Chipkühlung in Rechenzentren Miniaturventile für effiziente Direct-to-Chip-Anwendungen

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LEE Hydraulische Miniaturkomponenten GmbH

ET System electronic GmbH

MES Electronic Connect GmbH & Co. KG

SCHURTER AG

Für generative KI-Anwendungen werden energiehungrige Chips eingesetzt, die viel Abwärme produzieren. Standard-Luftkühlungssysteme stoßen hier an ihre Grenzen. Hocheffiziente Flüssigkeitskühlungen können hier Abhilfe schaffen.

Generative KI-Anwendungen fordern deutlich höhere Chipdichten und Rechenleistungen als bisher. Das hat massiven Einfluss auf den Stromverbrauch und die entstehenden Temperaturen in diesen Anwendungen. Laut einer McKinsey Studie könnten KI-Rechenzentren bis 2030 10 % des weltweiten Strombedarf ausmachen, bedingt durch die erhöhte Nachfrage, aber auch immer leistungsstärkere Chips, die einen um ein Vielfaches höheren Stromverbrauch erzeugen.

Eine Möglichkeit, um diesen Kosten- und Nachhaltigkeitsfaktor im Rahmen zu halten, sind effizientere Systeme zur Chipkühlung. Denn Kühlungslösungen verbrauchen bis zu 40 % der für den Betrieb von Rechenzentren notwendigen Energie. In Ländern mit hohen Strompreisen wie Deutschland können somit sehr hohe Gesamtbetriebskosten entstehen.

Luftkühlung vs. Flüssigkeitskühlung

Luftkühlungssysteme sind bei Hochleistungsrechenzentren keine adäquate Lösung mehr. Sie verursachen enorme Betriebskosten und schaffen es nicht, die Server und Chips im Temperaturfenster zu halten, in dem eine optimale Leistung möglich ist. Überhitzen die Chips, kommt es zunächst zu Leistungseinbußen und bei kritischen Temperaturen zur Abschaltung.

Angesichts von Hochleistungschips mit einer Leistungsaufnahme von 1 kW und mehr, sind ausgeklügelte Flüssigkeits- oder Hybridkühlungen notwendig. Eine Option sind Immersionskühlsysteme, bei denen der Rechner gänzlich in eine Kühlflüssigkeit getaucht wird. Diese Systeme liefern eine hervorragende Kühlleistung. Allerdings sind sie entsprechend teuer, sowohl in der Anschaffung, aber vor allem auch in der komplexen Wartung. Das treibt die Gesamtbetriebskosten in die Höhe. Eine wirtschaftlichere und kaum weniger leistungsstarke Alternative stellen Direct-to-Chip-Liquid-Cooling-Systeme dar. Ein willkommener Nebeneffekt beider Lösungen: Flüssigkeitskühlungen arbeiten (nahezu) geräuschlos.

Beim Direct-to-Chip-Liquid-Cooling wird Kühlflüssigkeit direkt durch Kühlplatten geleitet, die an den Chips angebracht sind. Die Wärme wird somit direkt an der Quelle abgeleitet. Durch Verwendung dieser Direktkühlung können im Vergleich zu luftgekühlten Lösungen deutlich bauraumfreundlichere Systeme mit höherer Packdichte geschaffen werden. Gleichzeitig werden potenzielle Hotspots durch ungleichmäßige Luftkühlung vermieden.

Kritische Fluid-Control-Komponenten

Zuverlässige und intelligente Fluid-Control-Lösungen sind bei flüssigkeitsführenden Systemen nötig, damit diese effizient und sicher arbeiten können. Gleichmäßiger Druck, Schutz vor Kontamination oder Kompensation von Systemstörungen, wie beispielsweise extremer Überdruck durch eine Pumpenfehlfunktion, gehören zu ihren zentralen Aufgaben.

Ein Beispiel ist die Dosierung des Durchflusses des Kühlmittels durch die Kühlplatten. Der Druck muss angesichts der Vielzahl an Platten intelligent konstant gehalten werden und das über eine in Serie geschaltete Strecke von mehreren Dutzend oder sogar Hunderten Kühlinseln. Damit der Druck von der ersten bis zur letzten Platte konstant bleibt, sind druckkompensierte Durchflussregelventile nötig, die einen weiten Niederdruckbereich abdecken und sich intelligent den Anforderungen anpassen.

Auch Rückschlagventile sind ein fester Bestandteil der Direct-to-Chip-Lösungen. Sie verhindern das Rückfließen der Kühlflüssigkeit an Pumpen, Wärmetauschern oder Kühlplatten. Sie dürfen dabei den Durchfluss nicht einschränken oder Druckminderungen verursachen.

Sicherheitsfilter sind in die Kühlmittelverteilereinheiten integriert, um die Kühlungskomponenten vor Verunreinigungen zu schützen. Diese Einheit ist über Metall- oder Kunststoffrohre mit allen Servern und Kühlplatten verbunden. Die Anforderungen an die Filtergröße werden durch die Komponenten im Kühlkreislauf festgelegt, die am empfindlichsten gegenüber Partikeln sind, wie Schnellkupplungen. Der erforderliche Filtergrad sollte für jedes System individuell bewertet werden. Auch hierbei spielt die Aufrechterhaltung des Systemdrucks eine entscheidende Rolle, ohne dass die Filterfunktion kompromittiert wird.

Überdruckventile schützen Server und Kühlsystem vor Pumpenstörungen. Bei auftretendem Überdruck leiten sie überschüssige Flüssigkeit ab. Das muss schonend und kontrolliert geschehen, um eine Kontamination der elektronischen Komponenten des Servers mit Flüssigkeit zu verhindern.

Zuverlässigkeit für erfolgskritische Systeme

Ein Hersteller von qualitativ hochwertigen und zuverlässigen Fluid-Control-Komponenten für diese Anwendungen ist The Lee Company. Das Unternehmen fertigt seit mehr als 75 Jahren Pumpen, Ventile, Siebe, Drosseln und Verschlusselemente in Miniaturbauweise für die anspruchsvollsten Anwendungen. Die Miniaturkomponenten von Lee waren bei der ersten Mondlandung im Einsatz, sorgen in Flugzeugen für Effizienz und sichere Landungen oder helfen in der Medizin- und Labortechnik dabei, Menschen erfolgreich zu heilen.

Lee verfügt über einen umfassenden Spezialmaschinenpark, mit dem sich extrem kleine und leichte Komponenten fertigen und die anspruchsvollsten Werkstoffe bearbeiten lassen. Hauseigene Test- und Prüflabors gewährleisten die Konformität zu anspruchsvollen Branchenanforderungen und verkürzen die Time-to-Market. Das erfahrene Vertriebsingenieursteam von Lee unterstützt Kunden rund um den Globus dabei, selbst die anspruchsvollsten Konstruktionsherausforderungen erfolgreich zu meistern. Alle Lee-Produkte werden vor Auslieferung einer 100-prozentigen Funktionsprüfung unterzogen.

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Fortschritt im Rechenzentrumsmarkt

Jürgen Prochno, Geschäftsführer der deutschen Tochtergesellschaft Lee Hydraulische Miniaturkomponenten, hebt die signifikanten Trends im Rechenzentrumssektor hervor: „Der Markt entwickelt sich klar in Richtung höherer Leistungsfähigkeit und steigender Investitionen. Jede Betriebsstörung, sei es durch Leckagen oder ineffiziente Kühlsysteme, führt zu erheblichen Kosten für Betreiber. Unsere Produkte sind speziell für Anwendungen konzipiert, in denen höchste Zuverlässigkeit unerlässlich ist. Beispielsweise verursachen Ausfälle im Kraftstoffsystem einer Trägerrakete immense Kosten. Ebenso könnten defekte Bremssysteme in Fahrzeugen oder Landungssysteme in Flugzeugen lebensbedrohlich sein. Unsere Miniaturkomponenten gewährleisten, dass solche Ausfälle verhindert werden. Bei Herstellern von Flüssigkeitskühlsystemen für Rechenzentren sind wir der ideale Partner, der maximale Zuverlässigkeit, Sicherheit und Performance sicherstellt.“

Lee wird seine Fluid-Control-Komponenten für die Flüssigkeitskühlung von Serveranlagen auf der Power of Electronics in Würzburg am 29. und 30. Oktober präsentieren. (heh)

* Peter Becker, im Auftrag der Lee Hydraulische Miniaturkomponenten GmbH.

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