Biedt dompelkoeling een weg naar het duurzame datacenter?

Terwijl AI en machine learning-technologieën geavanceerder worden en onze honger naar steeds meer gegevens en verwerkingskracht blijft groeien, schiet de vraag naar hoogwaardige computing (HPC), verwerkingskracht en opslag als paddenstoelen uit de grond. 

Dit legt op zijn beurt een steeds grotere druk op de capaciteit van datacenters. McKinsey¹ rapporteert dat de vraag van datacenters in de VS, als het gaat om energieverbruik, zal stijgen van 17 gigawatt (GW) in 2022 naar 35 GW in 2030. 

Het dilemma is dat datacenters tegenover deze groeiende vraag naar capaciteit ook moeten voldoen aan hun verplichtingen op het gebied van duurzaamheid en klimaatneutraalheid.

Hoewel computertechnologen nieuwe manieren blijven vinden om de energiedichtheid te verhogen, waardoor meer verwerking en opslag in steeds kleinere ruimtes passen, is dit op de middellange termijn misschien niet genoeg om dit probleem aan te pakken. Een artikel uit 2020 in het MIT Technology Review² waarschuwt dat we niet langer kunnen vertrouwen op de wet van Moore om steeds meer rekenkracht op elk siliciumschijfje te zetten en dat er op korte termijn geen voor de hand liggende vervangingstechnologie is behalve een verhoging van de dichtheid van serverracks. 

In deze context is het verminderen van de milieu-impact van bestaande datacenterinfrastructuur een belangrijk doel. Koeling is na servers en IT-apparatuur de grootste verbruiker van vermogen en ruimte in datacenters, dus innovatie in koeltechnologie speelt een cruciale rol bij het oplossen van het dilemma in datacenters. 

In deze blog kijken we naar dompelkoeling als een van deze technologieën, worden de voordelen en uitdagingen met elkaar vergeleken en wordt overwogen of het voor het streven naar duurzaamheid voor datacenters voldoende is om deze nieuwe technologie om te zetten naar algemene implementatie.

Dompelkoeling werkt door IT-apparatuur in een vloeistof te plaatsen die een goede geleider van warmte is maar een slechte geleider van elektriciteit, als een manier om warmte te verspreiden.

Er zijn twee basisbenaderingen voor dompelkoeling: 

Bij enkelfasige dompelkoeling is de tank aangesloten op een koelinstallatie (CDU) die de vloeistof koelt en recirculeert, die altijd in vloeibare toestand blijft. 

Tweefasige dompelkoeling werkt door verdamping en condensatie van de koelvloeistof met behulp van een warmtewisselaar, zoals een condensatiespoel. 

Zoals een blog uit 2019 voor Data Center Dynamics³ aangeeft, is dompelkoeling niet nieuw. Het wordt al meer dan honderd jaar gebruikt om hoogspanningstransformatoren te koelen en in computersystemen sinds de jaren 1960. De belangstelling voor vloeistofkoeling, en dompelkoeling in het bijzonder, is de laatste tijd weer toegenomen vanwege het potentieel om het vermogen en de omvang van IT-koelsystemen drastisch te verminderen, naast de hogere koelefficiëntie in vergelijking met luchtkoeling, vooral bij hogere dichtheden van serverracks.

Dompelkoeling in de moderne context is een opkomende technologie. 

Het Open Compute Project heeft de vereisten voor dompelkoeling⁴ gepubliceerd in 2022, dus er wordt nog steeds aan gewerkt om dit in de mainstream te brengen. 

Als specialist in materiaaltechnologie heeft Henkel een specifieke interesse in de thermische interfacematerialen die worden gebruikt bij dompelkoeling. 

Zoals bij de meeste manieren om warmte af te voeren, hangt de efficiëntie van dompelkoeling af van hoe effectief de warmte wordt overgedragen van de bron naar het koelmiddel en thermische interfacematerialen spelen een belangrijke rol in dit proces. 

Dompelkoeling brengt zijn eigen uitdagingen met zich mee. Traditionele smeermiddelen voor thermische interfaces zijn bijvoorbeeld waarschijnlijk oplosbaar in de koelvloeistof. 

Henkel is bezig met een onderzoek naar de implicaties van dompelkoeling voor thermische interfacematerialen.

Dompelkoeling biedt voordelen ten opzichte van andere koelmethoden die het aantrekkelijk maken voor aanbieders van datacenters die de kosten willen verlagen, de capaciteit willen verhogen en de impact op het milieu willen minimaliseren

Het is inherent energiezuiniger dan luchtkoeling en heeft als bijkomend voordeel dat het directe koeling levert aan de gehele ondergedompelde server of andere IT-component. 

Er zijn minder bewegende onderdelen en elektrische componenten nodig dan bij andere methoden.

Samen leveren deze eigenschappen een scala aan kosten- en duurzaamheidsvoordelen op:

• Veel lager energieverbruik voor hetzelfde niveau van koeling 
• Grotere betrouwbaarheid van componenten door constante, consistente koeling van het hele onderdeel
• Lagere totale eigendomskosten en operationele kosten
• Minder onderhoudskosten 
• Minder geluid

Een artikel uit 2022 van Science Direct⁵ gaat dieper in op een aantal van deze voordelen. Dompelkoeling blijft vooralsnog een nieuwe technologie omdat er ook belangrijke belemmeringen zijn voor de implementatie, zoals: 

• Hoge kapitaalkosten voor de vereiste infrastructuur 
• Uitdagingen voor retrofitting in oudere datacenters
• Een mogelijke noodzaak om de indelingen van datacenters opnieuw te ontwerpen 
• Schaarste aan koelvloeistof & de vaardigheden die nodig zijn om de apparatuur te installeren en te onderhouden
• De vloeistof die momenteel nodig is voor tweefasige koeling is schadelijk en niet milieuvriendelijk

Hoewel dit aanzienlijke uitdagingen zijn om dompelkoeling gemeengoed te laten worden, is er momenteel geen duidelijk alternatief dat naar het zich laat aanzien de stapsgewijze vermindering van het energieverbruik kan opleveren die datacenters nodig hebben. 

Dompelkoeling is al een belangrijke technologie voor cryptomining en duurzame toepassingen in het groene veld. Als we verder kijken dan het totale energieverbruik in datacenters, zijn er specifieke factoren die de versnelde overstap naar dompelvloeistofkoelsystemen stimuleren.

Hogere energiedichtheid in racks - Generatieve AI, ML & HPC workloads vergroten de behoefte aan rekenprestaties van gegevens. Dit drijft op zijn beurt de vereisten voor hogere energiedichtheid in racks op. Naarmate de energiedichtheid van racks toeneemt, wordt het moeilijker om efficiënt te koelen met luchtkoeling. Methoden op basis van vloeistoffen, en dan voornamelijk dompelkoeling, kunnen de enige haalbare oplossing worden.

Edge computing - Edge computing levert meer verwerkingskracht en snelheid over een groeiend aantal geografisch verspreide eindpunten door deze capaciteit dichter bij het verbruikspunt te plaatsen. Het is een markt die naar verwachting tussen 2023 en 2028 in omvang zal verdubbelen⁶.

Dompelkoeling zou de benodigde voetafdruk van ruimte voor een datacenter aanzienlijk kunnen verminderen en stillere datacenters kunnen opleveren met minder impact op het milieu. Dit zijn allemaal belangrijke criteria voor het leveren van de kleine, lokale datacenters waar edge computing om vraagt.

Duurzame, groenere datacenters - Dompelkoelingtechnologieën hebben het potentieel om een sleutelrol te spelen in het bereiken van het 2030 Net Zero-doel van de datacenterindustrie, terwijl ze de effectiviteit van het watergebruik verbeteren en het energieverbruik verlagen.

Ik ben benieuwd wat anderen denken over dompelkoeling. Neem contact met me op via LinkedIn, waar ik het gesprek graag voortzet.