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Luft- und Flüssigkühlung: Alles was Sie wissen müssen
Höhere Leistungsdichten und steigende Energiepreise machen Flüssigkühlung zunehmend zu einer realistischen Alternative. Wir erklären, was Sie vor der Entscheidung wissen müssen.
In Rechenzentren ist immer mehr Rechenleistung auf immer weniger Raum untergebracht, um Workloads zu konsolidieren und rechenintensive Anwendungen wie KI und erweiterte Analysen zu ermöglichen. Das hat zur Folge, dass die Leistungsaufnahme pro Quadratmeter steigt und die Hardware mehr Wärme abgibt, wodurch die Klimasysteme stärker unter Druck geraten, um einen sicheren und effizienten Betrieb zu gewährleisten.
In der Vergangenheit, als der Leistungsbedarf der Racks deutlich unter 20 Kilowatt (kW) lag, reichte Luftkühlung aus, um sichere Betriebstemperaturen aufrechtzuerhalten. Die heutigen Hochleistungs-Racks überschreiten jedoch leicht 20 kW oder 30 kW. Das liegt zum großen Teil daran, dass die Computersysteme in diesen Racks mit CPUs und GPUs konfiguriert sind, die eine viel höhere thermische Leistungsdichte aufweisen als frühere Generationen. Einige Luftkühlungssysteme sind in der Lage, Racks mit einem Leistungsbedarf von mehr als 20 kW zu unterstützen, sind sie ineffizient und kompliziert zu warten, so dass Flüssigkühlung immer attraktiver wird.
Bei der Entscheidung zwischen Flüssigkühlung und Luftkühlung gibt es viele Faktoren zu berücksichtigen. In diesem Artikel werden die beiden wichtigsten Kühlmethoden für Rechenzentren beschrieben, ihre Vor- und Nachteile gegenübergestellt und die Faktoren erörtert, die bei der Wahl zwischen den beiden Methoden zu berücksichtigen sind.
Was ist Luftkühlung?
Luftkühlung ist eine etablierte Kühlungstechnologie in Rechenzentren. Obwohl sie sich im Laufe der Jahre weiterentwickelt hat und die Kühlsysteme immer effizienter geworden sind, ist das Grundkonzept dasselbe geblieben. Kalte Luft wird über die Hardware geblasen oder zirkuliert um sie herum, wobei die Wärme durch den Austausch von wärmerer mit kälterer Luft abgeleitet wird.
Die Hauptunterschiede zwischen verschiedenen Luftkühlsystemen liegen in der Art und Weise, wie sie den Luftstrom steuern. Sie werden im Allgemeinen in drei Typen eingeteilt: raum-, zeilen- und Rack-basiert.
Ein raumbasiertes System verwendet Computerraum-Klimageräte (Computer Room Air Handler, CRAH), um gekühlte Luft in den Geräteraum zu drücken. Die Luft kann im gesamten Raum umgewälzt oder über Doppelböden in der Nähe der Geräte abgeführt werden. Viele raumbasierte Systeme verfügen heute über eine Warm- und Kaltgangkonfiguration, um den Luftstrom besser zu steuern und die Geräte gezielt zu kühlen, was Energie spart und Kosten senkt. Eine Einhausung isoliert die heißen und kalten Gänge voneinander.
Die zeilenbasierte Kühlung ist gezielter als ein raumbasiertes System. Jede Reihe enthält spezielle Kühleinheiten, die den Luftstrom auf bestimmte Geräte konzentrieren. Diese auch als Reihenkühlung bezeichnete Methode verbessert die Kühleffizienz und reduziert die zur Steuerung des Luftstroms erforderliche Leistung. Die reihenbasierte Kühlung lässt sich auf unterschiedliche Weise implementieren, zum Beispiel durch die Positionierung der Kühleinheiten zwischen Server-Racks oder durch die Montage über Kopf.
Ein Rack-basiertes System geht noch einen Schritt weiter, indem es die Kühleinheiten bestimmten Racks zuordnet und so eine noch höhere Präzision und Effizienz als die anderen Ansätze der Luftkühlung erreicht. Die Kühleinheiten sind hier direkt in den Racks montiert. Auf diese Weise konfigurieren Admins die Kühlkapazität entsprechend den spezifischen Anforderungen eines Racks. Ein Rack-basiertes System erfordert jedoch viel mehr Kühleinheiten, ist teurer einzurichten und erhöht die Gesamtkomplexität.
Im Laufe der Jahre hat sich die Luftkühlung als unschätzbares Werkzeug für den Schutz von Rechenzentrumsgeräten erwiesen. Die Technologien, die dahinterstehen, sind gut bekannt, weit verbreitet und werden in Rechenzentren auf der ganzen Welt immer noch ausgiebig genutzt. Die Mitarbeiter von Rechenzentren sind mit der Luftkühlung vertraut und wissen, was sie tun müssen, um sie am Laufen zu halten.
Nachteile der Luftkühlung
Leider birgt die Luftkühlung auch einige Herausforderungen. Ganz oben auf der Liste steht ihre Unfähigkeit, den modernen Arbeitsanforderungen gerecht zu werden. Die Luftkühlung kann in vielen Fällen nicht die erhöhte Dichte und umfangreichen Verarbeitungslasten bewältigen. Ab einem gewissen Punkt sind die Investitionskosten für Luftkühlung – zusammen mit der zusätzlichen Komplexität – nicht mehr in einem sinnvollen Verhältnis zum Nutzen. Schon jetzt macht die Luftkühlung einen erheblichen Prozentsatz der Opex von Rechenzentren aus. Steigende Energiekosten verschlimmern das Problem nur noch.
Wassermangel ist auch eine Herausforderung für Luftkühlungssysteme, wenn sie auf Verdunstungskühlung oder Kühltürme angewiesen sind. Darüber hinaus führt eine höhere Rechendichte zu einer größeren Anzahl von Ventilatoren und Pumpen, die in Rechenzentren so laut sind, dass das Personal Gehörschutz tragen muss.
Das eigentliche Problem ist, dass Luft einfach kein effizientes Wärmeübertragungsmedium ist und es bessere Wege gibt, modernen Workloads gerecht zu werden.
Was ist Flüssigkühlung?
Rechenzentren haben begonnen, die Flüssigkühlung nicht nur für Mainframes und Supercomputer einzusetzen. Wasser und andere Flüssigkeiten sind bei der Wärmeübertragung wesentlich effizienter als Luft – zwischen 50 und 1.000 Mal effizienter. Die Flüssigkühlung verspricht, viele der Probleme zu lösen, die mit Luftkühlungssystemen einhergehen, insbesondere wenn die Rechendichte steigt.
Die in Rechenzentren eingesetzten flüssigkeitsbasierten Kühltechnologien werden üblicherweise in drei Kategorien eingeteilt: Direktkühlung, Wärmetauscher an der Rückseite der Tür und Tauchkühlung.
Bei der Direct-to-Chip-Kühlung – manchmal auch als Direct-to-Plate-Kühlung bezeichnet – ist das Kühlsystem direkt in das Computergehäuse integriert. Die Kühlflüssigkeit wird über Rohrleitungen zu Kühlplatten geleitet, die sich direkt neben den Komponenten wie CPUs, GPUs oder Speicherkarten befinden. Kleine Schläuche leiten die kühle Flüssigkeit zu jeder Platte, wo die Flüssigkeit die Wärme von den darunter liegenden Komponenten ableitet. Die warme Flüssigkeit fließt dann zu einer Kühlvorrichtung oder einem Wärmetauscher.
Ein ähnliches Konzept kann auf der Rack-Ebene über Wärmetauscher an der Rückseite der Rack-Tür umgesetzt werden. Serverlüfter blasen die warme Luft durch den Wärmetauscher, in dem die Flüssigkeit durch ein geschlossenes Kreislaufsystem zirkuliert. Obwohl der genaue Prozess von System zu System variiert, umfasst ein Kühlsystem mit Hintertür in der Regel ein Kältemittel, das durch den Wärmetauscher fließt. Dieses Kältemittel wird in einem lokalen System heruntergekühlt, oder aber über andere Methoden, wie freie Kühlung.
Eine neuere Technologie, die auf dem Vormarsch ist, ist die Immersionskühlung. Bei diesem Ansatz werden alle internen Serverkomponenten in eine nichtleitende dielektrische Flüssigkeit getaucht. Die Komponenten und die Flüssigkeit befinden sich in einem wasserdichten Behälter. Die Wärme der Komponenten wird an die Kühlflüssigkeit übertragen, ein Prozess, der weit weniger Energie benötigt als andere Ansätze. Die Eintauchkühlung kann ein- oder zweiphasig sein. Bei der einphasigen Kühlung wird das Kühlmittel kontinuierlich umgewälzt und gekühlt, um die Wärme abzuführen. Bei einem Zweiphasensystem wird ein Kühlmittel mit einem niedrigen Siedepunkt verwendet. Wenn das Kühlmittel kocht, wird es zu Dampf und steigt zum Behälterdeckel auf, wo es abgekühlt und wieder zu Flüssigkeit kondensiert wird.
Da Flüssigkühlung die Wärme besser leiten kann als Luft, kann sie die wachsende Dichte eines Rechenzentrums besser unterstützen und ermöglicht so rechenintensivere Anwendungen. Darüber hinaus senkt die Flüssigkühlung den Energieverbrauch erheblich und nimmt weniger Wasser auf als viele Luftkühlungssysteme, was zu niedrigeren Betriebskosten und einem nachhaltigeren Rechenzentrum führt. Die Flüssigkühlung benötigt außerdem weniger Platz, erzeugt weniger Lärm und trägt zur Verlängerung der Lebensdauer der Computerhardware bei.
Nachteile der Flüssigkühlung
Trotz dieser Vorteile hat die Flüssigkühlung auch ihre Schattenseiten. Neben den viel höheren Investitionskosten ist das Risiko von Leckagen für viele IT-Experten ein großes Problem, insbesondere bei der Direktkühlung auf dem Chip. Sollte es zu einem Leck kommen, könnte dies verheerende Auswirkungen auf die Hardware haben.
Flüssigkühlung erfordert zudem, dass die Betreiber von IT und Rechenzentren neue Fähigkeiten erlernen und einen neuen Verwaltungsrahmen einführen, was einen erheblichen Aufwand und zusätzliche Betriebskosten bedeutet.
Einige Betriebe würden für eine Umstellung neues Personal oder Berater einstellen müssen, was den Opex-Vorteil noch mehr untergräbt. Außerdem ist der Markt für Flüssigkühlung noch nicht ausgereift und umfasst eine Vielzahl von Technologien, was zu proprietären Produkten führt und das Risiko einer Anbieterbindung birgt.
Faktoren, die bei der Entscheidung zwischen Luftkühlung und Flüssigkühlung zu berücksichtigen sind
Unternehmen, die neue Rechenzentren einrichten oder bestehende modernisieren, fragen sich möglicherweise, ob sie eine Flüssigkühlung einführen oder bei der bewährten Luftkühlung bleiben sollen. Um sich für eine der beiden Varianten zu entscheiden, müssen sie mehrere wichtige Überlegungen anstellen.
Preis
Die Kosten sind ein entscheidender Faktor bei der Wahl einer Kühlmethode für ein Rechenzentrum, doch das Ermitteln der tatsächlichen Gesamtbetriebskosten (Total cost of ownership, TCO) ist ein komplexer Prozess. Bei der Flüssigkühlung geht man in der Regel davon aus, dass die Investitionskosten wesentlich höher sind; einige Branchenvertreter beginnen jedoch, diese Annahme in Frage zu stellen. Laut einer von Schneider Electric durchgeführten Kostenstudie sind die Investitionskosten für eine gehäusebasierte Tauchkühlung für ein 10-kW-Rack vergleichbar mit denen für eine Luftkühlung des Racks mit Warmgangeinhausung. Die höhere Effizienz der Flüssigkühlung kann sich außerdem in niedrigeren Betriebskosten niederschlagen, vor allem wenn die Dichte zunimmt.
Außerdem verbraucht die Flüssigkühlung weniger Strom und Wasser, was insbesondere in Gebieten mit Wasserknappheit von Bedeutung ist. Auf der anderen Seite könnte sich das Risiko der Anbieterbindung auf die langfristigen TCO auswirken. Außerdem erfordert die Flüssigkühlung in der Regel spezielle Schulungen oder Personal für die Implementierung und Wartung, und die Verwaltung des Systems ist komplexer und zeitaufwändiger, was die laufenden Koten steigen lässt. IT-Administratoren und Standortbetreiber sind mit luftgekühlten Systemen, so dass Sie keine teuren Spezialisten anheuern müssen.
Auch die Computer selbst sollten Sie bei der Bewertung der TCO berücksichtigen. Die Flüssigkühlung erlaubt größere Rechnerdichten bei gleichzeitiger Reduzierung des Platzbedarfs im Rechenzentrum, was zu einer besseren Raumnutzung führt. Es kann sein, dass Ihre bisherige Kühlinfrastruktur daher das Wachstum Ihres Unternehmens behindert hat und Sie die höheren Opex durch verbesserte Einnahmen mit leistungsfähigeren Servern ausgleichen werden.
Aufwand für Installation und Wartung
Eine weitere wichtige Überlegung ist der Aufwand für die Installation und Wartung eines Kühlsystems. Bei der Luftkühlung sind der Betrieb der Geräte und der Austausch von Komponenten in der Regel unkompliziert und betreffen nur selten die Computerkomponenten selbst. Das heißt nicht, dass die Luftkühlung nicht auch ihre eigenen Herausforderungen mit sich bringt, wie zum Beispiel die laufende Wasseraufbereitung oder die mechanische Wartung, aber Sie können auf einen reichen Erfahrungsschatz zurückgreifen, um den Aufwand zu prognostizieren.
Flüssigkühlung erfordert eine neue Denkweise und eine neue Arbeitsweise. IT- und Rechenzentrumsteams müssen eine steile Lernkurve durchlaufen und sind in einigen Fällen bei der Routinewartung von einem Anbieter abhängig. Was ist zum Beispiel, wenn die IT-Abteilung die Speicherkarte in einem Server mit Flüssigkühlung austauschen muss? Admins müssen die Server aus der dielektrischen Flüssigkeit heben – an sich schon keine leichte Aufgabe – und müssen die Flüssigkeit von den Komponenten entfernen. Außerdem gibt es oft Auflagen dazu, wie die Flüssigkeit zu handhaben ist. Bei der Analyse der Kosten müssen Sie alle Auswirkungen der Bereitstellung und Wartung eines Kühlsystems berücksichtigen.
Nachhaltigkeit
Die Betreiber von Rechenzentren stehen mehr denn je unter dem Druck, ihre Rechenzentren nachhaltiger zu gestalten. Dieser Druck kommt nicht nur von den Kunden, sondern auch von Mitarbeitern, Aktionären, Investmentfirmen, Regierungen und der Öffentlichkeit im Allgemeinen. Gleichzeitig versuchen die Betreiber, die Herausforderungen zu bewältigen, die sich aus immer umfangreicheren Rechenaufgaben und Speichern ergibt.
Unternehmen, die sich für umweltfreundlichere Praktiken in Rechenzentren entscheiden, sollten die Flüssigkühlung in Betracht ziehen, da sie weniger Strom und Wasser aufnimmt und dabei mehr Leistung unterstützt.
Standort
Der Standort kann ein wichtiger Faktor bei der Entscheidung zwischen Luft- und Flüssigkühlung sein. Ein Rechenzentrum in der Nähe der Arktis wird zum Beispiel eher die reichlich vorhandene Kaltluft nutzen, um die Betriebstemperaturen zu senken. Es muss immer noch die Außenluft filtern und Luftfeuchtigkeit regulieren – die Kühlung ist also kein kompletter Selbstläufer.
Demgegenüber wird ein Rechenzentrum in einem wärmeren Klima eher Schwierigkeiten haben, seine Luftkühlungssysteme aufrechtzuerhalten, wenn die Rack-Dichte zunimmt, so dass die Flüssigkühlung eine praktikablere Option ist. Das Gleiche gilt für ein Rechenzentrum in einer belebten städtischen Umgebung, das die Rechendichte erhöhen muss, weil es die Stellfläche nicht erweitern kann. Lokale Vorschriften, Steuervorteile oder ähnliche Aspekte können ebenfalls eine Rolle bei der Entscheidung zwischen Luft- und Flüssigkühlung spielen.
Zukunftssicherheit
Nicht alle Unternehmen haben hohe Ansprüche an die Rechenleistung, so dass ein Wechsel zu Flüssigkühlung möglicherweise nicht gerechtfertigt ist. Doch auch sie werden wahrscheinlich dauerhaft ihre Rechendichte eher erhöhen. Darüber hinaus ist zu erwarten, dass Nachhaltigkeit eher noch wichtiger wird, was eine Reihe von Herausforderungen mit sich bringt. Irgendwann könnte die Flüssigkühlung die einzige praktikable Lösung sein, was aber nicht bedeutet, dass Sie sofort wechseln sollten. Sie müssen jedoch auf diese Entwicklung vorbereitet sein.
Die Rolle der technologischen Reife bei der Auswahl der Kühlung
Wärmetauscher an der Rack-Rückseite finden sich in immer mehr Rechenzentren, und auch andere Formen der Flüssigkühlung haben bereits große Fortschritte gemacht. Allerdings ist die Flüssigkühlung noch eine relativ junge Technologie, wenn es nicht gerade um Mainframes und Supercomputer geht. Daher ist es schwer abzuschätzen, welche Technologien sich durchsetzen werden, welche Standards sich entwickeln werden oder was in vier oder fünf Jahren auf den Markt kommt.
Bei der Luftkühlung wissen die Unternehmen, worauf sie sich einlassen, doch die Lebensdauer der Lösung könnte begrenzt sein. Wer seine Entscheidung hinausschieben kann, sollte der Flüssigkühlung mehr Zeit lassen, in der sie auf dem Markt reifen kann. Diejenigen, die sich bereits in der Klemme befinden, könnten einen schrittweisen Einstieg in die Flüssigkühlung in Erwägung ziehen.
