Wasserkühlung im Rechenzentrum

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Die CPU als Durchlauferhitzer

© Cloud&Heat Technologies GmbH

Robert Pawlik und Franziska Büttner, Cloud&Heat Technologies GmbH

Bei herkömmlichen Rechenzentren liegt die durchschnittliche Leistungsdichte pro Rack seit circa zehn Jahren bereits bei etwa 5 kW pro Rack. Experten von Emerson Network Power prognostizieren jedoch einen Anstieg auf durchschnittliche 50 kW pro Rack bis 2025. Ob das zu halten sein wird, ist zwar umstritten, doch über die Richtung der Reise herrscht Einigkeit: Die Leistungsdichte in Serverracks muss steigen. Damit das möglich wird, ist jedoch ein tief greifender Wandel in der physischen Umgebung von Rechenzentren nötig.

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Wachstumsgrenze CPU-Temperatur

Wichtigster Faktor der steigenden Rechenleistung ist die Central Processing Unit. Die rasante Entwicklung der CPU-Power in den vergangenen Jahrzehnten bringt die Branche mittlerweile jedoch temperaturtechnisch an ihre Grenzen. Die Transistoren wandeln praktisch die gesamte elektrische Energie in Wärme um, deshalb gehören vor allem die Hitzeentwicklung und die dazu gehörige Kühlung zu den limitierenden Faktoren. Die maximal abgegebene Wärmeleistung einer CPU geben die Hersteller als TDP-Wert (Thermal Design Power) an.

Die TDP-Entwicklung (Thermal Design Power) von CPUs 2006 bis 2016. (Bild: Cloud&Heat Technologies)

Ein Rechenbeispiel macht das Problem deutlich: Eine heutige CPU produziert bereits mehr Wärme als eine handelsübliche Herdplatte. Intels Serverprozessorgeneration der Broadwell-EP-Reihe, Intel Xeon E5-2600 v4, hat bis zu 7,2 Milliarden Transistoren und 22 Prozessorkerne. Die aktive Fläche des Prozessors beträgt dabei lediglich 456 mm². Die TDP wird bei diesem, in der Branche sehr weit verbreiteten Prozessortypen, mit 145 W angegeben; die Wärmeleistung dieser CPU beträgt somit 31 W/cm². Dagegen hat eine moderne Induktionskochherdplatte bei einem Durchmesser von 18 cm und einer Leistung von 2 kW nur eine Leistungsdichte von 8 W/cm². Das heißt, dass die Leistungsdichte der CPU fast viermal so hoch wie die der Herdplatte ist.

Wasserkühlung direkt am Server

Das skalierbare Datacenter in a Box von Cloud&Heat übergibt die Serverenergie zu 100 % an den Wasserkreislauf. (Bild: Cloud&Heat Technologies)

Höhere TDP-Werte stellen zwangsweise auch höhere Anforderungen an das Kühlsystem. Bisher werden für die meisten Rechenzentren konventionelle Luftkühlsysteme genutzt, die kalte Luft erzeugen und durch einen Zwischenboden zum Server leiten. Die kalte Luft wird vom Rack eingesaugt, nimmt dort die Wärme auf und wird anschließend durch Lüfter an der Rückseite wieder an die Umgebung abgegeben. Das wirft in der Praxis eine Reihe von Problemen auf. Am schwersten wiegt jedoch, dass klassische Luftkühlungssysteme vor allem eines sind: energiehungrig. Nicht selten ist deshalb die Kühlung für rund 40 % der für den Betrieb notwendigen Rechenzentrumsenergie verantwortlich. Dies ist nicht nur im Hinblick auf ein ressourcenschonendes Wirtschaften problematisch, sondern führt aufgrund steigender Energiekosten auch zu einem zunehmenden finanziellen Druck für die betreibenden Unternehmen.

Darum gibt es seit geraumer Zeit Ansätze, die Kühlleistung durch wasserführende Systeme zu erhöhen. Hier macht man sich einige physikalische Vorteile des Wassers gegenüber der Luft zunutze: Die Wärmekapazität von Wasser ist um den Faktor 3300 höher und die Wärmeleitfähigkeit ist in etwa 20-mal höher als die der Luft. Wasser kann also ein Vielfaches an Wärme aufnehmen – ein Effekt, der sich verstärkt, je näher das Kühlmedium an die Wärmequelle gelangt. Durch intelligenten Aufbau schafft man eine konzentrierte Kühlung von sensiblen Bauteilen, namentlich der CPU. Aufgrund der höheren Kühlleistung sind dabei Leistungsdichten von 45 kW pro Rack möglich, und zwar bei einer gleichzeitigen Reduktion des Energieverbrauchs.

Lohnend sind vor allem Systeme, die das erwärmte Wasser aus der RZ-Klimatisierung an anderer Stelle nutzen können. Durch die relativ hohen Temperaturen in den Server-Racks sind Wasserausgangstemperaturen von derzeit bis zu 55° C möglich. Wasser auf diesem Temperaturniveau kann man beispielsweise für das Warmwasser- oder das Heizungssystem des Gebäudes nutzen und spart somit Energie an anderer Stelle ein. Für solche Zwecke gibt es bereits Komponenten und skalierbare Systeme, mit denen sich die Power Usage Effectiveness der Gesamtanlage signifikant steigern lässt.

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Cloud&Heat ist ein mehrfach preisgekrönter Dresdner Anbieter von Cloud-basierte Rechenleistungen, deren Abwärme zum Heizen von Gebäuden und zum Erwärmen von Wasser genutzt wird. Die Server werden dafür nicht in zentralen Rechenzentren, sondern dezentral in den zu beheizenden Immobilien istalliert. Cloud&Heat verbindet damit die Märkte für Server-Rechenleistungen und Wärme auf intelligente Weise und bietet ein effiziente Green-Tech-Alternative: Die Server-Heizungen verringern Umweltbelastungen im Wärmemarkt, gleichzeitig können die Rechenleistungen im stetig wachsenden Markt für Cloud Computing besonders preiseffizient angeboten werden.


Cloud&Heat Technologies GmbH, Zeitenströmung – Halle 15, Königsbrücker Str. 96, 01099 Dresden, Tel.: 0351-4793670100, info@cloudandheat.com, www.cloudandheat.com

Optimale Power Usage Effectiveness

Es ist absehbar, dass die Anforderungen an Rechenzentren im Wettbewerb die Leistungsdichte weiter steigern. Ebenso absehbar ist, dass die reine Luftkühlung dafür nicht mehr ausreichen wird. Eine aussichtsreiche und bereits gut entwickelte Lösung sind direkt wassergekühlte Systeme, die nicht das Rack in Angriff nehmen, sondern die Server selbst. Zwar scheuen immer noch viele Rechenzentrumsplaner die Schwierigkeiten von Wasser in der IT, ein Umdenken hat jedoch bereits begonnen. Die Zukunft des Marktes für wassergekühlte Systeme wird deshalb nicht mehr nur im High-Performance-Sektor (Universitäten und HPC-Rechenzentren) liegen, sondern vor allem aufgrund des geringen Energiebedarfs und der damit verbundenen Kostenvorteile vermehrt auch ihre Anwendung in klassischen Serverräumen finden.

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Schwarz auf weiß: Dieser Beitrag erschien zuerst in unserer Magazinreihe. Einen Überblick mit freien Download-Links zu sämtlichen Einzelheften bekommen Sie online im Pressezentrum des MittelstandsWiki.

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