Luftkühlung am Limit Warum die Leistungselektronik auf Flüssigkeitskühlung setzen sollte

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Mit der fortschreitenden Miniaturisierung in der Elektronik und Leistungselektronik stößt die bewährte Luftkühlung an ihre Grenzen. Flüssigkeitskühlung kann eine effiziente Alternative sein. Ein Vortrag auf der Power of Electronics gibt einen Überblick über die Vorteile, zeigt aber auch mögliche Probleme auf.

Steigende Rechenleistung und Packungsdichte von Transistoren erhöht die Leistungsdichte in modernen Mikroprozessoren. Eine Konsequenz daraus ist eine erhöhte Abgabe von Wärme. Die adäquate Kühlung dieser Systeme ist entscheidend, damit die Zuverlässigkeit, Leistung und Lebensdauer aller beteiligten Komponenten gegeben ist. Prozessoren, Inverter und ähnliche Komponenten in High-Performance-Computing- (HPC-)Systemen erzeugen eine so hohe Leistungsdichte, dass Luftkühlung allein nicht mehr ausreicht, um die notwendige thermische Stabilität und Effizienz sicherzustellen.

Zwei Experten von Rittal, Ann-Kathrin Dechert und Ralf Schneider, gehen in ihrem Vortrag „Die Anforderungen an die Kühlung moderner Mikroelektronik am Beispiel von High Performance Computing (HPC) mit Direct Liquid Cooling (DLC)“ auf die Vorteile der Flüssigkeitskühlung ein.

Warum ist das Thema Ihres Vortrags besonders relevant für unsere Teilnehmer?

Die kontinuierliche Miniaturisierung und Leistungssteigerung von Mikroelektronik, insbesondere in Bereichen wie IT, künstliche Intelligenz (KI) und Leistungselektronik, hat dazu geführt, dass traditionelle Luftkühlungssysteme an ihre Grenzen stoßen. Flüssigkeitskühlung kann hier eine effektive Lösung sein, um Probleme mit einer hohen Wärmedichte in modernen Mikroelektronikkomponenten zu meistern. Besonders in Rechenzentren, die zunehmend KI-Anwendungen betreiben, ist eine stabile und effiziente Kühlung unabdingbar. Hier sind die Anforderungen an eine präzise Temperaturkontrolle und die Möglichkeit zur Wärmerückgewinnung deutlich gestiegen.

Flüssigkeiten haben eine deutlich höhere spezifische Wärmeleitfähigkeit als Luft, was sie ideal für den Einsatz in Umgebungen mit hoher Wärmedichte macht. Zudem benötigen sie weniger Raum als vergleichbare Luftkühlsysteme und lassen sich dichter packen. Das ist besonders in Rechenzentren interessant. Hinzu kommt, dass Flüssigkeitskühlung weniger oder keine Lüfter benötigt. Sie arbeiten leiser. Unser gemeinsamer Vortrag gibt den Teilnehmern verschiedene Lösungsansätze beim Thema Flüssigkeitskühlung an die Hand.

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Was sind die drei wichtigsten Aspekte Ihres Vortrags?

Die Zukunft der Kühlung in der Mikroelektronik liegt in der Flüssigkeitskühlung. Sie ermöglicht nicht nur eine effizientere und stabilere Kühlung von Hochleistungskomponenten, sondern trägt auch erheblich zur Energieeffizienz und Nachhaltigkeit bei. Zu den drei wichtigsten Punkten aus dem Vortrag sind zu nennen: Steigende Leistungsdichte in der Mikroelektronik – Die kontinuierliche Miniaturisierung von Mikroelektronik und die zunehmende Integration von Funktionen haben in den letzten Jahren zu einer erheblichen Steigerung der Leistungsdichten geführt. Besonders in Hochleistungsanwendungen wie High Performance Computing (HPC), künstlicher Intelligenz (KI) und Leistungselektronik steigen die Anforderungen rasant.

Damit einhergehende Herausforderungen für die Industrie – Dazugehören beispielsweise die thermische Komplexität und die damit verbundene Ableitung der erzeugten Wärme. Denn eine Überhitzung beeinträchtigt nicht nur die Leistung des Systems, sondern auch die Lebensdauer der verbauten Komponenten. Die Leistungselektronik benötigt skalierbare Kühltechniken, die auch gleichzeitig flexibel sind. Außerdem müssen sie sich in bestehende Infrastrukturen problemlos einbinden lassen. Schließlich führen die steigenden Anforderungen an die Kühlung zu einem höheren Energiebedarf, was die Gesamtbetriebskosten erhöht und die Nachhaltigkeitsziele vieler Unternehmen gefährdet.

Der dritte Punkt ist Direct Liquid Cooling (DLC) als eine zukunftsweisende Anwendung, die sich bereits bewährt hat und das Potenzial bietet, die genannten Herausforderungen effektiv zu adressieren. DLC-Systeme ermöglichen es, die Wärme direkt von den kritischen Komponenten wie Prozessoren und Inverter abzuleiten, indem eine Kühlflüssigkeit durch speziell entwickelte Kanäle gepumpt wird.

Was lernen unsere Teilnehmer aus Ihrem Vortrag?

Im Vortrag lernen die Teilnehmer, wie sich der Markt der Kühlung für Elektronik grob entwickeln wird, was man technisch in Zukunft einsetzen kann, um zu kühlen und das auch nachhaltig zu gestalten. Immer vor dem Hintergrund, dass die Mikroelektronik eine Phase rasanten Wachstums durchläuft, angetrieben durch Megatrends wie High Performance Computing (HPC), künstliche Intelligenz (KI), Internet of Things (IoT) und Elektromobilität.

Diese Entwicklungen haben zu einer exponentiellen Zunahme der Rechenleistung und einer höheren Packungsdichte von Transistoren geführt. Der Markt für Kühlungstechnologien wächst parallel dazu, da die Anforderungen an thermisches Management immer komplexer werden. Traditionelle Luftkühlsysteme reichen in vielen Hochleistungsanwendungen nicht mehr aus, was zu einem verstärkten Interesse an fortschrittlichen Kühlanwendungen wie Direct Liquid Cooling (DLC) führt.

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