In modernen Rechenzentren steigt die Leistungsaufnahme von Servern kontinuierlich an. Getrieben wird diese Entwicklung vor allem durch rechenintensive Anwendungen wie Künstliche Intelligenz (KI) oder High-Performance-Computing (HPC). Die Prozessoren und Chips in diesen Systemen erreichen inzwischen thermische Verlustleistungen von mehreren Hundert Watt pro Bauteil. Klassische Luftkühlung stößt hierbei an ihre Grenzen, da sie die entstehende Wärme nicht mehr effizient abführen kann, ohne unverhältnismäßig viel Energie für die Klimatisierung aufzuwenden. Flüssigkühlung, auch Liquid Cooling genannt, bietet hier eine wirkungsvolle Alternative. Sie ermöglicht eine deutlich höhere Wärmeabfuhrleistung bei gleichzeitig geringerem Energiebedarf für die Kühlung.
Es existieren verschiedene Ansätze, Flüssigkeiten zur Wärmeabfuhr in Rechenzentren einzusetzen:
- Rack-Level Liquid Cooling – Kühlplatten oder Wärmetauscher werden direkt im Rack integriert, um die Abwärme aus der Luft oder von Kühlkörpern aufzunehmen.
- Rear Door Heat Exchanger – Wassergekühlte Türen am Rack-Ausgang kühlen die erwärmte Luft, bevor sie in den Raum gelangt.
- Immersion Cooling – Server werden vollständig in eine nichtleitende Flüssigkeit Dielektrikum eingetaucht.
- On-Chip Cooling – Kühlkanäle sind direkt in den Chip oder das Substrat integriert, sodass die Kühlflüssigkeit unmittelbar am Hotspot vorbeiströmt.
- Direct-to-Chip Cooling – Flüssigkeit wird über Kühlplatten direkt auf Prozessoren, GPUs oder andere Komponenten geleitet.
Am Puls des Prozessors
Beim Direct-to-Chip Cooling wird die Kühlflüssigkeit nicht nur über Kühler an der Oberfläche geführt, sondern direkt über speziell entwickelte Kühlplatten an die Oberseite der Prozessoren geleitet. Diese Platten verfügen über extrem feine Mikrokanäle, durch die die Flüssigkeit unmittelbar an den thermischen Hotspots der Chips vorbeiströmt - also dort, wo die Rechenkerne die meiste Wärme erzeugen. Durch die unmittelbare Nähe zur Wärmequelle müssen nur sehr kurze Wege für den Wärmetransport zurückgelegt werden. Das minimiert Temperaturdifferenzen und steigert die Effizienz der Wärmeabfuhr erheblich.
Funktionsprinzip der Kühlung
Die Kühlflüssigkeit zirkuliert in einem geschlossenen Kreislauf: Sie nimmt die Abwärme der Hotspots in den Kühlplatten auf und transportiert sie zu einem externen Wärmetauscher. Dort wird die Wärme an ein sekundäres Kühlsystem, beispielsweise eine zentrale Kaltwasserversorgung, abgegeben. Weil mehrere thermische Übergangsschichten – etwa Wärmeleitpasten oder zusätzliche Heatspreader – entfallen, sinkt der thermische Widerstand deutlich. Dies führt zu einer effizienteren Kühlung und einer gesteigerten Leistungsfähigkeit des Gesamtsystems.
Vorteile der Flüssigkeitskühlung
Die Vorteile von Direct-to-Chip Cooling liegen vor allem in der maximalen Nähe zur Wärmequelle. Da die Abwärme bereits am Chip selbst abgeführt wird, kommt es kaum zu einer Erwärmung umliegender Komponenten. Dadurch lassen sich Recheneinheiten dichter packen und Chips mit höheren Taktfrequenzen oder größerer Kernzahl betreiben, ohne thermische Grenzen zu überschreiten. Gleichzeitig reduziert sich der Energiebedarf für die Klimatisierung im Rechenzentrum, was die Gesamtenergieeffizienz verbessert und den PUE (Power Usage Effectiveness) positiv beeinflusst.
Ein Beispiel für die Integration dieser Technologie bietet das „Rechenzentrum in a Box“ – der DC IT Container der Data Center Group (DCG). Containerlösungen ermöglichen es, innerhalb weniger Monate hochperformante Infrastrukturen bereitzustellen, die sowohl auf aktuelle als auch auf zukünftige Hardwaregenerationen zugeschnitten sind. Trotz steigender Anforderungen an Stromversorgung, Kühlung und Infrastruktur bleibt die Lösung kompakt, flexibel und effizient.
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Herausforderungen
Die Technologie stellt allerdings auch Anforderungen an Planung und Umsetzung. Die Herstellung der Kühlplatten mit feinen Mikrokanälen erfordert hochpräzise Verfahren, und da die Flüssigkeit direkt am Chip entlanggeführt wird, sind absolut zuverlässige Dichtungskonzepte nötig, um Leckagen auszuschließen. Zudem kann der Austausch defekter Komponenten aufwendiger sein, da die Kühlplatten integraler Bestandteil der Serverarchitektur sind. Dennoch überwiegen die Vorteile deutlich: Direct-to-Chip Cooling ist längst nicht mehr nur für Hochleistungsrechenzentren und Exascale-Supercomputer relevant, sondern auch für moderne KI-Infrastrukturen, in denen tausende GPUs parallel arbeiten, sowie für spezialisierte Systeme im Bereich Kryptografie oder Blockchain.
Damit das Direct-to-Chip Cooling sein volles Potenzial entfalten kann, ist es entscheidend, dass IT-Komponenten und Infrastruktur Hand in Hand geplant werden. Nur wenn Stromversorgung, Kühltechnik, Rack-Design und die eingesetzte Hardware als Gesamtsystem gedacht werden, lassen sich sichere, effiziente und zukunftsfähige Rechenzentrumsumgebungen schaffen. Die Experten der DCG stehen Ihnen auch in diesen Fragen kompetent zur Seite.
Zukunftsperspektiven
Direct-to-Chip Cooling gilt als vielversprechendste Technologie der Zukunft, um die stetig wachsenden thermischen Herausforderungen moderner Prozessoren zu bewältigen und wird damit zum entscheidenden Faktor für die nächste Generation von Hochleistungsrechenzentren.
Wir sind auf diese Zukunftsthemen vorbereitet. Die DCG plant hochverfügbare Rechenzentren, die den Einsatz innovativer Kühltechnologien ermöglichen, und arbeitet dabei mit starken Partnern zusammen. Sprechen Sie uns an - gemeinsam gestalten wir die Rechenzentren von morgen!
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