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Warmwasserkühlung: Die Re-Hydratisierung des Rechenzentrums

High Performance Computing (HPC) ist seit langem der Prüfstein für neue Technologien, die später im Mainstream-Computing enden. Ob der aktuelle Trend der Wasserkühlung im HPC auch seinen Weg in den Mainstream für Rechenzentrums-Anwendung finden wird, werden die kommenden Jahre zeigen.

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Der Einsatz von Wasser als alternative Kühlmethode zu Kaltluft war bis vor Kurzem weitgehend in der Versenkung verschwunden, findet mittlerweile aber wieder vermehrt Fürsprecher. Wasser war einst die populärste Kühlmethode im Rechenzentrum und ist es für große Mainframes immer noch. Mit dem Aufkommen der x86-Architektur in den 90er und 00er Jahren wurde jedoch die Luftkühlung zum De-facto-Standard. Im Jahr 2012 stellte das Leibniz-Rechenzentrum (LRZ) in München die HPC-Anbietergemeinschaft vor eine einzigartige Herausforderung: Das LRZ wollte den Stromverbrauch drastisch senken, ohne auf Rechenleistung zu verzichten. Das IBM System x Team lieferte einen Server mit direkter Warmwasserkühlung, der ungekühltes Wasser direkt über die CPUs, den Speicher und andere Komponenten mit hohem Stromverbrauch leitete. Das war die Geburtsstunde der warmwassergekühlten Supercomputer.

Kältemaschinen galten in der Vergangenheit als unverzichtbar beim Thema Wasserkühlung. Das LRZ brach mit diesem Credo und setzte stattdessen auf einen geschlossenen Kreislauf mit frei gekühltem Wasser von bis zu 45 °C. Neben der Energieeffizienz und den Kosteneinsparungen auf Rechenzentrumsebene ergaben sich einige weitere Vorteile: Da die CPUs durch die hocheffiziente, direkte Wasserkühlung wesentlich weniger warm wurden, fiel der Energieverlust in den Prozessoren geringer aus. Das führte zu einer Einsparung von bis zu fünf Prozent gegenüber einem vergleichbaren luftgekühlten Prozessor. Auf Wunsch konnten die Intel-CPUs nun auch konstant im „Turbo-Modus“ laufen und so die Leistung um bis zu 15 Prozent steigern. Da die Systeme keine Lüfter hatten - außer kleinen an den Stromversorgungen - war der Betrieb nahezu geräuschlos. Das im Rechenzentrum erzeugte warme Abwasser wurde als Wärmequelle für das Gebäude verwendet. Insgesamt betrug die Energieeinsparung laut LRZ beinahe 40 Prozent.

Mehrere Jahre sind vergangen und die meisten, wenn nicht sogar alle großen Hersteller von x86-Systemen sind in irgendeiner Weise (wieder) in die Wasserkühlung eingestiegen. Die Angebote reichen von  wassergekühlten Wärmetauschern an der Rückseite von Server-Racks, die wie ein Autokühler funktionieren und die von luftgekühlten Systemen abgegebene Wärme aufnehmen, bis zu Systemen, die in einen Tank mit einem speziellen, dielektrisch verträglichen Kühlmittel getaucht sind.

Auch direkt wassergekühlte Systeme haben sich weiterentwickelt: Fortschritte in Thermik und Material erlauben nun die Aufnahme von Wasser mit einer Temperatur von bis zu 50°C. Das macht die Wasserkühlung fast überall auf der Welt ohne den Einsatz von Kältemaschinen möglich. Auch die Anzahl der Komponenten, die mit Wasser gekühlt werden können, ist gestiegen: Neben der CPU und dem Speicher können auch die I/O- und Spannungsregler wassergekühlt werden, wodurch der Anteil der vom System an das Wasser übertragenen Wärme auf über 90 Prozent steigt.

Leider kann nicht alles im Rechenzentrum wassergekühlt werden. Deswegen wird daren gearbeitet, die alternative Wasserkühlung zu erweitern: Mit dem aufgeheizten Kühlwasser wird kaltes Wasser erzeugt, welches anschließend zur Kühlung der restlichen Komponenten im Rechenzentrum wiederverwendet werden kann. Bei diesem Verfahren werden Adsorptionskältemaschinen eingesetzt, die das heiße Wasser aus dem Kreislauf entnehmen und über ein spezielles Silika-Gel leiten: Das Wasser wird zunächst verdampft und anschließend abgekühlt. Das kondensierte Wasser wird dann entweder in Rechenschränke oder in einen Wärmetauscher an der Rückwand eines nicht wassergekühlten Speicher- oder Netzwerkgerätes geleitet. Dieser Ansatz ist nur möglich, weil das Wasser, das den Adsorptionskühlern zugeführt wird, heiß genug ist, um den Prozess effizient ablaufen zu lassen. Diese enge Verbindung und Wechselwirkung zwischen dem Server-Equipment und der Infrastruktur des Rechenzentrums birgt großes, bislang noch nicht ausgeschöpftes Potenzial.

Riesige Supercomputer-Cluster mit Tausenden von Knoten, Petabytes an Speicher und kilometerlangen Verbindungskabeln können die Infrastrukturkosten für den Umstieg auf Wasserkühlung rechtfertigen. Ein durchschnittliches Rechenzentrum, das E-Mail, Datenvorhaltung, CRM und andere wichtige Geschäftsanwendungen betreibt, wird aber sicherlich nicht heute und auch nicht morgen Klempner und Installateure einstellen müssen.

Erschienen am Prozessor Kerne pro Chip TDP (W) Spec FP Spec FP/W
Q2 2006Intel Xeon 516028017,70,22     
Q4 2007Intel Xeon x5460412025,40,21
Q1 2009Intel Xeon x557049543,80,46
Q1 2011Intel Xeon x5690613063,70,49
Q2 2012Intel Xeon E5-2690813594,80,7  
Q3 2013Intel Xeon E5-2697v2121301040,8
Q3 2014Intel Xeon E5-2699v3181451160,8
Q1 2016Intel Xeon E5-2699v4221451280,88
Q3 2017Intel Xeon Platinum 8180282051550,76
Die Tabelle zeigt, wie der Stromverbrauch von Intelprozessoren in den letzten zehn Jahren zugenommen hat.