gesponsertEnergieeffizienz und Kühlung von Rechenzentren optimieren Fluid-Control-Lösungen für Direct-to-Chip-Cooling

Leistungsfähige Mikrofluidik ist bei der Kühlung von Rechenzentren enorm wichtig. Miniaturisierte, hochzuverlässige Ventile und weitere Fluid-Control-Komponenten tragen dazu bei, TCO und PUE zu senken.

Viele Aspekte sprechen dafür, der Kühlung von Data Centern – sowohl bei der Neukonzeption als auch der Modernisierung bestehender Rechenzentren – besonderes Augenmerk zu schenken. Einerseits können mit energieeffizienten Lösungen die Gesamtbetriebskosten (TCO) gesenkt werden, und somit die Profitabilität optimiert werden. Andererseits sprechen regulative Vorgaben, etwa die deutsche Energieeffizienzgesetzgebung für eine Optimierung der Kühlung. Und nicht zuletzt kann es angesichts immer leistungsstärkerer Chips, gerade für KI-Applikationen, technisch unumgänglich sein, leistungsstärkere Kühlsysteme zu integrieren, um die notwendigen Betriebstemperaturen einzuhalten, bevor es zu Drosselung oder Abschaltung von Chips und Servern kommt. Herkömmliche Luftkühlung kann oftmals nicht mehr die nötige Kühlleistung bereitstellen.

Gerade bei heutigen High-Density-Servern empfiehlt etwa die American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers (ASHRAE) bei Rack-Density-Werten von mehr als 20 kW auf Flüssigkeitskühlungen zu setzen. Insbesondere Direct-to-Chip- und Wärmetauscher-Lösungen sind geeignete Maßnahmen, um Racks mit mehr als 50 kW Rack Density zu kühlen.

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Arten von Flüssigkeitskühlungen

Bei Flüssigkeitskühlungen unterscheidet man verschiedene Ansätze:

Flüssigkeitsgekühlte Kühlplatten: Hiermit werden geschlossenen Flüssigkeitskühlungen bezeichnet, bei denen eine Flüssigkeit oder ein Flüssigkeits-Gas-Phasenwechsel als Wärmeübertragungsmedium verwendet wird. Die Wärmeübertragung erfolgt über Kühlplatten, die an den zu kühlenden elektronischen Bauteilen angebracht sind. Daher spricht man auch von direkter Flüssigkeitskühlung (Direct to Chip Liquid Cooling), da die Kühlflüssigkeit über eine Kühlplatte direkt an die Komponenten geleitet wird und die Wärme somit direkt an die Flüssigkeit übertragen wird. Komplexere Kühlplattenkonstruktion setzen auf Mikrokanäle mit optimiertem Kühlflüssigkeitsdurchfluss, um die thermische Leistung zu verbessern.

Hybridkühlungen: Typische Hybridinstallation umfassen eine direkte Flüssigkeitskühlung für Komponenten mit hoher Leistung und hoher Leistungsdichte (etwa CPU und GPU), während Luft zur Wärmeabfuhr der Komponenten mit geringer Leistung eingesetzt wird.

Immersionskühlung: Bei Immersionskühlungen wird die IT Hardware vollständig in dielektrische Flüssigkeit getaucht und dadurch gekühlt. Dieser Ansatz verspricht hohe Kühleffizienz, ist jedoch in der Wartung und Pflege sehr komplex und teuer.

Bedeutung von Kühlflüssigkeiten

(Direct-to-Chip-)Kühlsysteme können auf einphasige oder zweiphasige Kühlflüssigkeiten setzen. Bei einphasigen Konzepten bleibt das Kühlmittel während des Prozesses in der flüssigen Phase. Die Kühlung erfolgt über einen Wärmetauscher. Typischerweise handelt es sich um wasserbasierte Flüssigkeiten mit Additiven und dielektrische Flüssigkeiten, die hohe Siedetemperaturen aufweisen.

Zweiphasige Flüssigkeiten mit niedrigen Siedetemperaturen entziehen Wärme durch Verdampfen. Hierdurch kann mehr Hitze absorbiert werden. Als zweiphasige Flüssigkeiten können sowohl dielektrische Flüssigkeiten als auch Kältemittel verwendet werden. Der Kühlungsgrad hängt vor allem vom Druck und der Durchflussmenge der Flüssigkeit im Wärmetauscher zweiphasiger Systeme ab.

Somit kommt der Fluid Control sowie der Medienverträglichkeit der eingesetzten Komponenten eine zentrale Rolle zu. Denn Korrosion und mikrobiologische Belastung des Systems müssen vermieden werden, um Leckagen vorzubeugen. Austritt von Kühlmittel kann enorme negative wirtschaftliche Folgen für Data Center Betreiber haben.

Durchflussregelung statt fester Drosseln

Miniaturisierte Fluid-Control-Komponenten werden unter anderem in der Luft- und Raumfahrt, der Medizin- und Analysetechnik sowie in Thermal-Management-Systemen von Fahrzeugen eingesetzt. Lee bietet hierfür Miniaturventile, Siebe und Drosseln an, die für unterschiedliche Medien und Betriebsbedingungen ausgelegt sind. Die dabei gewonnenen Erfahrungen überträgt das Unternehmen auf Kühlsysteme für Rechenzentren.

In Direct-to-Chip-Kühlsystemen können Drosseln eingesetzt werden, um den Durchfluss zu regeln. Feste Drosseln haben jedoch den Nachteil, dass das gesamte Kühlsystem auf einen Druck ausgelegt werden muss, der auch die Versorgung des hydraulisch ungünstigsten Chips sicherstellt. Dadurch können zwischen den einzelnen Kühlpfaden große Druckunterschiede entstehen. Die Pumpe muss entsprechend ausgelegt werden. Bei einer Erweiterung der Architektur kann zudem eine Anpassung an die veränderte Zahl der zu kühlenden Komponenten erforderlich sein. Eine Alternative zu fest dimensionierten Drosseln sind druckkompensierende Durchflussregelventile. Ein Beispiel dafür ist das QRV von Lee, das den Durchfluss innerhalb seines Arbeitsbereichs konstant hält.

Bei einphasiger Kühlung streben IT-Systemintegratoren häufig einen Durchfluss von rund 1,5 l/min zu den Chips an. Das QRV ist in der 8-mm-Standardgröße für Durchflüsse bis 1,6 l/min ausgelegt. Weitere Größen und Durchflussbereiche können bereitgestellt werden. Gegenüber einer festen Drossel soll das Ventil den Durchfluss bei einem geringeren Druckabfall regeln. Unterschiedliche Druckverhältnisse lassen sich damit ausgleichen, ohne verschiedene Drosselgrößen vorhalten zu müssen. Bei der Zweiphasenkühlung verändern Verdampfung und Druckschwankungen die Strömungsverhältnisse innerhalb der Kühlplatte. Sinkt der Volumenstrom zum Chip zu stark, kann es zu einer Unterversorgung beziehungsweise zum lokalen Austrocknen der Kühlfläche kommen.

Das QRV berücksichtigt nach Angaben von Lee den Druck am Ausgang der Kühlplatte und passt die Durchflussmenge entsprechend an. In die Kühlarchitektur integriert, soll das Ventil Druckschwankungen ausgleichen und einen möglichst stabilen Durchfluss durch die Kühlplatte und somit die Kühltemperatur aufrechterhalten.

Auch bei übereinander angeordneten Racks mit externer Kühlmittelversorgung kann das Ventil Unterschiede in den Druckverhältnissen ausgleichen, die unter anderem durch verschiedene Einbauhöhen entstehen.

Auf Systemebene kann eine bedarfsgerechte Durchflussregelung die erforderliche Pumpenleistung und damit den Energieverbrauch verringern. Darüber hinaus erleichtert sie die Erweiterung einer Kühlarchitektur, da der hydraulische Abgleich nicht ausschließlich über fest dimensionierte Drosseln erfolgt.

Kühlsysteme mit festen Drosseln werden häufig bei einem Druck von etwa 3 bar betrieben. Mit einem QRV, das in die Kühlplatte oder unmittelbar davor in die Leitung eingebaut wird, sind laut Lee-Angaben Betriebsdrücke von weniger als 1,5 bar möglich. Die erreichbaren Werte hängen von der jeweiligen Kühlarchitektur und ihren Druckverlusten ab.

Möglichkeit zur Verbesserung des PUE

Die Leistungsaufnahme der Pumpen fließt in den Gesamtenergiebedarf eines Rechenzentrums und damit in dessen Power Usage Effectiveness (PUE) ein. Kann der erforderliche Systemdruck durch eine angepasste Durchflussregelung gesenkt werden, verringert sich grundsätzlich auch die benötigte Pumpenleistung. Wie stark sich dies auf den PUE-Wert auswirkt, hängt allerdings von der Größe und Auslegung des gesamten Kühlsystems ab.

Das Energieeffizienzgesetz schreibt für Rechenzentren, die vor dem 1. Juli 2026 den Betrieb aufgenommen haben, ab Juli 2027 einen PUE-Wert von höchstens 1,5 im Jahresdurchschnitt vor. Ab Juli 2030 gilt ein Grenzwert von höchstens 1,3.[2] Für Betreiber besteht daher ein Anreiz, neben den großen Verbrauchern auch die Druckverluste und die Pumpenleistung der Kühlkreisläufe zu betrachten. Eine bedarfsgerechte Durchflussregelung kann hierzu einen Beitrag leisten.

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