Direct Liquid Cooling: Der neue Goldstandard für Rechenzentren

IT-Systeme in Rechenzentren werden immer leistungsfähiger – und erzeugen immer mehr Abwärme. Dies erfordert neue Kühltechnologien, die nicht nur effizient, sondern auch nachhaltig sind. Besonders interessant ist hier das sogenannte Direct Liquid Cooling. Es hat viele Vorteile, bringt aber auch einige Herausforderungen bei der Implementierung mit sich.

Steigender Bedarf an Kühlung in Rechenzentren

Mit dem Aufkommen von künstlicher Intelligenz (KI), maschinellem Lernen (ML) und High-Performance-Computing (HPC) stehen Rechenzentren vor noch nie dagewesenen Herausforderungen. Die Anforderungen an Kühlung steigen rasant an – manchmal muss sie bis zu zehnmal höher als bei herkömmlichen Systemen sein - während gleichzeitig das Energieeffizienzgesetz Betreiber zu integrierten Lösungen für Wärmerückgewinnung verpflichtet. Effiziente, nachhaltige Kühlung ist keine Option, sie ist unerlässlich.

Hier kommt das Direct Liquid Cooling (DLC) ins Spiel, d.h. Kühlung mittels Flüssigkeit direkt an der Wärmequelle. Dabei ist insbesondere Direct-to-Chip Cooling eine vielversprechende Technologie für die heutigen hochperformanten Systeme.

^{Abb. 1: Ein höherer thermischer Verlust erfordert eine effizientere Kühlung, welche die Möglichkeiten der Luftkühlung übersteigt.}

Zeitgemäße und effiziente Kühlung in Rechenzentren

Jahrzehntelang dominierte Luftkühlung die Rechenzentren, wobei 3,5 kW pro Rack in den späten 90er Jahren als Standard galten. Als die Virtualisierung die IT-Konsolidierung vorantrieb, kamen Lösungen wie Warm-/Kaltgang-Gehäuse und sogenannte Side-Cooler auf, welche die Kühlleistung der Racks erhöhten. Jedoch sind selbst diese in der Regel auf 10 bis 35 kW pro Rack begrenzt.

^{Abb. 2: Ab 45 kW pro Rack ist Luftkühlung nicht mehr effektiv genug}

Hochleistungssysteme, wie z.B. HPC-Cluster, sind seit langem auf DLC für IT-Chips/Mikrochips angewiesen, obwohl die Nachfrage in der Vergangenheit gering war. Heute, mit dem Aufkommen von KI/ML, GPU-gesteuerten Systemen und Large Language Models (LLMs), steigen die Anforderungen an die Leistungsdichte sprunghaft an. DLC, insbesondere Direct-to-Chip, ist vielversprechend - es ermöglicht eine bis zu zehnfache Leistungsdichte und unterstützt gleichzeitig eine effiziente Wärmerückgewinnung.

Immersions-Kühltechniken dagegen befinden sich noch in der Erprobung und scheinen für heutige Anwendungsfälle eher eine Nischenlösung zu bleiben, da sie den täglichen Betrieb vor viele praktische Herausforderungen stellt

^{Abb. 3: Vergleich der verschiedenen Kühltechnologien}

Was also ist Direct Liquid Cooling?

Mit DLC wird bei der Kühlung ein neues Niveau erreicht. Flüssigkeiten wie deionisiertes Wasser oder spezielle Kühlflüssigkeiten (z.B. PG25) werden direkt an die wärmeerzeugenden Komponenten wie Prozessoren/CPUs, GPUs und Speicherchips geleitet. Im Gegensatz zur herkömmlichen Luftkühlung, die an ihre Grenzen stößt, bietet DLC eine weitaus bessere Wärmeableitung. Warum das so ist? Flüssigkeiten haben eine höhere Wärmekapazität als Luft, so dass sie Wärme schneller und effizienter aufnehmen und ableiten können.

Direct-to-Chip Cooling: die nächste Stufe der Kühltechnologie

Direct-to-Chip Cooling ist eine spezifische Form von DLC, bei der die Kühlflüssigkeit direkt über die Oberfläche des Chips oder in dessen Nähe fließt. Durch die Verwendung von Kühlplatten, die an den Chips angebracht sind, leitet diese Technologie die Wärme direkt an der Quelle ab. Dadurch wird eine ultraeffiziente Kühllösung geschaffen, die auf Prozessoren/CPUs, GPUs und andere Hochleistungskomponenten zugeschnitten ist.

Vorteile von Direct-to-Chip Cooling

• Höhere Kühlleistung: Flüssigkeiten können Wärme bis zu viertausendmal effizienter ableiten als Luft, was die Kühlleistung drastisch erhöht.
• Platzsparendes Design: Direktgekühlte Systeme sind kompakter und machen sperrige Ventilatoren und Luftkanäle überflüssig.
• Intelligente Wärmerückgewinnung: Die Ableitung der Wärme direkt an der Quelle ermöglicht es, diese in Wärmerückgewinnungssysteme einzuspeisen und effizient zu nutzen und trägt so zur Einhaltung von Energieeffizienzvorschriften bei.

Herausforderungen bei der Einführung von DLC-Systemen in Rechenzentren

Obwohl die Vorteile der DLC-Technologie klar auf der Hand liegen, stehen Rechenzentrumsbetreiber bei ihrer Implementierung vor großen Herausforderungen:

1. Veraltete Infrastruktur: Die meisten bestehenden Rechenzentren sind nicht auf die enormen Kühlanforderungen moderner Hochleistungssysteme ausgelegt. Eine Aufrüstung auf DLC erfordert oft kostspielige Umbauten.
2. Kompatibilitätsprobleme: Die Standardisierung von DLC steht noch am Anfang. Verschiedene Hersteller bieten oft Lösungen an, die nicht kompatibel sind, was die Integration erschwert.
3. Regulatorische Anforderungen: Das Energieeffizienzgesetz verlangt nicht nur eine hohe Kühlleistung, sondern auch effektive Wärmerückgewinnungssysteme, Design und Betrieb der Lösung komplexer macht.
4. Kosten vs. ROI: Die initialen Kosten für die Einführung von DLC sind sehr hoch. Server mit Direct-to-Chip Cooling können 20 bis 30 % mehr kosten, zuzüglich zusätzlicher Kosten für die Kühlverteiler (Cooling Distribution Units). Während die langfristigen Effizienzgewinne klar sind, bleibt der kurzfristige ROI ein Problem.

Aktuelle Lösungen und Ansätze in der Praxis

Die Hersteller von Kühllösungen entwickeln neue Modelle, um DLC zugänglicher zu machen, wobei sich drei Hauptansätze abzeichnen:

• Single-phase Direct Liquid Cooling: Eine Flüssigkeit, in der Regel Wasser, nimmt Wärme auf, ohne zu verdampfen, und wird durch Wärmetauscher rezirkuliert. Diese Methode ist derzeit am weitesten verbreitet und ermöglicht eine effiziente Wärmerückgewinnung.
• Two-phase Direct Liquid Cooling: Bei diesem System verdampft die Kühlflüssigkeit bei Kontakt mit dem heißen Chip und wird dann in einem Kondensator wieder verflüssigt. Dieses System ist zwar komplexer, aber effizienter und vor allem für leistungsintensive Anwendungen geeignet.
• Immersionkühlung: Ganze Server oder Komponenten werden in eine nicht leitende Kühlflüssigkeit getaucht. Obwohl dies für bestimmte Systeme vielversprechend ist, bringt sie Herausforderungen bei der Wartung, der Kompatibilität und der praktischen Handhabung für IT-Manager mit sich, wie z.B. das Risiko von Lecks, Platzmangel und die nötige Investition in Spezialgeräte.

Zukunftsaussichten: Standardisierung und Weiterentwicklung

• Da DLC-Technologien wie Direct-to-Chip Cooling zunehmend an Bedeutung gewinnen, ist Standardisierung ein entscheidender nächster Schritt. Die Industrie muss zusammenarbeiten, um Systemkompatibilität zu gewährleisten und den Einsatz zu erleichtern. Organisationen wie Open Compute Project (OCP) sind hier führend. Noch in diesem Jahr werden die ersten IEEE*-Normen für Verteilerschläuche und Steckverbindungen sowie eine von allen Serverherstellern unterstützte Flüssigkeitsstandardisierung erwartet.
• Außerdem wird an fortschrittlichen Kühlflüssigkeiten und verbesserten Wärmerückgewinnungssystemen geforscht, um DLC in den kommenden Jahren noch effizienter, wirtschaftlicher und nachhaltiger zu gestalten.
_{*Institute of Electrical and Electronics Engineers}

 

Praktische Schritte für Rechenzentrumsbetreiber

IT-Abteilungen, die DLC-Systeme in Erwägung ziehen, können sich mit einigen praktischen Schritten die Implementierung erleichtern:

1. Bestandsaufnahme und Machbarkeitsanalyse: Eine erste Analyse des bestehenden Rechenzentrums gibt Aufschluss darüber, wie leicht DLC-Technologien implementiert werden können.
2. Pilotprojekte: Der Einsatz von DLC in ausgewählten Hochleistungssystemen, zum Beispiel in einzelnen Racks, kann wertvolle Erkenntnisse liefern und Risiken minimieren.
3. Zusammenarbeit mit Partnern: Kooperationen mit Herstellern und externen Experten für DLC-Technologien helfen, maßgeschneiderte Lösungen zu entwickeln und Fachwissen aufzubauen.
4. Alternativen für kurzfristigen Einsatz betrachten: Eine Erneuerung von eigenen Rechenzentren dauert gewöhnlich 18 bis 48 Monate. Alternativen könnten modulare RZ-Container außerhalb des eigenen Rechenzentrums oder die Nutzung von Flächen bei Co-Location-Anbietern darstellen.
5. Regelmäßige Schulungen: Mitarbeiter sollten für die Wartung und Verwaltung von DLC-Systemen geschult werden, da die Anforderungen anders sind als bei luftgekühlten Systemen.

 

Fazit: Direct Liquid Cooling – der neue Goldstandard in Rechenzentren

Direct Liquid Cooling, insbesondere Direct-to-Chip Cooling, entwickelt sich zum Goldstandard für moderne Rechenzentren. Durch das effiziente Management extremer Wärmelasten und die Möglichkeit der Wärmerückgewinnung erfüllt DLC sowohl die technischen als auch die gesetzlichen Anforderungen.

Mit der sich abzeichnenden Standardisierung und der fortlaufenden Innovation wird Direct Liquid Cooling Rechenzentren verändern und dabei unterstützen, dass diese den wachsenden Anforderungen an Leistung und Nachhaltigkeit gerecht werden können.

Jetzt ist es an der Zeit, in DLC zu investieren und den Weg für eine nachhaltige, zukunftsorientierte IT-Infrastruktur zu ebnen.

Computacenter hilft Kunden, in ihren Rechenzentren die Vorteile von Direct Liquid Cooling für KI- und High-Performance-Workloads auszuschöpfen. Wir entwerfen, bauen und testen KI-fähige Lösungen in unseren Integration Centers. Mit unserem herstelleragnostischen Ansatz stellen wir sicher, dass die am besten geeigneten Netzwerk-, Rechner- und Storagekomponenten mit der optimalen Liquid Cooling Technologie kombiniert und noch vor der Bereitstellung hinsichtlich ihrer Leistungsfähigkeit und Kompatibilität geprüft werden. Wir sorgen mit fachkundiger und ganzheitlicher Beratung, unserem Rapid Data Center Deployment und koninuierlichem Management für eine beschleunigte Bereitstellung von KI-Plattformen.

Wenn Sie mehr darüber erfahren möchten, wie wir Sie hierbei unterstützen können, sprechen Sie gern Ihr Computacenter Account Team an.