Server mit Wasser kühlen

Die allgegenwärtigen Diskussionen um den Energieverbrauch und die damit einhergehende Frage nach möglicher Energieeinsparung sind wohl der häufigste Grund, nach Alternativen für herkömmliche Rechenzentrumskühlung zu suchen. Speziell in Deutschland, wo durch politisch initiierte hohe Strompreise der Lösungswille anscheinend nur über den Geldbeutel der Betroffenen zu erzwingen ist, kann nur durch eine drastische Senkung des Stromverbrauchs das Überleben im hart umkämpften internationalen Markt erreicht werden. Will man also einmal wieder durch Technologievorsprung die Attraktivität des Standortes sichern, um somit der Abwanderung einer ganzen Branche vorzubeugen?

Eine Lösungsmöglichkeit heißt Flüssigkühlung, wobei über einen oder mehrere Kühlkörper, die mit Wasser gefüllt sind, die Wärme über dieser Platine bzw. die der wärmeabgebenden Bauteile abgeführt wird. Für diese Art der Kühlung werden spezielle Server benötigt. Hier kommen zwei wesentliche Vorteile zum Tragen:

1. Durch den Einsatz von Wasser statt Luft zur Kühlung von Servern besitzt Wasser nun einmal eine wesentlich höhere Wärmekapazität als die von Luft, wodurch eine direkte Wasserkühlung von Servern sehr effizient ist. Es muss weniger Volumen bewegt wer-den, um dieselbe Wärmemenge abzuführen. Das bedeutet weniger Energie zur Umwälzung des Kühlmittels und somit auch eine starke Reduzierung der serverseitigen Geräuschentwicklung, die bei der Luftkühlung typischerweise entsteht. Denn die On-board-Lüfter, die für die markante Geräuschkulisse verantwortlich sind, werden bei direkter Wasserkühlung verursacht durch die Onboard-Lüfter, die teilweise oder komplett entbehrlich werden, entsteht. Je nachdem, wie die Anordnung der Kühlkörper in den Servern erfolgt, ist auch eine wesentlich gleichmäßigere Wärmeabführung, z. B. der CPUs, möglich.
2. Wie aus dem Großraum Frankfurt bekannt wird, fängt die Abwärme von Rechenzentren bereits an, das lokale Mikroklima zu beeinflussen – ähnlich der Aufheizung zubetonierter Großstädte im Sommer. Nach Berechnungen des Branchenverbandes Bitkom könnten mit der Nutzung der Rechenzentrumsabwärme jährlich rund 350.000 Wohnungen versorgt werden. Diese Anzahl entspricht in etwa dem Bestand der Stadt Bremen. Flüssigkühlung macht den Wärmeaustausch technisch einfacher und viel weniger verlustreich als Luftkühlung. Statt warme Abluft aus dem Serverraum mit ca. 30 °C abzusaugen und diese dann wieder herunterzukühlen, erhält man fast 60 °C heißes Wasser aus dem Rücklauf des Kühlsystems, womit sich in Sachen Abwärmenutzung bereits etwas anfangen lässt. Das warme Wasser kann entweder direkt zur Heizung oder Warmwassererzeugung in nahegelegene Verbraucher geführt werden oder man hebt das Temperaturniveau an, um es in ein Nah- oder Fernwärmenetz zu speisen. Das kann unter Zuhilfenahme von adiabatisch unterstützten Rückkühlern dazu führen, dass man sich dann komplett von der konventionellen Kälteerzeugung durch elektroangetriebene Kompressor Technik verabschieden kann. Die Nutzung von klimaschädlichen Kälte-mitteln wäre dann auch nicht nötig, womit man sich einer Zertifizierung mit dem „Blauen Engel“ stark annähert.

Wenn also so viele Gründe für Flüssigkühlung sprechen, warum ist diese Technologie dann noch nicht etabliert? Es herrscht regelrechtes Zögern bei Planern und Betreibern. Hier muss durch Aufklärung und nutzbare Servertechnologie Abhilfe geschaffen werden, um nicht nur auf Messen solche „Exoten“ wie die Immersionskühlung bewundern zu können. Eine sehr spezielle Flüssigkühlung, bei der komplette Server in eine nichtleitende (dielektrische) organische Flüssigkeit getaucht werden. Somit kann zumindest die Trennung von Wasser und Server realisiert werden, aber die Wärmeleitfähigkeit und Wärmekapazität dieser Flüssigkeiten sind längst nicht so hoch wie die von Wasser. Darüber hinaus sind sie teuer und die Wartbarkeit der Systeme kann ebenfalls zum Problem wer-den.

Zu den wirtschaftlichen Aspekten ist zu sagen, dass für die speziell wassergekühlten Server höhere Investitionskosten gegenüber standardisierten Servern entstehen. Zudem funktioniert das System der Flüssigkeitskühlung nur effizient, wenn es voll ausgelastet ist. Solche Systeme müssen auf Grund der heutigen Anforderungen skalierbar sein, um nicht nur große und komplexe Rechenzentren zu kühlen, sondern müssen auch in Bestandsrechenzentren nachrüstbar sein. Dennoch ist diese Form der Klimatisierung vor allem für Rechenzentren geeignet, die im High-Performance-Computing-Bereich gebaut werden und mit einer sehr homogenen Serverausstat-tung geplant werden. In allen anderen Fällen sollte der Investitionsaufwand mit den zu erwartenden Einschränkungen genau geprüft werden.

Ein jedoch noch wichtigeres Thema ist die Akzeptanz dieser Technologie bei den Nutzern. Da spielen die Betriebssicherheit und die Praxistauglichkeit eine wesentliche Rolle, die nur über bereits gemachte Erfahrungen und deren Austausch zur Verbreitung kommen. Der Einsatz ist ja nicht neu, bereits seit vielen Jahren wird diese Kühlung im High-Performance-Bereich angewandt. Hier ist es an den Universitäten und Forschungsinstitutionen, ihre Erfahrungen zu verbreiten, um für andere Anwendungen zu lernen und Ergebnisse abzuleiten.

Ein kurzer Diskurs noch in Sachen Begrifflichkeit.: Es wird auch unter Fachleuten immer noch behauptet, dass es zwei Möglichkeiten der Flüssigkeitskühlung gibt: – zum einen die oben beschriebene direkte Kühlung der CPUs mit Wasser und zum anderen die Wärmeübertragung im Rack. Dazu gehört die Kühlung der Server mit Hilfe von wassergekühlten Türen, wobei innerhalb des Racks weiterhin Luft umgewälzt werden muss. Das ist jedoch nur eine Luftkühlung, die innerhalb des Racks stattfindet und hat nichts mit Flüssigkeitskühlung zu tun.