zur Wärmeabfuhr von den Komponenten und sind daher leicht zugänglich und einfach anzuwenden. Die Vertrautheit und Einfachheit von Luftkühlungssystemen machen sie besonders praktisch für Rechenzentrumsbetreiber.
- Bewährter Erfolg: Luftkühlung hat sich im Wärmemanagement von Rechenzentren seit Langem bewährt. Viele Endnutzer von Rechenzentren haben erhebliche Ressourcen in den Aufbau und die Optimierung luftgekühlter Infrastrukturen investiert.
- Flüssigkeitsfreier Betrieb: Im Gegensatz zu Lösungen, die auf Kältemittel und Flüssigkeitszirkulation angewiesen sind, kommt die Luftkühlung ohne flüssigkeitsbezogene Komponenten und Infrastruktur aus. Dadurch werden Risiken wie Leckagen, Pumpenausfälle oder Kältemittelverdampfung vermieden. Der Verzicht auf Flüssigkeit in Luftkühlsystemen vereinfacht die Wartung und reduziert die Wahrscheinlichkeit von Störungen oder Betriebsunterbrechungen.
Trotz der Vorteile der Luftkühlung schränkt deren geringe spezifische Wärmekapazität ihre Effektivität bei der Deckung des steigenden Kühlbedarfs moderner Rechenzentren ein. Um dieser Herausforderung zu begegnen, hat sich die Flüssigkeitskühlung als praktikable Lösung etabliert. Sie nutzt die höhere spezifische Wärmekapazität von Flüssigkeiten und ist dadurch deutlich effektiver bei der Wärmeabfuhr. Es gibt zwei gängige Arten der Flüssigkeitskühlung: die Direktkühlung des Chips (Kühlplattenkühlung) und die Immersionskühlung.
Bei der Kühlung mit einer Kühlplatte wird diese direkt auf den Wärmequellen, wie z. B. CPU und GPU, montiert. Zwischen den Platten befindet sich eine Schicht Wärmeleitpaste (TIM). Das Kühlmittel im Inneren der Kühlplatte absorbiert die Wärme und leitet sie von den Komponenten ab.
Bei der Immersionskühlung hingegen werden die Wärmequellen in ein Kühlmittel eingetaucht, was einen direkten Kontakt und eine effiziente Wärmeabfuhr ermöglicht.
Die Zusammenarbeit zwischen Serverherstellern und Kühlplattenherstellern hat die Verbreitung der Kühlplattenkühlung beschleunigt. Integrierte Lösungen (Server mit vorinstallierten Kühlplatten) werden direkt an Endkunden angeboten. Obwohl die Direktkühlung des Chips eine hohe Leistungsfähigkeit bewiesen hat, war die begrenzte Erfahrung von Endkunden mit der Integration von Kühlplatten in ihre Standardserver ein limitierender Faktor für ihre Verbreitung. Ein Beispiel für diese Art der Zusammenarbeit ist die Partnerschaft von CoolIT Systems mit Intel zur Entwicklung von Direktkühlungslösungen speziell für Intel Xeon Scalable CPUs. Durch die Nutzung dieser Kooperationen und integrierten Lösungen profitieren Endkunden von der Kühlplattenkühlung, einschließlich verbesserter Effizienz und reduziertem PUE-Wert (Partial Power Usage Effectiveness), ohne die Komplexität der Integration.
Eine weitere aufstrebende Flüssigkeitskühltechnologie ist die Immersionskühlung, die eine hervorragende Wärmeabfuhr mit nachgewiesenen pPUEs von bis zu 1,01 bietet. Allerdings haben mehrere Probleme die breite Anwendung der Immersionskühlung bisher eingeschränkt:
Komplexität: Immersionskühlung erfordert erhebliche Modifikationen an bestehenden Server-Motherboards. Da die Server direkt in das Kühlmittel eingetaucht werden, müssen Faktoren wie die Materialverträglichkeit zwischen Servern und Kühlmittel berücksichtigt werden, was den Implementierungsprozess komplexer und verteuert.
Mangelnde Erfahrung: Die Immersionskühlung befindet sich noch in der Entwicklungsphase, und dem Markt fehlt es an ausreichendem Wissen und Erfahrung in der Implementierung und im Management dieser Technologie.
Hohe Investitions- und Wartungskosten: Die Umrüstung bestehender luftgekühlter Rechenzentren auf Immersionskühlung kann kostspielig sein. Die Immersionskühlung weist zudem die höchsten Investitionskosten (CAPEX) pro Watt auf. Darüber hinaus können die laufenden Wartungs- und Betriebskosten im Vergleich zu anderen Kühlmethoden höher sein. Aufgrund der effizienten Wärmeableitung sind die langfristigen Energieeinsparungen jedoch ein Vorteil für Rechenzentrumsbetreiber.
Begrenzte Nachfrage: Obwohl der Energiebedarf von Rechenzentren steigt, ist IDTechEx der Ansicht, dass eine Kombination aus Luftkühlung und Direktkühlung des Chips den kurz- und mittelfristigen Kühlbedarf für wichtige Anwendungen ausreichend decken kann. Derzeit besteht kein dringender Bedarf an Immersionskühlung auf dem Markt.
Teilenergienutzungseffektivität (pPUE) von Rechenzentrumskühlungskonzepten. Quelle: IDTechEx
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Nachfrage nach höherer Kühlleistung das rasante Wachstum der Flüssigkeitskühlung, insbesondere in Form der direkten Chip-/Kühlplattenkühlung, vorantreibt. Dieses Wachstum eröffnet zahlreiche Chancen für Serverhersteller, Rechenzentrumsbetreiber, Kühlmittellieferanten und Anbieter von Kühlmittelverteilungseinheiten (CDUs) und Pumpen. Die Immersionskühlung hingegen wird voraussichtlich zunächst von großen Unternehmen wie Microsoft und Meta eingesetzt. Eine breite Akzeptanz dürfte jedoch aufgrund von Faktoren wie hohen Kosten, begrenztem technischem Know-how und Wartungsaufwand einige Zeit in Anspruch nehmen. Die Zusammenarbeit der Unternehmen entlang der Lieferkette für Immersionskühlung in Rechenzentren ist für eine flächendeckende Implementierung entscheidend. Dennoch bietet die Immersionskühlung erhebliche Chancen für verschiedene Unternehmen, darunter auch Kühlmittellieferanten. Weitere Informationen finden Sie im aktuellen Bericht von IDTechEx zum Thema „Thermales Management in Rechenzentren 2023–2033“.
Autorin: Yulin Wang, Technologieanalystin bei IDTechEx
