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So entscheiden Sie sich zwischen Flüssig- und Luftkühlung

Bei der Kühlung von Rechenzentren ist Luftkühlung der kostengünstige Klassiker – doch Flüssigkühlung lockt mit mehr Effizienz auf weniger Raum. Wir erklären, was sich für wen lohnt.

In Rechenzentren steigt nach wie vor die Dichte, um Workloads zu konsolidieren und rechenintensive Anwendungen wie künstliche Intelligenz und fortgeschrittene Analysen unterzubringen. Infolgedessen steigt die Leistungsaufnahme der einzelnen Racks und sie geben mehr Wärme ab. Das wiederum belastet die Kühlsysteme stärker.

In der Vergangenheit war Luftkühlung in der Regel ausreichend. Doch mit den höheren Dichten stoßen Luftkühlsysteme allmählich an ihre Grenzen. Das veranlasst viele Unternehmen, sich mit dem Thema Flüssigkühlung auseinanderzusetzen.

Bei der Entscheidung zwischen Flüssigkühlung und Luftkühlung gibt es viele Faktoren zu berücksichtigen. Dieser Artikel beschreibt diese beiden Kühlmethoden für Rechenzentren und vergleicht ihre Vorteile, Nachteile und Kosten.

Was ist Luftkühlung?

Rechenzentren verwenden seit jeher Luftkühlung und nutzen diese auch weiterhin in großem Umfang. Obwohl sich die Technologie im Laufe der Jahre weiterentwickelt hat und die Kühlsysteme immer effizienter wurden, ist das Grundkonzept das gleiche geblieben.

Kalte Luft wird über die Hardware geleitet oder um sie herum, wobei die Wärme durch Luftaustausch abgeführt wird. Die Hauptunterschiede zwischen verschiedenen Luftkühlsystemen liegen in der Art und Weise, wie sie den Luftstrom steuern. Sie lassen sich anhand ihres Aufbaus in drei Typen einteilen: raum-, reihen- und rackbasierte Systeme.

Raumbasierte Systeme gibt es in verschiedenen Varianten. Die Luft kann im gesamten Geräteraum zirkulieren oder der Fußboden kann in der Nähe der Geräte angehoben und die Luft durch Öffnungen in den Bodenplatten gepresst werden. Die neuere Variante ist das Kalt- und Warmgangsystem, das den Luftstrom besser kontrolliert und die Geräte gezielt ansteuert. Außerdem hilft Einhausung dabei, den Luftstrom mit noch größerer Genauigkeit zu lenken.

Bei einem reihenbasierten Ansatz sind in jeder Reihe dedizierte Kühleinheiten positioniert, die den Luftstrom auf bestimmte Geräte richten. Dieser Ansatz verbessert die Kühleffizienz und reduziert die zur Steuerung des Luftstroms erforderliche Ventilatorleistung.

Ein Rack-basiertes Kühlsystem geht noch einen Schritt weiter. Hier sind die Kühleinheiten jeweils einzelnen Racks zugeordnet, wodurch eine noch größere Präzision und Effizienz als bei den anderen Ansätzen erreicht wird. Dieses System erfordert jedoch mehr Geräte und schafft mehr Komplexität.

Im Laufe der Jahre hat sich die Luftkühlung als ein unschätzbares Werkzeug zum Schutz der Ausrüstung in Rechenzentren erwiesen. Mitarbeiter von Rechenzentren sind mit der Luftkühlung vertraut und wissen, was nötig ist, um sie am Laufen zu halten. Die Wartung dieser Systeme ist ein unkomplizierter Prozess und in den meisten Unternehmen ist ausreichend Erfahrung vorhanden.

Nachteile der Luftkühlung

Unglücklicherweise birgt auch die Luftkühlung einige Herausforderungen. Ganz oben auf der Liste steht, dass sie oft nicht die Leistung erbringt, die moderne Workloads benötigen. Irgendwann ist der Investitionsaufwand für das Aufrüsten der Luftkühlung nicht mehr zu rechtfertigen.

Sie macht schon jetzt einen beträchtlichen Prozentsatz der Opex (Operational Expenditure, Betriebsausgaben) von Rechenzentren aus. Steigende Energiekosten verschärfen das Problem zusätzlich. Auch für Verdunstungskühlung führen höhere Rechendichten zu mehr Kühlventilatoren und Pumpen, wodurch Rechenzentren so laut werden, dass das Personal Gehörschutz tragen muss.

Das Grundproblem bei alledem ist, dass Luft kein effizientes Wärmeübertragungsmedium ist und eine bessere Kühllösung benötigt wird, um moderne Anforderungen an Rechenzentren zu erfüllen.

Was ist Flüssigkühlung?

Rechenzentren haben begonnen, Flüssigkühlung nicht nur für Großrechner und Supercomputer einzusetzen. Wasser und andere Flüssigkeiten sind bei der Wärmeübertragung weitaus effizienter als Luft und können dazu beitragen, einige der Herausforderungen zu bewältigen, insbesondere bei steigenden Rechendichten.

Eine Variante der Flüssigkühlung, die an Zulauf gewinnt, ist die Direct-to-Plate-Kühlung. Dabei sitzt die Kühlplatte direkt neben einer Komponente – wie etwa einer CPU (Prozessor), GPU (Graphic Processing Unit) oder Speicherkarte. Kleine Röhrchen sind mit der Platte verbunden, um kühles Wasser zuzuführen und warmes Wasser abzuführen. Das warme Wasser wird dann abgekühlt und zurück zum Gerät zirkuliert.

Ein ähnliches Konzept funktioniert auch auf der Rack- oder Serverebene. Wasser oder eine andere Kühlflüssigkeit wird durch ein geschlossenes Kreislaufsystem geleitet, um den Wärmeaustausch zu ermöglichen. Obwohl der genaue Prozess von einer Lösung zur nächsten variiert, lässt sich verallgemeinert sagen, dass Flüssigkühlung ein eingeschlossenes Kühlmittel sowie einen Wärmetauscher zum Abführen der Wärme und ein Mechanismus zur Senkung der Kühlmitteltemperatur während des Umlaufs verwendet.

Eine weitere Technologie für Flüssigkühlung, die Fortschritte macht, ist die Tauchkühlung. Bei diesem Ansatz werden alle internen Serverkomponenten in eine nicht leitende dielektrische Flüssigkeit getaucht. Die Komponenten und die Flüssigkeit werden dann in einem abgedichteten Behälter eingeschlossen, um Lecks zu verhindern. Auf diese Weise wird die Wärme von den Komponenten auf das Kühlmittel übertragen, das konstant im Fluss gehalten und gekühlt wird, um die Wärme abzuführen.

Abbildung 1: Das Diagramm zeigt verschiedene Konzepte für die Rechenzentrumskühlung: den raum-, reihen- und Rack-basierten Ansatz. Die blauen Pfeile stehen für die Position der Kühlgeräte im Raum.
Abbildung 1: Das Diagramm zeigt verschiedene Konzepte für die Rechenzentrumskühlung: den raum-, reihen- und Rack-basierten Ansatz. Die blauen Pfeile stehen für die Position der Kühlgeräte im Raum.

Da Flüssigkeiten die Wärme besser leiten können als Luft, eignen sie sich besser für Rechenzentren mit höherer Dichte. Das trägt dazu bei, rechenintensive Anwendungen zu unterstützen. Darüber hinaus ist Flüssigkühlung erheblich energieeffizienter, und sie verbraucht weniger Wasser als viele Luftkühlsysteme, was die Betriebskosten senken kann. Die Flüssigkühlung beansprucht außerdem weniger Platz und erzeugt weniger Lärm.

Nachteile der Flüssigkühlung

Trotz dieser Vorteile hat die Flüssigkühlung ihre Schattenseiten. Zusätzlich zu einem höheren Investitionsaufwand müssen IT- und Rechenzentrumsadministratoren neue Fähigkeiten erlernen und neue Wartungsprozesse implementieren.

Das kann auch bedeuten, dass das Unternehmen neue Mitarbeiter oder Berater einstellen muss, wodurch die Kostenvorteile zunichte gemacht werden können. Hinzu kommt, dass der Markt für Flüssigkühlung immer noch im Reifeprozess begriffen ist, mit einer breiten Palette von Technologien und fehlenden Standards. Die Folge sind proprietäre Produkte, die zu unerwünschter Herstellerbindung führen.

Zu berücksichtigende Faktoren bei der Wahl zwischen Luftkühlung und Flüssigkühlung

Organisationen, die neue Rechenzentren einrichten oder bestehende Rechenzentren modernisieren, sollten evaluieren, ob es ein guter Zeitpunkt ist, eine Flüssigkühlung zu implementieren oder ob es für sie besser ist, bei der bewährten Luftkühlung zu bleiben.

Preis

Die Kosten werden zweifellos einer der entscheidenden Faktoren sein. Es kann aber schwierig sein, eine realistische TCO-Aufstellung (Total cost of ownership ) zu erhalten. Obwohl die Flüssigkühlung mit einem höheren Investitionsaufwand verbunden ist, kann ihre größere Effizienz auf Dauer die Kosten senken, insbesondere bei steigenden Dichten. Auf der anderen Seite könnte sich der Vendor Lock-in langfristig negativ auf die TCO auswirken.

Die Umsetzbarkeit dichterer Rechenzentrumsinfrastruktur mit Flüssigkühlung kann einer Organisation zugutekommen, die aufgrund von Beschränkungen durch die Luftkühlung nicht in der Lage war, rechenintensive Workloads auf der ihnen zur Verfügung stehenden Fläche zu implementieren. Die Unterstützung dieser Workloads kann zu weiteren Einsparungen führen.

Installation und Wartung

Eine weitere wichtige Überlegung sind Aufwand und Kosten für das Implementieren und Warten der Kühlung. Bei Luftkühlung ist der Betrieb der Anlage und der Austausch von Komponenten einfach. Das heißt nicht, dass sie frei von Problemen ist, aber meistens arbeiten die Admins im Unternehmen schon lange mit diesen Technologien.

Die Flüssigkühlung bedeutet für sie eine neue Denk- und Arbeitsweise. IT- und Rechenzentrumsteams müssen sich viel neues Wissen aneignen und können unter Umständen bei der Routinewartung von einem Anbieter abhängig sein. Der Austausch von Komponenten in Tauchkühlung ist beispielsweise schwer oder nur über den Anbieter möglich. Support- und Schulungskosten sollten also Teil der TCO-Analyse sein.

Effizienz

Laufen im Rechenzentrum eines Unternehmens keine rechenintensiven Workloads, dann lohnt sich auch nicht der Umstieg auf Flüssigkühlung. In den meisten Unternehmen wird die Dichte wahrscheinlich erst in den kommenden Jahren steigen, da die Rechenzentren sich erst um eine bessere Ausnutzung der Stellfläche bemühen und die IT-Abteilung zunächst die Workloads konsolidieren kann, um die Effizienz zu verbessern. Irgendwann reicht das aber eventuell nicht mehr aus, und die Flüssigkühlung erweist sich als einzig gangbare Option. Aber das bedeutet nicht, dass sich der Umstieg nicht hinauszögern lässt.

Bei der Entscheidung für Flüssigkühlung oder Luftkühlung können auch andere Überlegungen eine Rolle spielen. So könnten beispielsweise Umweltschutzbedenken den Ausschlag für den Wechsel zur Flüssigkühlung geben, oder das Unternehmen möchte einen leiseren Betrieb.

Auch der Standort kann ein Faktor sein. Ein Data Center kann die am Polarkreis reichlich vorhandene kalte Luft für die Kühlung nutzen, während ein Rechenzentrum in einem heißeren Klima Schwierigkeiten haben könnte, Luftkühlsysteme aufrechtzuerhalten. Ein Rechenzentrum in einer städtischen Umgebung muss möglicherweise die Rechendichte erhöhen, um das meiste aus der geringen Stellfläche herauszuholen. Gesetzliche Regulierungen und Steuervorteile für Modernisierungsausgaben können ebenfalls eine Rolle spielen.

Kühltechnik und Innovation

Eine der größten Herausforderungen bei der Flüssigkühlung ist, dass sie jenseits der Mainframes und Supercomputer noch in den Kinderschuhen steckt. Es ist daher schwer abzuschätzen, welche Technologien sich als führend erweisen werden, welche Standards zu erwarten sind und wohin die Reise in vier bis fünf Jahren geht.

Bei der Luftkühlung wissen Unternehmen, worauf sie sich einlassen, aber die langfristige Praxistauglichkeit könnte begrenzt sein. Für viele Interessenten ist es daher empfehlenswert, abzuwarten, bis die Flüssigkühlung für Rechenzentren besser etabliert ist. Wer sich bereits unter Druck gesetzt fühlt, für den kann auch ein schrittweiser Umstieg auf Flüssigkühlung in Frage kommen.

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