Rechenzentren: So werden sie gekühlt
In den dynamischen Zeiten der Digitalisierung und der KI spielen Rechenzentren eine immer bedeutsamere Rolle. Um Server-Ausfälle zu vermeiden, ist die Kältetechnik gefragt.
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In den dynamischen Zeiten der Digitalisierung und der KI spielen Rechenzentren eine immer bedeutsamere Rolle. Um Server-Ausfälle zu vermeiden, ist die Kältetechnik gefragt.
Rechenzentren sind elementare Bausteine der kritischen, (digitalen) Infrastruktur eines Landes. So betreiben sie zum Beispiel Clouds, auf denen Daten gespeichert werden. Mit diesen wird wiederum die Künstliche Intelligenz (KI) trainiert. Zugegeben: Die Bauten solcher Rechenzentren gehören nicht zu architektonischen Meisterwerken. Dennoch sind sie auf Bundes-, Landes- und auf Kommunalebene nicht mehr wegzudenken.
Damit die zahlreichen Server (Racks) rund um die Uhr leistungsfähig und in Betrieb bleiben, bedarf es einer umfänglichen Kühlung. Allerdings kommt es stark auf die Größe des Rechenzentrums an und darauf, wofür es konzipiert ist. „Ein Unternehmen mit bis zu 300 Beschäftigten hat üblicherweise einen einfachen Serverschrank, der zehn bis 20 Server enthält“, erläutert Frank Ernst, Geschäftsführer des Fachverbands Gebäude-Klima (FGK).
Ein sogenanntes Split-Klimagerät sorge für die notwendige Kühlung des Raumes und somit des Serverschrankes. Bei solchen Geräten handelt es sich zudem um Einstiegsgeräte, wenn sich der Blick auf Kälteanlagen bei Rechenzentren richtet, wie Ernst sagt. Obwohl die Anschaffung kostengünstig ist und sich die Investition schnell amortisiere, hätten die Split-Klimageräte den Nachteil, dass sich an der Decke eines Serverraums Kondenswasser ansammeln und auf die Server tropfen kann, wodurch die Server beschädigt werden können.
Daneben gibt es Rechenzentren, die für Kommunen und Kleinstädte mit bis zu 15.000 Einwohnern gebaut werden. Im Gegensatz zum Serverschrank mit bis zu 20 Servern „haben wir es hier mit Serverracks bis zu 46 Höheneinheiten zu tun“, so Ernst. Die erforderliche Kälteleistung dieser Rechenzentren liege laut dem FGK-Geschäftsführer zwischen 2,5 und 5 kW pro Serverrack.
Darüber hinaus gibt es weitere Typen von Rechenzentren. Versicherungen, Autokonzerne und Zulieferer würden auf Rechenzentren mit einer Gesamtkühlleistung zwischen 1 und 4 MW setzen. „Die größten Rechenzentren sind die sogenannten ‚Hyperscaler‘“, betont Ernst. Allerdings nutzen diese zum Beispiel Tech-Konzerne sowie andere weltweit tätige Unternehmen.
In den vergangenen Jahren wurden die Rechenzentren sowohl hierzulande als auch weltweit mit einer Kaltwasserkühlung gebaut. Abhängig von der Größe des Rechenzentrums, besteht die Kühlung aus einem oder mehreren Kaltwassersätzen. Hierbei handelt es sich um sogenannte „Chiller“. Diese entziehen einem Wasserkreislauf Wärme und kühlen diesen auf eine vorher eingestellte Vorlauftemperatur herunter. „In einem Rechenzentrum gibt es meistens einen Kalt- und einen Warmgang sowie einen Doppelboden, auf dem die Serverracks stehen“, erläutert Ernst.
Der Kaltgang verläuft dabei zwischen den Servern, wohingegen der Warmgang auf der Rückseite der einzelnen Server-Racks liegt. Aus dem Doppelboden strömt die kalte Luft in den Kaltgang. „Die Luft erwärmt sich, steigt nach oben auf und wird über den Warmgang hinter den Racks wieder in den Raum abgegeben“, so der FGK-Geschäftsführer.
Die eigentlichen verantwortlichen Protagonisten für die Kühlung der Server sind allerdings die Umluftkühlgeräte. „Diese sitzen an den Rackreihen, wälzen die Luft im Raum um und kühlen die Server mithilfe von Kaltwasser“, sagt Ernst. Aus der thermodynamischen Sicht ist die Leistungsdichte bei dieser Art der Kühlung auf 10 kW pro Serverschrank und pro Rack beschränkt. Die Deckelung habe vor allem mit Kosten zu tun. „Der Bau von Rechenzentren ist teuer. Es ist möglich, mehr Leistungsdichte zu erhalten“, so Ernst. Separate Kühlsysteme, die ebenfalls mit Kaltwasser betrieben werden, können in die Serverschränke verbaut werden. Allerdings ist der FGK-Geschäftsführer angesichts der höheren Leistungsdichte verhalten. „Es ist nicht ausgeschlossen, dass Leistungsdichten von 20 bis 50 kW möglich sind“, betont Frank Ernst.
Das Konzept der höheren Leistungen könne jedoch auch anders erreicht werden. Statt zahlreicher Umluftkühler, die in den Doppelboden des Rechenzentrums einblasen, könne man raumlufttechnische Anlagen verwenden, die außerhalb des Gebäudes stehen. „Diese wälzen große Luftmengen um. So werden die Server eines Rechenzentrums mit Außenluft gekühlt“, so Ernst. Bei einer typischen Winter-Außentemperatur von 5 oder gar 0°C könne man die Server kühlen.
Allerdings kann die Luft von außen nicht direkt in den Serverraum übertragen werden. Grund dafür sind Partikel und Verunreinigungen, die zu einer Schädigung der Server führen können. „Daher gibt es die Option des Kälterückgewinnungssystems in einem Rechenzentrum“, sagt Ernst.
Hier spielt der sogenannte Plattenwärmeübertrager (PWT), das Rückgrat eines mittelgroßen Rechenzentrums, eine entscheidende Rolle. Dabei besteht der PWT aus mehreren, dünnen Metallplatten, die nebeneinander angeordnet sind. Zwischen den einzelnen Platten fließen getrennte Medien (warmes Medium und kaltes Medium), die sich nicht miteinander vermischen. Die Abwärme der Server wird lediglich über die Platten übertragen. Ein PWT tausche bis zu 85 % die Energie in dem Rechenzentrum aus. So könne man mit der Temperatur der Außenluft den Serverraum kühlen, ohne dass die Partikel und der Schmutz von außen in den Raum gelangen.
Bei der direkten Chipkühlung (Direct-to-Chip-Kühlung oder Liquid Cooling) handelt es sich um eine Flüssigkeitskühlung, bei der eine Kühlflüssigkeit die Wärme direkt an einem wärmeerzeugenden Chip eines Servers aufnimmt und diese abführt. Die Wärme wird bei diesem Kühlverfahren nicht in die Umgebungsluft abgegeben. Die Wärmetransportleistung bei der direkten Chipkühlung ist dabei deutlich höher als bei der klassischen Luftkühlung. Laut Frank Ernst geht der Trend zu dieser Art der Kühlung in den Rechenzentren.
Die direkte Chipkühlung ist vor allem für KI-Rechenzentren von Bedeutung. Bei diesen Rechenzentren werden die Leistungen der Racks noch deutlich höher angegeben, mit Werten von 250 kW pro Rack und mehr. In diesen Fällen wird eine Kombination aus direkter Chipkühlung und Umluftkühlung berücksichtigt.
Aufgrund der hohen Leistungsdichten bei den KI-Systemen reichen die herkömmlichen Systeme zur Kühlung nicht mehr aus, wie es seitens der FGK heißt. Aus diesem Grund wird die direkte Chipkühlung mit den konventionellen Kühlmöglichkeiten in den Rechenzentren verwendet.
