Ihr Rechenzentrum steht unter Wasser und ist heißer denn je

Jeder, der schon mal an einem heißen Tag in einen kalten Pool gesprungen ist, weiß, wie effektiv Flüssigkeitskühlung ist. Dies ist gewiss kein neues Konzept. Autokühler, eines der ersten Beispiele für die Flüssigkeitskühlung in der Industrie, gibt es seit fast 125 Jahren. Der Einsatz von Flüssigkeitskühlung – neben anderen Methoden zur Reduzierung der Temperatur – ist auch für Rechenzentren, in denen die unkontrollierte Wärme von Servern, Hochleistungsprozessoren und einer Vielzahl von elektronischen Geräten ernsthafte Probleme verursachen kann, keine neue Idee. Während Anwendungen zur Flüssigkeitskühlung in Rechenzentren bisher auf spezielle Systeme mit hoher Wärmeentwicklung beschränkt waren, treiben die rechen- und datenintensiven Arbeitslasten neuer Serverkonfigurationen die Temperaturen weiter in die Höhe, wodurch das Interesse an breiter angelegten Ansätzen für das Wärmemanagement mit Flüssigkeiten steigt. 

Beim physischen Aufbau des Rechenzentrums steht die Reduzierung der Temperatur im Vordergrund, denn bei elektronischen Systemen ist eine hohe Temperatur nicht nur ein Leistungskiller, sondern auch eine potenzielle Gefahr für das System. Während die absolute Umgebungstemperaturgrenze des Rechenzentrums bei 27,8 °C liegt, sollte der ideale Temperaturbereich laut einigen Branchenempfehlungen irgendwo zwischen 22,8 und 23,9 °C liegen. [1] Wie Sie sich vorstellen können, führt dies zu einer hohen Kostenbelastung durch die Klimaanlage, ganz zu schweigen von einer erheblichen Belastung des Stromnetzes. Eine möglichst umfassende Temperaturkontrolle von Serversystemen (und anderer Elektronik) ist daher nicht nur für die störungsfreie Speicherung und Verarbeitung von Daten wichtig, sondern auch für einen energieeffizienteren, kostengünstigeren Betrieb. 

Neben aktiver Luftkühlung (Klimaanlagen, Ventilatoren etc.) und optimierten Konstruktionen wie Doppelböden, die den Luftstrom maximieren, ist die Kühlung elektronischer Systeme – insbesondere in Serverschränken – von innen nach außen ebenso wichtig. Die wichtigsten Methoden zur Senkung der Temperatur in der Anwendung sind der Einsatz von Wärmeleitmaterialien (TIM), Kühlkörpern und Flüssigkeitskühlsystemen in der Serverelektronik mit hoher Dichte. Bei all diesen Ansätzen finden derzeit enorme Innovationen statt, da die Datenmengen und ‑geschwindigkeiten, die durch KI, Data Mining und Analysen angetrieben werden, immer größer – und heißer – werden.

Flüssigkeitskühlung im Rechenzentrum gibt es in vielen Formen – von Kühlrohren, die an Kühlplatten oder -gehäusen zwischen Leiterplatten/Modulen angebracht sind, bis hin zu vollständigen Tauchkühlsystemen, die ganze Serverschränke in Wasser tauchen. Die Idee ist relativ simpel: Ein flüssiges Kühlmittel (Wasser oder ein dielektrisches Kühlmittel) zirkuliert durch Rohre oder andere Strukturen und kühlt die metallische Schnittstelle, die als Wärmesammelvorrichtung für die Hochleistungs-Computerchips dient. Bei der Tauchkühlung werden die Komponenten vollständig in Tanks eingetaucht [2], in denen ein dielektrisches Kühlmittel, das den Komponenten nicht schadet, zirkuliert, um die Betriebswärme des Systems zu reduzieren.Während Kühlplatten für Serverplatinen/-schränke und Tauchkühlung bisher nur in ausgewählten Bereichen des Rechenzentrums eingesetzt wurden, wird für diese Temperatursteuerungsmethode im Zeitraum von 2022 bis 2028 eine jährliche Wachstumsrate von 20 % [3] prognostiziert, da das Datenvolumen und die Datenintensität weiter steigen. 

Die Betreiber von Rechenzentren müssen nicht nur die Leistung durch Wärmereduzierung optimieren, sondern auch nachhaltigere, energieeffizientere Rechenzentren sicherstellen. Gerade bei hohen Leistungsdichten kann durch Luftkühlung nur ein bestimmtes Maß an Kühlung erreicht werden. Die Flüssigkeitskühlung verstärkt die Temperatursenkung, und zwar mit rezirkuliertem (d. h. abfallreduzierendem) Wasser oder Kühlmitteln, die hochwirksam sind. Dadurch wird der Stromverbrauch erheblich gesenkt. Die Frage ist: Können die positiven Auswirkungen der Flüssigkeitskühlung noch verstärkt werden? 

In der Vergangenheit wurde versucht, die Wärmeableitung von Flüssigkeitskühlsystemen durch den Einsatz von TIM zwischen den Komponenten und den metallischen Flüssigkeitskühlrohren/-platten/-gehäusen weiter zu verbessern. Dies beschleunigt die Wärmeableitung zwischen den Kontakten, bei denen sonst direkter Metallkontakt bestehen würde. Diese Idee ist durchaus sinnvoll. Leider sind die verfügbaren Wärmeleitmaterialien – in Form von Pads, Klebstoffen, Gelen und Flüssigkeiten – entweder nicht für die Anwendung geeignet (Gele und Flüssigkeiten) oder halten der Reibung (Pads und Klebstoffe) nicht stand, die häufig durch das Einstecken von Komponenten in das Gehäuse und/oder das Einsetzen der Leiterplatte in unterteilte, flüssigkeitsgekühlte Plattenstrukturen entsteht. Die Materialien werden herausgedrückt oder abgekratzt und verlieren dadurch ihre Funktion. 

Aktuelle TIM-Innovationen zeigen jedoch das Potenzial für eine Verbesserung der Flüssigkeitskühlung. Ein langlebiges mikrothermisches Schnittstellenmaterial (mTIM), das in einer ultradünnen Schicht aufgetragen wird, beschleunigt die Wärmeableitung, indem es eine wärmeleitfähige Schnittstelle bildet, die der Wärmeübertragung bei direktem Metallkontakt überlegen ist. Dies führt nachweislich zu einer bemerkenswerten Temperatursenkung bei steckbaren optischen Modulen (POM) von Transceivern. Diese Lösung, die derzeit für OSFP 400 GbE POM in Rechenzentren eingesetzt wird, hat im Vergleich zu einer Schnittstelle mit direktem Metallkontakt eine erhebliche Temperatursenkung gezeigt. Der kollektive Effekt der Temperatursenkung pro POM (eine Linecard kann bis zu 32 POM enthalten) ist sogar noch größer. Obwohl die Untersuchung der Leistungsfähigkeit von mTIM sowohl bei Rohr- als auch bei Tauchkühlsystemen noch in den Anfängen steckt, lassen die Eigenschaften und Merkmale der dauerhaften Beschichtung darauf schließen, dass sie eine erhebliche Beschleunigung der Kühlung von Flüssigkeitskühlsystemen ermöglichen könnte. Das Material ist mit mehreren Metallen kompatibel, mit 25 µm (+/-5 µm) ultradünn und äußerst langlebig.  

Da die Serverschränke in Rechenzentren immer heißer werden und selbst die effektivsten Lösungen zur Flüssigkeitskühlung an ihre Grenzen stoßen, können Innovationen zur thermischen Kontrolle – wie mTIM – eine Überlegung wert sein, um einen noch nachhaltigeren und leistungsfähigeren Betrieb zu ermöglichen.