Stellt die Tauchkühlung einen Weg zum nachhaltigen Rechenzentrum dar?

Da die Technologien für künstliche Intelligenz und maschinelles Lernen immer ausgereifter werden und unser Bedarf an immer mehr Daten und Verarbeitungsleistung weiter steigt, nimmt die Nachfrage nach Hochleistungsrechnen (HPC), Verarbeitungsleistung und Speicherplatz sprunghaft zu. 

Dies wiederum erhöht den Druck auf die Kapazitäten der Rechenzentren. McKinsey¹ zufolge wird der Stromverbrauch von Rechenzentren in den USA von 17 Gigawatt (GW) im Jahr 2022 auf 35 GW im Jahr 2030 ansteigen. 

Das Dilemma besteht darin, dass die Rechenzentren trotz der wachsenden Nachfrage nach Kapazität auch ihren Verpflichtungen in Bezug auf Nachhaltigkeit und Netto-Null-Ziel nachkommen müssen.

Computertechnologen finden zwar immer wieder neue Wege, um die Leistungsdichte zu erhöhen und mehr Verarbeitungs- und Speicherkapazität auf immer kleinerem Raum unterzubringen, doch das wird mittelfristig möglicherweise nicht ausreichen, um dieses Problem zu lösen. In einem Artikel der MIT Technology Review² aus dem Jahr 2020 wird davor gewarnt, dass wir uns nicht länger darauf verlassen können, dass das Mooresche Gesetz immer mehr Rechenleistung auf jeden Silizium-Wafer bringt, und dass es keine offensichtliche kurzfristige Ersatztechnologie gibt, außer dass die Anzahl der Serverschränke erhöht wird. 

In diesem Zusammenhang ist die Verringerung der Umweltauswirkungen von bestehenden Rechenzentrumsinfrastrukturen ein wichtiges Ziel. Die Kühlung ist nach den Servern und der IT-Ausrüstung der größte Strom- und Platzverbraucher im Rechenzentrum, sodass Innovationen in der Kühltechnologie eine entscheidende Rolle bei der Lösung des Dilemmas im Rechenzentrum spielen. 

Dieser Blogartikel befasst sich mit der Tauchkühlung als einer solchen Technologie, wägt ihre Vorteile und Herausforderungen ab und prüft, ob das Streben nach Nachhaltigkeit in Rechenzentren ausreicht, um sie aus der Nische herauszuholen und zum Standard zu machen.

Bei der Tauchkühlung werden IT-Geräte in einer Flüssigkeit platziert, die zwar ein guter Wärmeleiter, aber ein schlechter Stromleiter ist. So kann die Wärme verteilt werden.

Es gibt zwei wesentliche Ansätze für die Tauchkühlung: 

Bei der Einphasen-Tauchkühlung ist der Tank an eine Kühlmittelverteilungseinheit (CDU) angeschlossen, die die Flüssigkeit kühlt und umwälzt, wobei diese stets in flüssigem Zustand bleibt. 

Die Zweiphasen-Tauchkühlung arbeitet mit Verdampfung und Kondensation der Kühlflüssigkeit unter Verwendung eines Wärmetauschers, z. B. eines Spiralkühlers. 

In einem Blogartikel für Data Center Dynamics³ aus dem Jahr 2019 wird darauf hingewiesen, dass die Tauchkühlung alles andere als neu ist. Sie wird seit mehr als hundert Jahren zur Kühlung von Hochspannungstransformatoren und seit den 1960er Jahren in Computersystemen eingesetzt. Das Interesse an der Flüssigkeitskühlung, insbesondere an der Tauchkühlung, hat in letzter Zeit wieder zugenommen, da sie nicht nur den Stromverbrauch und die Größe von IT-Kühlsystemen drastisch reduzieren kann, sondern auch eine höhere Kühleffizienz als die Luftkühlung bietet, insbesondere bei einer hohen Dichte von Serverschränken.

Die Tauchkühlung in ihrem modernen Kontext ist eine Zukunftstechnologie. 

Das Open Compute Project hat erst im Jahr 2022 die Anforderungen an die Tauchkühlung⁴ veröffentlicht – es wird also noch daran gearbeitet, sie zu etablieren. 

Als Experte für Werkstofftechnologie hat Henkel ein besonderes Interesse an den Wärmeleitmaterialien, die bei der Tauchkühlung verwendet werden. 

Wie bei den meisten Mitteln zur Wärmeableitung hängt die Effizienz der Tauchkühlung davon ab, wie effektiv die Wärme von der Quelle auf das Kühlmittel übertragen wird. Dabei spielen Wärmeleitmaterialien eine entscheidende Rolle. 

Die Tauchkühlung bringt eigene Herausforderungen mit sich, z. B. lösen sich herkömmliche thermische Schnittstellenfette wahrscheinlich in der Kühlflüssigkeit. 

Henkel beschäftigt sich mit den Auswirkungen der Tauchkühlung auf Wärmeleitmaterialien.

Die Tauchkühlung bietet im Vergleich zu anderen Kühlmethoden Vorteile, die sie für Betreiber von Rechenzentren attraktiv machen, die ihre Kosten senken, ihre Kapazität erhöhen und die Umweltauswirkungen minimieren möchten.

Sie ist von Natur aus energieeffizienter als Luftkühlung und bietet zudem den Vorteil, dass sie den gesamten eingetauchten Server oder eine andere IT-Komponente direkt kühlt. 

Sie erfordert weniger bewegliche Teile und elektrische Komponenten als andere Methoden.

Zusammen bieten diese Eigenschaften eine Reihe von Vorteilen in Bezug auf Kosten und Nachhaltigkeit:

• Deutlich geringerer Stromverbrauch bei gleicher Kühlleistung 
• Höhere Zuverlässigkeit der Komponenten durch konstante, gleichmäßige Kühlung des gesamten Objekts
• Niedrigere Gesamtbetriebskosten und Betriebskosten
• Niedrigere Wartungskosten 
• Geringere Geräuschentwicklung

In einem Artikel von Science Direct⁵ aus dem Jahr 2022 wird auf einige dieser Vorteile näher eingegangen.Die Tauchkühlung bleibt vorerst eine Nischentechnologie, da es noch erhebliche Hürden gibt, die der Einführung im Wege stehen, wie z. B.: 

• Hohe Kapitalkosten für die erforderliche Infrastruktur 
• Herausforderungen bei der Nachrüstung älterer Rechenzentren
• Eventuell müssen Rechenzentren umgestaltet werden 
• Mangel an Kühlflüssigkeit und fehlende Fähigkeiten zur Installation und Wartung der Geräte
• Die derzeit für die Zweiphasenkühlung erforderliche Flüssigkeit ist schädlich und nicht umweltfreundlich

Obwohl dies erhebliche Herausforderungen für die Durchsetzung der Tauchkühlung sind, gibt es derzeit keine naheliegende Alternative, die den Energieverbrauch von Rechenzentren deutlich senken könnte. 

Die Tauchkühlung ist bereits eine wichtige Technologie im Bereich des Crypto Mining und für den Einsatz im Bereich der Nachhaltigkeit. Abgesehen vom allgemeinen Stromverbrauch in Rechenzentren gibt es bestimmte Faktoren, die den beschleunigten Wechsel zu Flüssigkeitskühlsystemen vorantreiben.

Höhere Leistungsdichte von Serverschränken – Generative KI-, ML- und HPC-Workloads erhöhen die Anforderungen an die Datenverarbeitungsleistung. Dies wiederum führt zu höheren Anforderungen an die Leistungsdichte von Serverschränken. Mit der zunehmenden Leistungsdichte von Serverschränken wird es immer schwieriger, diese durch Luftkühlung effizient zu kühlen. Möglicherweise sind flüssigkeitsbasierte Verfahren, vor allem die Tauchkühlung, die einzige praktikable Lösung.

Edge Computing – Edge Computing ermöglicht mehr Datenverarbeitung und Geschwindigkeit für eine wachsende Zahl geografisch verteilter Endpunkte, indem die Kapazitäten näher an der jeweiligen Datenquelle platziert werden. Es handelt sich um einen Markt, dessen Größe sich zwischen 2023 und 2028 voraussichtlich verdoppeln wird⁶.

Die Tauchkühlung könnte den Platzbedarf für ein Rechenzentrum erheblich reduzieren und leisere Rechenzentren mit geringeren Umweltauswirkungen ermöglichen. All dies sind wichtige Kriterien für die Bereitstellung kleiner, lokaler Rechenzentren, die für Edge Computing erforderlich sind.

Nachhaltige, umweltfreundlichere Rechenzentren – Tauchkühlungstechnologien können eine wichtige Rolle dabei spielen, dass Rechenzentren das für 2030 angestrebte Netto-Null-Ziel erreichen und gleichzeitig den Wasserverbrauch effizienter gestalten und den Stromverbrauch senken.

Ich bin gespannt auf andere Meinungen zur Tauchkühlung: Kontaktieren Sie mich auf LinkedIn. Ich freue mich darauf, mit Ihnen ins Gespräch zu kommen.