Diese Kühltechnologien für Rechenzentren sollten Sie kennen

Welche Rolle spielt die Rechenzentrumskühlung?

Data Center nehmen eine große Menge Energie auf und einiges davon setzen sie in Wärme um. Je mehr Geräte in einen Raum gepackt werden, desto mehr Hitze entsteht darin.

Ein erfolgreiches Kühlkonzept sorgt dafür, dass alle IT-Assets genug Kühlung, Ventilation und nicht zu viel Luftfeuchtigkeit erhalten. Ansonsten nehmen sie Schaden. Im schlimmsten Fall verursachen überhitzte und beschädigte elektrische Geräte einen Brand, im besten Fall gehen sie schneller kaputt, und Sie müssen häufiger in Wartung, Reparatur und Ersatz investieren. Dieses Risiko sollten Sie somit auf keinen Fall vernachlässigen.

Mit der zunehmenden Dichte von Rechenleistung, müssen Betreiber auch bei der Kühlung nachziehen. Es verwundert somit nicht, dass Data-Center-Klimatisierung weiterhin ein Wachstumsmarkt ist, der laut Markets und Markets bis 2025 auf 15.7 Milliarden Dollar anschwellen wird.

Wie funktioniert die Kühlung von Rechenzentren?

Wie jeder andere Raum werden Rechenzentren durch einen Wärmeaustausch gekühlt. Dies geschieht in der Regel auf eine von mehreren Arten:

• Eine Klimaanlage stößt heiße Luft in die Umgebung aus und saugt frische Luft an, die sie gegebenenfalls kühlt und ins Rechenzentrum pumpt. Wenn das Rechenzentrum in einer kälteren klimatischen Zone liegt, ist eine zusätzliche Kühlung nicht mehr nötig. Letzteres Konzept bezeichnet man als Freie Kühlung.
• Luft zirkuliert durch das Kühlsystem innerhalb der Räumlichkeiten, in der Regel durch ein Warm- und Kaltgangkonzept zur Maximierung der Kühleffizienz.
• Die kühle Luft oder Flüssigkeit zirkuliert nur in den Geräten oder Racks selbst. Das bezeichnet man als Closed Coupled Cooling. Diese Methode ist in der Regel effizienter als raumbasierte Kühlkonzepte.

Aktuelle Kühlsysteme und -technologien für Rechenzentren

Luftkühlung und Flüssigkühlung sind zwei der beliebtesten Kühlmethoden.

Luftkühlung

Diese Kühlmethode ist ideal für kleinere oder ältere Rechenzentren, die Doppelböden mit Warm- und Kaltgängen kombinieren. Die Klimaanlage für den Computerraum (Computer Room Air Conditioning, CRAC) oder der Lüfter für den Computerraum (Computer Room Air Handler, CRAH) drückt kalte Luft in den Doppelboden, die dann durch Schlitze austritt und von den Gerätegebläsen angesaugt wird. Die kalte Luft verdrängt die warme Luft, die zum CRAC oder CRAH zurückströmt, wo sie gekühlt und wieder umgewälzt wird.

Warm- und Kaltluftschneisen erhöhen die Effizienz luftbasierter Kühlsysteme, da sie eine gezieltere Platzierung der Zu- und Abluftöffnungen ermöglichen. Das verhindert, dass sich Warm- und Kaltluft vermischen, so dass die CRAC- oder CRAH-Kühlung effizienter arbeiten kann.

Außerdem arbeitet ein CRAH sparsamer als ein CRAC, da er Außenluft ansaugt und diese mit kalten Wasser kühlt und nicht über ein Kältemittel. Ein CRAC funktioniert wie eine handelsübliche Klimaanlage und setzt auf mechanische Kühlung. CRAC-Geräte sind eher für kleine Rechenzentren geeignet.

Warm- und Kaltgang-Layouts

In diesem Layout sind die Serverschränke und Racks in einer Reihe angeordnet, wobei jede Reihe in die entgegengesetzte Richtung der vor ihr liegenden Reihe zeigt.

Bei dieser Gerätekonfiguration sind die Kalt- und Warmluftauslässe einander zugewandt, so dass abwechselnd Gänge mit warmer und kalter Luft entstehen. Die CRAHs in jedem Gang entlüften oder pumpen Luft ein, damit das Kühlsystem effizient arbeitet. Heiße Luft wird aus dem warmen Gang entlüftet, und kühle Luft wird durch den kalten Gang gepumpt.

Um den Luftstrom weiter zu lenken bauen Betreiber Türen und Wände zwischen den Reihen und an deren Ende ein. Die Schränke sollten so voll wie möglich sein, um Leerräume, Lücken und Kabelöffnungen zu vermeiden, durch die heiße oder kalte Luft sich vermischt.

Das Diagramm in Abbildung 1 veranschaulicht, wie warme und kalte Luft zirkuliert, um ein optimales Temperaturniveau im Rechenzentrum aufrechtzuerhalten.

Flüssigkühlung

Eine relativ neue Technologie ist die Flüssigkühlung. Sie ist ein effizienteres und im Betrieb kostengünstigeres Kühlsystem, da sie direkt an den Geräten im Rechenzentrum installiert werden kann, die sie am meisten benötigen. Flüssigkeit ist ein besserer Wärmeleiter als Luft. Sie eignet sich auch für größere Gerätedichten und Geräte, die überdurchschnittlich viel Wärme erzeugen, wie zum Beispiel High-Density- und Edge-Computing-Rechenzentren.

Es gibt zwei Hauptarten der Flüssigkühlung:

1. Immersionskühlung. Bei dieser Methode ist das gesamte elektrische Gerät in einem geschlossenen System in dielektrische Flüssigkeit getaucht. Die Flüssigkeit absorbiert die vom Gerät abgegebene Wärme, wandelt sie in Dampf um. Dieser kondensiert und kühlt dadurch wieder ab.
2. Direkte Flüssigkühlung auf dem Chip. Bei dieser Methode führen flexible Schläuche eine nicht entflammbare dielektrische Flüssigkeit direkt zum Chip oder der Hauptplatine, zum Beispiel einer CPU oder GPU. Die Flüssigkeit nimmt die Wärme auf, indem sie sich in Dampf verwandelt. Dieser Dampf wird dann über denselben Schlauch abgesaugt.

Die Zukunft der Rechenzentrumskühlung

Da Kühlung und deren Effizienz weiterhin ein drängendes Thema bleiben werden, mangelt es dem Markt nicht an Innovationen und potentiellen Zukunftstechnologien, zum Beispiel geothermische Kühlmethoden und der Einsatz von KI (Künstliche Intelligenz) und maschinellem Lernen, um die Kühlung besser zu überwachen und zu verwalten.

Kühlmethoden mit reduziertem Energieaufwand

Vielen Klimatechnologien ist ein großer Energieaufwand gemein. Es gibt jedoch einige Möglichkeiten, wie Rechenzentren diese Ausgaben senken oder vermeiden können:

• Die geothermische Kühlung nutzt die nahezu konstante Temperatur der Erde unterhalb der Erdoberfläche zur Kühlung. Es ist eine alte Idee, die schon vor Jahrhunderten zum Einsatz kommt, um Lebensmittel länger haltbar zu lagern. Solche Systeme führen Wasser oder ein anderes Kühlmittel durch ein geschlossenes Rohrsystem unter der Erde. Das Rechenzentrum von Iron Mountain im Westen Pennsylvanias, Verne Global in Island und Green Mountain in Norwegen nutzen geothermische Kühlung für ihre Rechenzentren.
• Die Verdunstungskühlung macht sich den Temperaturabfall zu Nutze, der auftritt, wenn Wasser mit bewegter Luft in Berührung kommt und verdampft. Ein Gebläse saugt die warme Luft des Rechenzentrums durch ein mit Wasser oder Kühlmittel befeuchtetes Kissen, in dem der Verdampfungseffekt die Luft abkühlt. Dieses System kostet nur einen Bruchteil eines üblichen HVAC-Systems und funktioniert am besten in Klimazonen mit niedriger Luftfeuchtigkeit.
• Die Solarkühlung setzt zwar auf handelsübliche, strombetriebene Klimaanlagen, betreibt diese jedoch mit Energie aus der hauseigenen Solaranlage. Das hat den positiven Effekt, dass die Anlage dann den meisten Strom liefert, wenn es besonders heißt ist.
• KyotoCooling ist eine Weiterentwicklung der Methode der freien Kühlung, bei der ein Kyoto-Rad die Warm- und Kaltluftströme im Rechenzentrum reguliert. Während sich das Rad dreht, leitet es die heiße Luft aus dem Inneren nach außen; die Außenluft kühlt dann das Rad und die Luft, die in die Einrichtung zurückgepumpt wird. Das System verbraucht zwischen 75 und 92 Prozent weniger Strom als andere CRAH-Systeme, reduziert die Kohlendioxidemissionen und macht den Einsatz von Wasser im Kühlsystem überflüssig. United Airlines nutzt die Technologie in einem Rechenzentrum bei Chicago und HP in seinem Rechenzentrum bei Toronto.

Künstliche Intelligenz und Klimatechnik

Aufgrund steigender Energiepreise aber auch wegen der großen Einstiegsinvestitionen für neue Kühltechnologien, lohnt sich das Stromsparen durch intelligente Managementsoftware immer mehr. Intelligente Assistenten für Rechenzentren, künstliche Intelligenz und maschinelles Lernen helfen, Einrichtungen effizienter zu überwachen und in Echtzeit Anpassungen vorzunehmen, um optimale Temperaturen und Luftfeuchtigkeitswerte zu gewährleisten. Google beispielsweise nutzt intelligente Temperatursteuerung zum Reduzieren der Wärmeabgabe und der Leistungsaufnahme. Das Unternehmen konnte mit seinem KI-Produkt DeepMind den Strombedarf der Kühlanlage in 18 Monaten um 40 Prozent senken.

Kühlroboter in Rechenzentren bewegen sich innerhalb der Anlage und überwachen Temperaturen und Luftfeuchtigkeit in bestimmten Serverschränken. Unternehmen wie OneNeck IT Solutions haben eine Robotersonde entwickelt, die in Standardschränke passt. Der Roboter bewegt sich auf einer Schiene im Schrank auf und ab, um Temperaturdaten für jedes Rack zu erfassen. Anschließend überträgt er die Daten über Bluetooth an angeschlossene Geräte, so dass Rechenzentrumsexperten eine vollständige Wärmekarte des Schranks einsehen können.

Die Nachfrage nach IT-Lösungen wird weiter steigen, daher müssen die Betreiber von Einrichtungen und ihre Kunden nach effizienteren und kostengünstigeren Kühllösungen suchen. Ob sie nun weniger umweltschädliche Optionen wie Erdwärme und Freie Kühlung in Betracht ziehen oder in neuere Technologien wie die Flüssigkühlung investieren – es gibt für jeden die richtige Technologie auf dem Markt.