Den Strom aufdrehen

Die TDPs der Server-CPUs werden voraussichtlich stark ansteigen, da KI und andere Anwendungen mehr Leistung benötigen. John Bean und Alex McManis vom GRC erzählen DCD, wie sie durch Immersionskühlung kühl bleiben

Der technische Fortschritt beginnt, wie so viele Dinge, normalerweise langsam, doch dann wird die Dynamik schnell unaufhaltsam: Internet, PCs, Smartphones, Flachbildfernseher und so weiter. Wenn eine Technologie sowohl hinsichtlich des Nutzens als auch des Preises einen bestimmten Punkt erreicht, nimmt die Akzeptanz regelrecht zu.

Die Tauchkühlung steht nun an der Schwelle dazu. Es knabbert seit etwa 15 Jahren am Markt für Rechenzentren. Doch da das Mooresche Gesetz zunehmend durch die physische Realität in Frage gestellt wird und Rechenzentren neben anderen dringenden Anforderungen mehr reine Rechenleistung benötigen, um ressourcenintensive KI-Anwendungen bereitzustellen, ist Immersionskühlung eine einzigartig leistungsfähige Technologie, die es Rechenzentren ermöglichen wird, diese bereitzustellen.

„Tauchkühlung hat viele Vorteile, die über die Dichte hinausgehen. Natürlich bedeutet die Dichte, dass wir viel mehr Kilowatt pro Rack erreichen können. Aber das größere Problem sind die Gesamtbetriebskosten (TCO – Total Cost of Ownership): Es ist einfacher, es ohne die Luftströmungstechnik zu bauen, die für Luftkühlungsinfrastrukturen erforderlich ist“, sagt Alex McManis, Vizepräsident für Digital Asset Solutions bei Green Revolution Cooling (GRC).

„Dann sind da noch die Energieeinsparungen, die die Betriebskosten senken. Sie haben einen geringeren Stromverbrauch der Server, da Sie keine Lüfter betreiben. Und schließlich ist da noch die Effizienz der Kühllösung bei der Ableitung überschüssiger Wärme“, fügt er hinzu.

Darüber hinaus ermöglicht die Immersionskühlung, dass die von Servern erzeugte Wärme einfacher und direkter erfasst und bei einer höheren und damit praktikableren Temperatur wiederverwendet wird, sagt John Bean, Chief Technology Officer (CTO) und Vice President of Engineering bei GRC.

Darüber hinaus seien die von GRC und einer Reihe anderer Anbieter angebotenen einphasigen Tauchkühllösungen auch einfacher zu verwenden als die komplexeren zweiphasigen Tauchkühllösungen, die ebenfalls auf dem Markt erhältlich sind, fügt er hinzu.

„Zu Beginn meiner Karriere habe ich mich auf Großrechner-Kältemaschinen konzentriert. Ich war am Open Compute Project (OCP) und ASHRAE beteiligt und habe miterlebt, wie das Versprechen der Immersion immer größer wird. Mir wurde klar, dass die einphasige Tauchkühlung wahrscheinlich ein praktischerer Weg war als die zweiphasige Tauchkühlung. Zwar gibt es keine perfekte Lösung, aber im Hinblick auf die Breite möglicher Bereitstellungen sieht eine einphasige Lösung einfach besser aus“, sagt Bean.

Aufgrund dieser Doppelfunktionen als CTO und Ingenieur muss sich Bean sowohl auf unmittelbare, praktische technische Fragen im Namen der wachsenden Kunden- und Technologiepartner von GRC als auch auf die längerfristigen Technologien und Innovationen konzentrieren, die die Zukunft des Immersionswesens prägen werden Kühlung.

„Als Technologie-CTO konzentriere ich mich mehr auf zukünftige Technologien, Innovation und das Verständnis des Marktes. Als technischer Leiter geht es mir eher um die Umsetzung und Umsetzung dieser Ziele aus technischer Sicht. Also nicht nur den Technologiepfad festlegen, sondern auch die Technologiepfade umsetzen“, sagt er.

Tatsächlich ist Bean einer von mehreren Schlüsselpersonen, die dabei helfen, die Richtung zu bestimmen, in die die Forschungs- und Entwicklungsbemühungen von GRC in den nächsten Jahren gehen werden, was bedeutet, dass er eine wesentlich bessere Vorstellung davon hat, was die Zukunft für die Immersionskühlung bereithält als die meisten anderen.

Während eine typische PC-CPU mit etwa 65–105 Watt läuft, sind die heute von Tauchkühlern unterstützten Server-CPUs für einen Betrieb mit bis zu 400 Watt ausgelegt, was dem Silizium deutlich mehr Leistung abverlangt. Die von Beans Team bei GRC betriebene Forschung und Entwicklung zielt darauf ab, Server-CPUs mit einer Leistung von bis zu 1.000 Watt zu unterstützen – weit über alles, was selbst die fortschrittlichsten luftgekühlten Lösungen jemals praktisch leisten können.

Es gibt eine Reihe von Bereichen, auf die die Forschung und Entwicklung des GRC abzielt.

„Wir sehen Innovationen in Bezug auf die Art und Weise, wie wir den Flüssigkeitsfluss um den Server selbst verwalten und sicherstellen, dass wir bei diesen CPUs oder GPUs mit höherem Wärmefluss eine gute Flüssigkeitsbewegung erhalten. Es gibt eine Reihe neuer Technologien, für die wir über geistiges Eigentum verfügen. Wir freuen uns darauf, unser Portfolio zu erweitern, um dies zu bewältigen“, sagt Bean.

„Auch bei den Flüssigkeiten wird es ständige Veränderungen geben. Aber das werden nicht unbedingt die größten Hebel sein. Ich denke, das Größte wird einfach eine bessere Strömung durch die Wärmeübertragungsflächen (oder über sie hinweg) sein.

Zu den weiteren Mitteln gehören Entwicklungen bei thermischen Schnittstellenmaterialien, verbesserte Kühlkörperkonstruktionen usw.; Forschung zur Verbesserung der thermischen Schnittstellenmaterialien, die sich thermisch gut verhalten, muss auch mit einer guten Materialkompatibilität in Einklang gebracht werden“, sagt Bean.

GRC untersucht daher auch die Kühlkörpertechnologie erneut, wobei Bean davon überzeugt ist, dass neue Designs, die alte Annahmen in Frage stellen, zu radikalen Verbesserungen führen könnten. Er zitiert kürzlich veröffentlichte Forschungsergebnisse, die darauf hinweisen, dass Dampfkammer-Kühlkörper herkömmliche Kühlkörper mit darin eingebetteten Wärmerohren (zur gleichmäßigen Wärmeübertragung) übertreffen.

Die Flüssigkeiten sind natürlich eines der Schlüsselelemente von Tauchkühlsystemen. Einphasige Tauchkühlflüssigkeiten sind naturgemäß stabiler als die in zweiphasigen Systemen verwendeten Flüssigkeiten, da in zweiphasigen Systemen der Siedeeffekt zur Beeinflussung der Wärmeübertragung genutzt wird. Dies macht auch den Betrieb und die Wartung dieser Kühlsysteme – und der Server, die sie kühlen – schwieriger.

Aber auch bei einphasigen Tauchkühlsystemen gibt es eine große Vielfalt an Flüssigkeiten, die verwendet werden können, und es wird weiterhin daran geforscht, Flüssigkeiten zu entwickeln, die sich noch besser für die Wärmeübertragung eignen.

„Derzeit verwenden wir typischerweise einen synthetischen Kohlenwasserstoff aus Polyalphaolefin (PAO), obwohl wir einige Partner haben, die GTL – Gas-to-Liquid – verwenden“, sagt Bean.

„Diese Flüssigkeiten werden nach unterschiedlichen Methoden formuliert und verfeinert, unabhängig davon, ob der Schwerpunkt auf ihrer Wärmeleitfähigkeit oder ihren Ausdehnungskoeffizienten liegt. Aber es gibt eine Reihe von Eigenschaften, die auf die eine oder andere Weise ein wenig optimiert werden können, um die Flüssigkeit beispielsweise für die Wärmeübertragung besser geeignet zu machen“, sagt Bean.

Die Entwicklung von Flüssigkeiten für die Immersionskühlungstechnologie ist in mancher Hinsicht ebenso eine Kunst wie eine Wissenschaft – einige Anpassungen können beispielsweise die Wärmeübertragung auf Kosten der Viskosität verbessern, was sich dann auf den Flüssigkeitsfluss auswirken kann. Es ist das Wissen des Teams bei GRC, das all das zusammenbringen kann, um allgemeine Leistungsverbesserungen voranzutreiben.

„Wir verwenden seit einigen Jahren einen Flüssigkeitspartner und sind von PA-06 über PA-05 zu PA-04 übergegangen. Das sind grundsätzlich immer niedrigere Viskositäten. Bei unseren eigenen Tests konnten wir beim Übergang von PA-06 zu PA-04 eine Verbesserung des Wärmeübergangskoeffizienten um sechs bis sieben Prozent feststellen. Das ist nicht trivial“, sagt Bean.

Dabei handelt es sich um schrittweise Verbesserungen in allen Bereichen der Immersionskühlung – thermische Schnittstellenmaterialien und Kühlkörperdesign; Fluiddynamik, Chemie und Viskosität – die GRC in den nächsten Jahren vorantreiben will und die zusammen einen revolutionären Wandel in der Immersionskühlung vorantreiben werden.

Die Rolle des Servers wird ebenfalls ein entscheidender Faktor für die Effektivität der Immersion sein – möglicherweise sogar der wichtigste. Heutige Server sind für Luft konzipiert und für das Eintauchen in die GRC-Systeme modifiziert. Wir wissen, dass speziell für Immersion konzipierte Server enorme schrittweise Verbesserungen der Wirkung von Immersion ermöglichen werden. Und wir wissen, dass der Server selbst weniger kosten wird, was zu den TCO-Vorteilen der Umstellung von Luft- und anderen Technologien auf Immersion beiträgt!

Darüber hinaus, fügt Bean hinzu, haben die Luftkühlungsunternehmen unbestreitbar einen Vorsprung von mehr als 20 Jahren, die wissenschaftlichen Grundlagen von Luftkühlung und Tauchkühlung seien jedoch ähnlich: Bean, der erst 2021 zu GRC kam, möchte die jahrzehntelangen Erkenntnisse anwenden auf die Immersionskühlungstechnologie – aber in den nächsten Jahren, nicht in Jahrzehnten.

„Vor uns liegt noch eine lange Landebahn“, sagt Bean. „Und wir stehen erst am Anfang der Reise.“

Mit anderen Worten wäre es ratsam, einige der Forschungs- und Entwicklungsarbeiten von GRC und anderen Unternehmen im Bereich der Immersionskühlung im Auge zu behalten, da sich der Übergang von der Luftkühlung zur Immersionskühlung jetzt zu beschleunigen beginnt.

Um mehr über die Zukunft der Immersionskühlung zu erfahren, lesen Sie das neueste Whitepaper von GRC: „Die Zukunft der Immersionskühlung: Der Weg zur Kühlung von 1000-W-Chips und darüber hinaus“.

Ein weiterer mit GRC zertifizierter Anbieter von Immersionsflüssigkeiten

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