Sprühkühlung für Server – eine gute Option

Forscher der Nanyang Technical University (NTU) in Singapur schlagen eine nachhaltigere Methode zur Kühlung von Servern in Rechenzentren vor. Mit diesem Plan ließen sich die dortigen Energiekosten und der CO2-Ausstoß um bis zu 26 % senken.

Vor allem in Singapur entfallen nach Angaben der Forscher 7 % des gesamten Stromverbrauchs auf Rechenzentren. Angesichts der wachsenden Nachfrage nach Computerressourcen ist dringend eine Lösung gefragt, die den Energieverbrauch und die Umweltauswirkungen dieser Anlagen reduziert.

Die Komponente, die sich in den Servern von Rechenzentren am stärksten erwärmt, ist die CPU: Sie benötigt eine spezielle, luftgekühlte Wärmesenke. Darüber hinaus muss auch der gesamte Raum des Rechenzentrums durch Klimaanlagen kühl gehalten werden. Herkömmliche Luftkühlungssysteme sind jedoch thermisch ineffizient und energieintensiv, da sie einen großen Temperaturunterschied zwischen der Wärmequelle und dem Kühlmedium benötigen. Das hat zur Folge, dass zwischen 30 und 55 % des Energieverbrauchs von Rechenzentren auf die Kühlsysteme entfallen.

Dabei ist zu beachten, dass die zunehmende Miniaturisierung elektronischer Chips einen erhöhten Wärmestrom zur Folge hat. Indes ist die Luftkühlung auf ein relativ niedriges Niveau von 37 W/cm2 begrenzt, so die NUT-Forscher – ein Grund mehr für die drängende Notwendigkeit effektiverer Kühlstrategien.

Unter Berücksichtigung all dieser Punkte haben die NTU-Wissenschaftler eine spezielle Lösung entwickelt: Ein Sprühnebel aus nichtleitenden Flüssigkeiten, der für eine direkte Kühlung der CPU zum Einsatz kommt. Dieser Plan folgt dem aktuellen Stand, dass diese Form der Flüssigkeitskühlung aufgrund ihrer besseren thermischen Eigenschaften als vielversprechende Alternative zur Luftkühlung angesehen wird.

Die indirekte Flüssigkeitskühlung, die mit dem Einsatz von Flüssigkeitszirkulationssystemen arbeitet, wurde aufgrund von Bedenken hinsichtlich des Austritts von Kühlmitteln nicht berücksichtigt. Die Tauchkühlung ist in großen Rechenzentren meist schwierig und teuer zu implementieren – allerdings ist sie Studien zufolge energieeffizient und der Luftkühlung in den Tropen überlegen.

So entstand die Idee der Sprühkühlung: Hier werden dielektrische Flüssigkeiten direkt auf CPUs gesprüht. Dabei kommt eine Kombination aus hocheffizienten Wärmeabfuhrmechanismen wie Verdampfung und Sieden zum Einsatz. Überschüssige Gase werden in einem geschlossenen System aufgefangen und bei tropischer Raumtemperatur (etwa 30 Grad Celsius) zu Flüssigkeit kondensiert. Nach ihrer Rückführung in den Kreislauf können sie vom System wiederverwendet werden.

„Die Inspiration für unsere Lösung ist einfach: Wenn wir brennendes Holz löschen wollen, wird uns beigebracht, den Feuerlöscher auf den Brandherd zu richten – anstatt zu versuchen, die Flammen zu löschen oder das Feuer einzuschließen. Wenn wir bei Rechenzentren ähnlich denken, verschwenden wir viel Energie, indem wir versuchen, die Luft um die Wärmequelle herum zu kühlen. Stattdessen sollten wir sie direkt kühlen“, erklärt Wong Teck Neng, NTU-Professor und Leiter des Forschungsprojekts.

Der Professor möchte damit ausdrücken, dass der gezielte Ansatz mehr Sinn macht – insbesondere in tropischen Umgebungen, wo hohe Luftfeuchtigkeit und Hitze herkömmliche Luftkühlsysteme an ihre Grenzen bringen. Ein standardgemäßes Rechenzentrum benötigt beispielsweise für einen reibungslosen Betrieb eine Temperatur von etwa 18 Grad Celsius. Im Vergleich dazu können Anlagen mit Sprühkühlung ihre optimale Temperatur bei etwa 55 Grad Celsius halten, ohne dass energieintensive Klimaanlagen nötig sind. Die Power Usage Effectiveness (PUE) – also das Verhältnis zwischen dem Gesamtenergieverbrauch des Rechenzentrums und der tatsächlich an die Server gelieferten Energie – des neuen Prototyps kann Werte von bis zu 1,08 erreichen. Dabei gilt: Je näher der Wert an der 1 liegt, desto besser. Luftgekühlte Rechenzentren haben im Allgemeinen PUE-Werte um 1,8.

Ausgehend von der Leistung, die Server in einem Serverschrank benötigen, beträgt die Abwärme bei herkömmlichen luftgekühlten Modellen etwa 7 kW pro Kubikmeter. Im Vergleich dazu zeigt der Versuch im Rahmen des NTU-Forschungsprojekts folgendes: Der verwendete sprühgekühlte Prototyp kann deutlich mehr Wärme ableiten und dazu mit Dichten von bis zu 23 kW pro Kubikmeter umgehen.

Darüber hinaus lassen sich mithilfe der neuen Sprühkühlungslösung Server mit größerer Rechenleistung auf kleinerem Raum unterbringen, als es in den derzeitigen Rechenzentren möglich ist. Die Forscher schätzen, dass dies eine Platzersparnis von etwa 30 % gegenüber herkömmlichen Rechenzentren mit luftgekühlten Systemen ausmacht. Allein das ist ein erheblicher Vorteil angesichts der Bodenknappheit, die in einigen Regionen zu erwarten ist.

Den Forschern zufolge ermöglicht die Sprühkühlung zudem höhere CPU-Geschwindigkeiten als bei derzeitigen CPUs, deren Taktung durch die Luftkühlung begrenzt sind (höhere Geschwindigkeiten führen auch zu höheren Temperaturen). Ein weiterer Vorteil: Der von den NTU-Wissenschaftlern vorgeschlagene Ansatz ist hochgradig skalierbar und lässt sich daher leicht an moderne Rechenzentren anpassen.

In Bezug auf die Umweltauswirkungen haben Studien des Forschungsteams Folgendes gezeigt: Das sprühgekühlte System kann bei einer IT-Last von 1 MW im Vergleich zu herkömmlichen luftgekühlten Rechenzentren jährlich bis zu 1.550 Tonnen CO2-Emissionen reduzieren. Darüber hinaus spart der energieeffiziente Betrieb durch die Sprühkühlung bis zu 26 % der jährlichen Energiekosten ein.

Bei der Untersuchung wurde ein sprühgekühltes System in einem Serverschrank, der bis zu zwölf Server aufnehmen kann, in Originalgröße verwendet. Sprays mit mehreren Düsen sprühen die dielektrische Flüssigkeit direkt auf jede CPU. Es gibt ein Auffangsystem für die verdampfte Flüssigkeit und einen Kondensator, der bei Raumtemperatur arbeitet und die verdampften Gase wieder in Flüssigkeit umwandelt. Ein Kühlsystem für die Raumtemperatur ist nicht erforderlich.

Die Technologie wurde mittlerweile schon zum Patent angemeldet. In den Vereinigten Staaten erhielt sie das Schutzrecht bereits im Juli 2022.