Ein Leitfaden zur Kühlung von Rechenzentren: Zukünftige Innovationen für Nachhaltigkeit

Da Technologie, Internettraffic und Workloads mehr Rechenressourcen zum Speichern, Verarbeiten, Verwalten und Übertragen von Daten erfordern, steigt die Nachfrage nach Rechenzentren. Ein aktueller S&P Global Ratings-Bericht prognostiziert, dass die Kapazität der Rechenzentren mit einer durchschnittlichen jährlichen Wachstumsrate von etwa 25%-30% auf fast 650 Mrd. USD bis 2028 ansteigen wird, verglichen mit weniger als 200 Mrd. USD im Jahr 2023.

Mit diesem Anstieg geht die Herausforderung einher, hochdichte Workloads mit den Nachhaltigkeitszielen in Einklang zu bringen. Doch die Verbesserung der Energieeffizienz bietet der Rechenzentrumsbranche Chancen für fortschrittliche Kühlinnovationen, insbesondere für die richtigen Partner mit der passenden Expertise im Rechenzentrumsdesign.

Im Zentrum dieser Herausforderung stehen zwei Wahrheiten:

1. Es gibt keinen einheitlichen Ansatz für die Kühlung, insbesondere für hochdichte Workloads wie künstliche Intelligenz (KI) und Hochleistungsrechnen (HPC), die möglicherweise eine spezielle Kühlung erfordern.
2. Die Implementierung effizienter und nachhaltiger Kühllösungen ist der wirklich innovative Weg nach vorne. Rechenzentren erzeugen Wärme – daran führt kein Weg vorbei. Der richtige Rechenzentrumspartner für Ihre Bereitstellung kümmert sich jedoch nicht nur um die Reduzierung der entstehenden Wärmemenge, sondern ermöglicht auch Innovationen durch skalierbare und nachhaltige IT-Strategien, die IT-Verantwortlichen helfen, Nachhaltigkeit und Geschäftsziele in Einklang zu bringen.

In diesem Blog werden wir:

• verschiedenen Kühltechnologien betrachten, die derzeit in der Industrie eingesetzt werden;
• detailliert auf jede Methode und ihre Vorteile eingehen und Anwendungsfälle vorstellen;
• betrachten, wie innovative Rechenzentrumskühlung Nachhaltigkeit fördern und gleichzeitig HPC-Anforderungen erfüllen kann.

Warum sind Methoden zur Kühlung von Rechenzentren wichtig?

Um optimale Betriebstemperaturen für HPC- und dichte Serverkonfigurationen aufrechtzuerhalten, ist es entscheidend, die Zuverlässigkeit und Leistung der Rechenzentrumsinfrastruktur zu gewährleisten. Dazu gehört der Einsatz der richtigen Kühltechnik für die entsprechende Hardware und das entsprechende Szenario. Übliche Methoden umfassen Luftkühlsysteme, Flüssigkeitskühllösungen und Hybridansätze, die beide Techniken für maximale Effizienz kombinieren.

Methoden und Systeme zur Kühlung von Rechenzentren

Datengravitation ist die Idee, dass Daten eine Masse besitzen und dass es mit zunehmender Größe und Bedeutung immer schwieriger wird, sie zu bewegen oder zu replizieren. Das bedeutet, dass moderne Rechenzentren zunehmend eine breite Palette von Daten hosten und miteinander verbinden, was alles von finanziellen Transaktionen bis hin zu Interaktionen in sozialen Medien ermöglicht.

Mit steigender Nachfrage wachsen auch Maßstab und Komplexität der Rechenzentren. Und ebenso die Bedeutung effizienter Kühllösungen, insbesondere für hochdichte Workloads wie KI und HPC. Lassen Sie uns einige der bekanntesten Kühllösungen genauer betrachten und ihre jeweiligen Stärken anhand von Anwendungsfällen hervorheben.

Luftkühlung

Bei der Luftkühlung werden Klimaanlagen, Ventilatoren und Lüftungsschlitze eingesetzt, um die Umgebungsluft zu zirkulieren und die von den Computergeräten erzeugte warme Luft abzuführen. Es ist die traditionellste Kühlmethode.

Bei Anwendungen mit geringerer Leistungsdichte, wie z. B. KI-Inferenz, kann die traditionelle Luftkühlung ausreichend sein, da maschinelles Lernen (ML) weniger Kühlressourcen benötigt. Die Luftkühlung findet ebenfalls breite Anwendung, da Rechenzentren jeder Größe diese Kühlmethode einsetzen können.

Trotz ihrer breiten Anwendbarkeit wird die Luftkühlung in konventionellen Konstruktionen typischerweise mit weniger als 20 Kilowatt (kW) pro Rack eingesetzt, kann jedoch in Ausnahmefällen bis zu 35 kW erreichen. Alles darüber hinaus erfordert oft Flüssigkeitskühlung (direkt oder Immersion) und einen kombinierten (hybriden) Ansatz. Die hochdichte Colocation-Lösung von Digital Realty kann bis zu 150 kW pro Rack unterstützen.

Flüssigkeitskühlung

Flüssigkeitskühlsysteme verwenden Kühlmittel, die durch ein Rohrleitungsnetz zirkulieren und die Wärme von IT-Geräten ableiten. Dies ist besonders effektiv für die Kühlung von Servern mit hoher Dichte, die mit KI- und HPC-Workloads arbeiten.

Nehmen wir zum Beispiel energieintensive Workloads, wie Schulungseinsätze. Diese erfordern möglicherweise Deep Learning und generative KI (GenAI) und benötigen oft eine größere Umgebung, um ihrer Größe und Komplexität gerecht zu werden. Durch die Nutzung der leitfähigen Eigenschaften von Flüssigkeiten kann das Rechenzentrum die Wärme schnell von den Servern wegleiten.

Fokus auf unsere direkte Flüssigkeitskühlung

Im Jahr 2023 eröffnete Digital Realty ein cloud- und anbieterneutrales Rechenzentrum in Paris, wobei der Schwerpunkt auf Energieeffizienz lag. Um den Bedenken hinsichtlich der Datengravitation Rechnung zu tragen, verfügt der Hub in La Courneuve über eine direkte Flüssigkeitskühlung, die sich auf die Leistungsanforderungen konzentriert und gleichzeitig die Emissionen der Bereiche 1 und 2 minimiert. Diese innovative Lösung für Flüssigkeitskühlung maximiert den optimalen Energieverbrauch, um mit unseren Nachhaltigkeitszielen übereinzustimmen, und bringt wirtschaftliche Vorteile für Partnerunternehmen.

Immersionskühlung

Die Immersionskühlung taucht IT-Infrastrukturkomponenten direkt in dielektrische Flüssigkeiten ein, die durch die Aufnahme von Wärme kühlen. Server, die in nichtleitenden, absorbierenden Flüssigkeiten aufbewahrt werden, bieten ein effektives Wärmemanagement.

Einer der größten Vorteile der Immersionskühlung ist, dass sie die Bereitstellung von Geräten mit ultrahoher Dichte in ansonsten niedrig- oder mitteldichten Einrichtungen ermöglicht, wodurch das Rechenzentrum im Wesentlichen für zukünftige Anwendungen nachgerüstet wird. Hochdichte Bereitstellungen wie KI und Internet der Dinge (IoT) sind gängige Anwendungsfälle für die aufkommende Immersionskühlung.

Verdunstungskühlung

Bei der Verdunstungskühlung wird die Außenluft mit Hilfe von Ventilatoren angesaugt und gekühlt, bevor sie zur Kühlung der IT-Geräte eingesetzt wird. Durch Wasserverdunstung entzieht diese Methode effizient Wärme aus der Luft.

Je nach Bereitstellung, Geschäftsanwendung und Standort kann Verdunstungskühlung die richtige Kühltechnik sein. Als Alternative zur herkömmlichen Luftkühlung und abhängig von anderen Eigenschaften kann beispielsweise Verdunstungskühlung für Inferencing-Einsätze geeignet sein.

Freie Kühlung

Die Kühlung von Rechenzentren mit freier Luft umgeht traditionelle Kühlmechanismen, wenn äußere Bedingungen dies ermöglichen. Freie Kühlung nutzt externe Bedingungen, hauptsächlich kühlere Außenluft oder Wasser, und verwendet typischerweise mehrere Mechanismen zur Lieferung, einschließlich Economizer, indirekte freie Luft, thermische Räder und Plattenwärmetauscher.

Während das Mikroklima eines Standorts zunächst beurteilt werden muss, um die Machbarkeit der freien Kühlung bei einer Bereitstellung zu ermitteln, kann die freie Luftkühlung, sobald die Machbarkeit festgestellt ist, eine risikoarme und energieeffiziente Lösung für Unternehmen sein, die den CO2-Fußabdruck ihrer Rechenzentrumsbereitstellungen minimieren möchten. Dies ist besonders relevant für KI- und HPC-Bereitstellungsanwendungsfälle.

Hybride Kühlstrategie

Ein hybrider Kühlansatz integriert mehrere Kühltechnologien, um das Wärmemanagement basierend auf spezifischen Anforderungen der IT-Ausrüstung zu optimieren.

Eine Anlage könnte beispielsweise die herkömmliche Luftkühlung mit rückseitigen Wärmetauschern kombinieren, wobei letztere direkt an den Serverschränken montiert sind, um die austretende Wärme aufzunehmen. Bei dieser Konfiguration sorgt die Umgebungsluftkühlung für die gesamte Rack-Umgebung, während der Wärmetauscher an der Rückseite der Tür die hohe Arbeitslast effizient bewältigt, indem er überschüssige Wärme (über Flüssigkeit) von den kritischen Komponenten ableitet.

Diese kombinierte Strategie verbessert nicht nur die Energieeffizienz und die gezielte Kühlung, sondern bietet auch operative Flexibilität. Bei günstigen Umgebungsbedingungen können zusätzliche Methoden wie Verdunstungskühlung oder freie Kühlung das System weiter ergänzen und die Abhängigkeit von mechanischen Kältemaschinen verringern. Durch die dynamische Nutzung mehrerer Kühllösungen, einschließlich der Präzision von Rücktürwärmetauschern, erfüllt eine hybride Bereitstellung die heutigen Kühlungsanforderungen und lässt sich an zukünftige Leistungsanforderungen anpassen.

Design und Optimierung der Kühlung von Rechenzentren

Bei der Kühlung von Rechenzentren geht es nicht nur um die Installation von Lüftern und anderen Kühlmitteln. Es geht um die Balance zwischen Design und Optimierung sowie um die Umsetzung von Effizienz und Effektivität. Strategisches Design in Kombination mit Optimierung ist entscheidend, um sicherzustellen, dass die Infrastruktur und die IT-Ausrüstung des Rechenzentrums optimal funktionieren. Dieser Ansatz verhindert nicht nur eine Überhitzung von IT-Geräten, sondern maximiert auch die effiziente Nutzung von Ressourcen des Rechenzentrums, wie Strom- und Kühlsystemen. Durch die Optimierung dieser Elemente können Rechenzentren ihren ökologischen Fußabdruck erheblich reduzieren, was zu einem nachhaltigeren und kostengünstigeren Betrieb führt.

Im Folgenden sind einige entscheidende Faktoren zur Optimierung der Leistung des Rechenzentrums aufgeführt:

• Konfiguration von Warm-/Kaltgangeinhausung: Durch die Konfiguration von Serverschränken in abwechselnden Reihen – mit Kaltlufteinlässen in der einen und Warmluftauslässen in der anderen Richtung – können Rechenzentren heiße und kalte „Korridore“ schaffen. Dadurch wird die Effizienz maximiert, indem sichergestellt wird, dass die gekühlte Luft dort ankommt, wo sie am meisten benötigt wird, und gleichzeitig verhindert wird, dass sich heiße und kalte Luft vermischen.
• Optimierung des Luftstrommanagements: Durch die Optimierung des Luftstroms durch Lüftungsöffnungen und Barrieren können Rechenzentren Bereiche mit stehender Luft minimieren. Eine ordnungsgemäße Luftstromverwaltung senkt dann die Kühlkosten, indem der Bedarf an Ausgleich für warme Stellen reduziert wird. Es hilft auch sicherzustellen, dass die Kühlung in der gesamten Anlage konstant ist.
• Innerhalb sicherer Grenzen zu arbeiten: Durch die Einhaltung der veröffentlichten Leitlinien der American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers (ASHRAE) können Rechenzentren Temperaturstandards für sichere Betriebsbedingungen gängiger Geräte finden und implementieren. In manchen Fällen kann das Aufrechterhalten einer etwas höheren Temperatur – sofern dies gefahrlos möglich ist – erhebliche Energie- und Kosteneinsparungen ermöglichen.
• Vermeidung von Ausfallzeiten: Durch den Einsatz von IoT-Geräten, maschinellem Lernen und automatisierten Systemen können Rechenzentren Probleme erkennen, bevor sie auftreten. Die Überwachung von Systemen und die rechtzeitige Installation von Patches und Upgrades stellen sicher, dass Einrichtungen Ausfallzeiten verhindern und die Effizienz weiter verbessern.
• Kontrolle der Luftfeuchtigkeit: Durch die Kontrolle der Luftfeuchtigkeit können Rechenzentren Hardware-Schäden und Schäden durch statische Elektrizität vermeiden.

Einsatz von Flüssigkeitskühlung: Neubau von Anlagen vs. Nachrüstung bestehender Rechenzentren

Bei der Bewertung von Optionen für Rechenzentren ist es wichtig, die Implementierung von Flüssigkeitskühlung und ihre Auswirkungen auf Leistung und Zuverlässigkeit zu verstehen. In Einrichtungen, die von Grund auf für die Flüssigkeitskühlung ausgelegt sind, werden beim ersten Aufbau spezielle Kühlmittelkanäle, spezielle Server-Racks und robuste Sicherheitssysteme integriert. Dieser proaktive Designansatz gewährleistet, dass die Infrastruktur von Anfang an für hohe thermische Leistung und Energieeffizienz optimiert ist und eine nahtlose, zukunftssichere Umgebung für Ihre IT-Geräte bietet.

Im Gegensatz dazu stehen Rechenzentren, die bestehende Anlagen für Flüssigkeitskühlung nachrüsten, vor einer komplexeren Herausforderung. Diese Standorte, die ursprünglich um Luftkühlsysteme herum gebaut wurden, müssen erhebliche Modifikationen durchlaufen – wie die Neugestaltung von Bodenlayouts, die Anpassung von Rack-Anordnungen und die Installation neuer Kühlmittelverteilungseinheiten und Leckerkennungssysteme – um die Flüssigkeitskühlung effektiv zu unterstützen. Diese Upgrades erfordern möglicherweise einen komplexeren Integrationsprozess, der die Konsistenz während des Übergangs beeinträchtigen kann.

Letztendlich ist es bei der Bewertung eines Rechenzentrums entscheidend, die Kühlungsinfrastruktur und die Erfolgsbilanz des Betreibers zu berücksichtigen. Zweckgebundene Einrichtungen rund um die Flüssigkeitskühlung sind von Anfang an oft nahtloser in der Leistung und Effizienz, jedoch mit erheblichen Kosten verbunden, während nachgerüstete Standorte immer noch eine ausgezeichnete Wahl sein können, wenn sie von einem Anbieter mit tiefgreifender Expertise und nachgewiesener Erfahrung betrieben werden — wie Digital Realty. Durch die Auswahl eines etablierten Betreibers mit einer Historie der erfolgreichen Anpassung bestehender Einrichtungen können Unternehmen ein hohes Maß an Zuverlässigkeit und Leistung aufrechterhalten, selbst in Umgebungen, die ursprünglich für Luftkühlung konzipiert wurden.

Die Zukunft der Kühlung von Rechenzentren

Mit Blick auf die Zukunft der Kühlung von Rechenzentren sehen wir mehrere spannende Trends, die dazu beitragen können, die Umweltauswirkungen der Branche weiter zu reduzieren. Der Einsatz moderner Technologien und strategischer Rechenzentrum-Design könnte beispielsweise entscheidend sein.

• Adaptive Kühlung: Der Einsatz von KI bei Kühlsystemen verspricht mehr Anpassungsfähigkeit denn je. Diese Lösungen lernen und passen sich kontinuierlich den spezifischen Kühlbedarf von Rechenzentren in Echtzeit an und reduzieren so Überkühlung und Energieverschwendung.
• Edge-Rechenzentren: Wir könnten in der Zukunft noch mehr Rechenzentren an strategischen „Edge“-Standorten sehen. Diese Edge-Center gewährleisten die Bereitstellung von Daten und KI-Workloads mit niedriger Latenz und bieten innovative Kühlmöglichkeiten in ihren einzigartigen Umgebungen.
• Nachhaltige Energie: Es ist zwar wichtig, die Energieverwaltung effizienter zu gestalten, aber es ist auch möglich, Energie aus erneuerbaren Quellen zu nutzen. Solar- oder windbetriebene Rechenzentren sind zum Beispiel kein Traum mehr, sondern Realität. Die Kombination von Erneuerbare Energiequellen und Speicherlösungen, wie Brennstoffzellen und fortschrittlichen Batterien, mit effizienten Kühlstrategien stellt einen ganzheitlichen Ansatz für den Fortschritt der Nachhaltigkeit dar. Dieser integrierte Ansatz stellt sicher, dass Rechenzentren zuverlässig und effizient arbeiten und gleichzeitig ihre Umweltauswirkungen minimieren können. Durch die Nutzung dieser Technologien können Rechenzentren größere Energieunabhängigkeit erreichen und ihren CO₂-Fußabdruck reduzieren.

Fokus auf unsere Kühlturm-Initiativen

Die Rechenzentren von Digital Realty sind branchenweit führend bei der Verbesserung der Kühleffizienz. In unserer SIN10-Anlage in Singapur beispielsweise setzen wir DCI-Elektrolyse zur Wasserkonservierung ein und sparen so monatlich 1,24 Millionen Liter. Durch dieses Verfahren wird der Einsatz von Chemikalien vermieden, wodurch das Wasser dreimal so lange genutzt werden kann, bevor es zu Abwasser wird, was den Wasser- und Energieverbrauch in Singapur senkt.

Zukunftsweisende Innovation bei der Kühlung von Rechenzentren nachhaltig vorantreiben

In modernen Rechenzentren gibt es verschiedene Kühlsysteme, die jeweils einzigartige Vorteile für bestimmte Bereitstellungsszenarien bieten. Von traditioneller Luftkühlung über Flüssigkeitskühlung bis hin zu Hybridtechnologien hat jede die Kraft, dem globalen Rechenzentrums-Ökosystem dabei zu helfen, seinen Energie- und Wasserverbrauch zu reduzieren, wenn sie strategisch auf die richtige Situation angewendet wird.

Wir bei Digital Realty wissen, dass es beim Thema Kühlung keine Einheitslösung gibt, und wir unterstützen IT-Führungskräfte bei der Umgestaltung ihrer Branchen durch die Umsetzung einer Kernstrategie, die Innovation ermöglicht und gleichzeitig Nachhaltigkeit mit Geschäftszielen in Einklang bringt. Dies erreichen wir durch den Einsatz innovativer Technologien in unseren Rechenzentren, die darauf ausgelegt sind, den Herausforderungen der Kühlung von Workloads mit steigender Leistungsdichte gerecht zu werden, und zwar nicht nur bei flächendeckenden Implementierungen, sondern vielmehr bei kunden- und implementierungsspezifischen Lösungen.

Ob KI, IoT oder HPC – unsere Anlagen sind rahmen- und designfertig, um die fortschrittlichen Kühlungsanforderungen unserer Kunden zu erfüllen und gleichzeitig nachhaltige Lösungen anzubieten, die das globale Rechenzentrums-Ökosystem in Richtung eines geringeren CO2-Fußabdrucks, Energieeffizienz und Wassereinsparung führen.

Mehr erfahren darüber, wie Sie eine zukunftsfähige IT-Infrastruktur in Ihrer Organisation bereitstellen, um Ihre Anforderungen an fortschrittliche Computerkühlung zu erfüllen und gleichzeitig Nachhaltigkeit mit Ihren Geschäftszielen in Einklang zu bringen, in unserem Whitepaper, KI für IT-Führungskräfte. Dann können Sie gerne mit unseren Experten in Kontakt treten , um loszulegen.

FAQs

Kühlung in Rechenzentren

Die Kühlung in Rechenzentren erfolgt durch verschiedene Methoden, wie:

• Luftkühlung
• Flüssigkeitskühlung
• Immersionskühlung
• Verdunstungskühlung
• Freie Kühlung
• Hybridkühlung

IT-Führungskräfte sollten ein Rechenzentrum wählen, das die Kühltechniken auf der Grundlage mehrerer Faktoren anpasst, einschließlich der Arbeitslastdichte, der Hardware und der Infrastrukturanforderungen für eine nachhaltige Bereitstellung.

Welches ist das beste Kühlsystem für ein Rechenzentrum?

Es gibt kein Patentrezept für die Kühlung von Rechenzentren. Faktoren wie die Größe, der Standort und die Arbeitsbelastung des Rechenzentrums haben zum Beispiel alle einen Einfluss. Nachhaltige und effiziente Lösungen wie Immersion werden aufgrund ihrer höheren Effizienz und ihres geringeren CO2-Fußabdrucks immer beliebter.

Welche Kühlkomponenten umfasst ein Rechenzentrum?

Zu den wichtigsten Kühlkomponenten eines Rechenzentrums gehören:

• Kältemaschinen
• Kühltürme
• Klimaanlagen (CRAC/CRAH)
• Rohre für Flüssigkeitskühlung
• Kühlverteilereinheiten (CDU)
• Pumpensysteme
• Ventilatoren und Lüftungsschächte

Fortschrittliche KI-Überwachungssysteme für die Temperatur- und Luftfeuchtigkeitskontrolle werden ebenfalls immer häufiger eingesetzt, da Rechenzentren immer nachhaltiger werden.

Wie würde man einen Server in einem Rechenzentrum kühlen?

Fortschrittliche Kühltechnologien – wie luftbasierte Systeme, die auf gekühlter Luftzirkulation zur Wärmeableitung setzen, oder Flüssigkeitskühlungslösungen, die Wärme über Kühlmittel abgeben – sind beides effiziente Methoden, um Server in Rechenzentren zu kühlen. Andere Methoden umfassen die Optimierung des Luftstroms durch Techniken wie warme und kalte Gangeindämmung, um Wärmerückführung zu verhindern. Für Server mit hoher Dichte ist die direkte Flüssigkeitskühlung auf dem Chip oder die Immersionskühlung ideal für maximale thermische Effizienz und Nachhaltigkeit.