Vorteile der Cold Plate-Flüssigkeitskühlungstechnologie in der IKT-Branche

Derzeit bestehen die in Rechenzentren eingesetzten Flüssigkeitskühlungstechnologien hauptsächlich aus Kaltplatten-Flüssigkeitskühlung, Sprühflüssigkeitskühlung und Immersionsflüssigkeitskühlung.

 

Bei der Sprühflüssigkeitskühlung wird das Kühlmittel in Form eines Sprühnebels auf die Wärmequelle des Servers abgegeben, wobei die Wärmeableitung durch Verdampfung und Wärmeaufnahme erfolgt.

 

Bei der Immersionsflüssigkeitskühlung werden der gesamte Server oder die Serverkomponenten vollständig in ein Kühlmittel eingetaucht, wobei die Wärme durch direkten Kontakt abgeführt wird. Im Vergleich zur Kaltplattenflüssigkeitskühlung können Sprüh- und Immersionsflüssigkeitskühlungstechnologien bei extrem hoher Leistungsdichte eine höhere Kühleffizienz erzielen.

 

Allerdings sind Sprüh- und Immersionsflüssigkeitskühlungstechnologien relativ komplex in der Implementierung und Wartung, erfordern mehr Sicherheits- und Umweltaspekte und höhere Investitionen. Im Vergleich zu Direktkontaktflüssigkeitskühlungstechnologien bietet die Kaltplattenflüssigkeitskühlung die folgenden Vorteile:

 

 

I Hohe Dichte: Die Bereitstellung von Knoten mit hoher Dichte kann die Rechenkapazität pro Rack effektiv steigern

 

Mit der rasanten Entwicklung von Technologien wie künstlicher Intelligenz, Big-Data-Analyse, Virtualisierung und Hochleistungsrechnen benötigen Rechenzentren immer mehr Rechenleistung. Die begrenzte Kapazität von Rechenzentren, die durch Gebäudefläche und Umweltauflagen eingeschränkt ist, ist jedoch zu einer zentralen Herausforderung geworden. Die Erhöhung der Leistungsdichte pro Rack ist zu einer entscheidenden Methode geworden, um dieses Problem zu lösen.

 

▲ Rechenleistungszentren

 

Im Jahr 2022 überstieg der Stromverbrauch der Serverprozessoren der vierten Generation von Intel 350 W pro CPU und der GPUs von NVIDIA übertraf 700 W pro Einheit, wobei die Rechendichte von KI-Clustern üblicherweise 50 kW pro Rack erreichte. Derzeit unterstützt die Leistungsdichte pro Rack in natürlich luftgekühlten Rechenzentren normalerweise nur 8-10 kW. Der alleinige Einsatz herkömmlicher Luftkühlungstechnologie kann den Kühlbedarf hochdichter Rechenknoten nicht mehr decken. Daher ist die Einführung neuer Kühltechnologien zur Erhöhung der Knotenbereitstellungsdichte und Verbesserung der Rechenkapazität pro Rack besonders wichtig geworden.

 

Das Cold-Plate-Flüssigkeitskühlsystem ist eine effektive Kühltechnologie zur Erhöhung der Rack-Leistungsdichte.

 

• Effiziente Kühlleistung: Die Cold-Plate-Flüssigkeitskühlungstechnologie integriert Flüssigkeitskühlplatten eng mit Serverknoten, leitet Wärme direkt ab und sorgt für eine effiziente Kühlung, wodurch eine höhere Leistungsdichte ermöglicht wird.
• Geringerer Platzbedarf: Neben der effizienten Kühlleistung weist die Cold Plate-Flüssigkeitskühlungstechnologie auch einen geringeren Platzbedarf auf. Die enge Integration von Flüssigkeitskühlplatten mit Serverknoten spart Platz und ermöglicht es Rechenzentren, mehr Knoten auf begrenztem Raum einzusetzen, was die Rechenkapazitätsdichte weiter erhöht.

 

 

II Hohe Effizienz: Flüssigkeitskühlung auf der Wärmequellenseite verbessert die Effizienz der Serverkühlung erheblich

 

Aufgrund der Wärmeübertragungseigenschaften von Luft ist die Kühlleistung der Luftkühlungstechnologie begrenzt. Die geringe Wärmeleitfähigkeit von Luft und ihre Anfälligkeit gegenüber Temperaturschwankungen in der Umgebung beeinträchtigen die Kühlleistung von Luftkühlungssystemen in Hochtemperaturumgebungen erheblich. Darüber hinaus wird die Kühlleistung von Luftkühlungssystemen auch durch die Luftströmungsgeschwindigkeit und die Luftzirkulationsbedingungen eingeschränkt. Im Gegensatz dazu ist die Flüssigkeitskühlungstechnologie mit ihrer höheren Wärmeübertragungseffizienz und stabileren Kühlleistung in Umgebungen mit hoher Leistungsdichte und hohen Temperaturen hervorragend geeignet. Daher steigen immer mehr Rechenzentren auf Flüssigkeitskühlungstechnologie um, um den wachsenden Bedarf an Rechenleistung zu decken.

 

▲ Kaltplatten-Flüssigkeitskühlungstechnologie

 

Bei der Cold Plate-Flüssigkeitskühlungstechnologie wird Luft durch ein Kühlmittel als Wärmeübertragungsmedium ersetzt, das das Kühlmittel direkt zu den wärmeerzeugenden Chipmodulen leitet. Durch indirekte Kontaktwärmeübertragung wird die von den Chips erzeugte Wärme abgeleitet, wodurch die Temperatur der Chipmodule gesenkt und sowohl ihre Kühleffizienz als auch ihre Rechenleistung verbessert werden.

 

• Die spezifische Wärmekapazität von Flüssigkeiten ist viel höher als die von Gasen. Das bedeutet, dass die absorbierte/freigesetzte Wärmemenge pro Einheit Temperaturänderung viel größer ist als bei Luft, was zu einer erheblichen Verbesserung der Kühlleistung führt. Beispielsweise ist die Wärmeübertragungseffizienz von Wasser pro Einheit Volumen 3.500 Mal höher als die von Luft, wodurch die Kühlprobleme, die durch Server mit zunehmender Dichte entstehen, effektiv gelöst werden können.
• Darüber hinaus werden durch den Ersatz der Luftkühlung durch Flüssigkeitskühlung keine Lüfter mehr benötigt, was den Betriebsenergieverbrauch des gesamten Kühlsystems senkt. In einem typischen Knoten, bei dem 80 % der CPU und des Speichers durch Kühlplatten abgedeckt sind, kann der Kühl-PUE auf 1,15 oder weniger gesenkt werden. Im Vergleich zur Luftkühlung bietet die Flüssigkeitskühlung daher eine höhere Kühlleistung für einzelne Chips.

 

 

III Hohe Zuverlässigkeit: Wissenschaftlich konzipierte Szenarien gewährleisten einen zuverlässigen und stabilen Systembetrieb

 

Das Kühlmittel im Flüssigkeitskühlsystem ist einer der Schlüsselfaktoren für dessen normalen Betrieb. Professionelles Design zur Leckvermeidung und Betriebsmanagement sind für die Stabilität von Kaltplatten-Flüssigkeitskühlsystemen von entscheidender Bedeutung. Nach Jahren der Entwicklung und Verbesserung ist die Zuverlässigkeit der Kaltplatten-Flüssigkeitskühltechnologie gut gewährleistet. Sicherheitsmaßnahmen wie Leckvermeidungsdesign, vollständige Lecküberwachung und Fehlermanagement bieten eine umfassende und mehrseitige Fehlerrisikovermeidung und stellen sicher, dass die Systemausrüstung in einer sicheren und stabilen Umgebung betrieben wird, wodurch sowohl die Umwelt als auch die Sicherheit des Personals geschützt werden.

 

▲ Flüssigkeitskühlsystem

 

Das Kaltplatten-Flüssigkeitskühlsystem verfügt über ein dreistufiges Design zur Leckvermeidung, das sicherstellt, dass es auf Knoten-, Schrank- und Raumebene zu keinerlei Leckagen kommt.

 

• Die Knotenbasis ist vollständig abgedichtet und kann etwaige Lecks umleiten und umgehend ablassen, sodass diese keine Auswirkungen auf andere Knoten haben.
• Der Schrank ist mit Leckagespray-Schnellkupplungen und elektromagnetischen Ventilen zur automatischen Kühlflüssigkeitsregelung ausgestattet.
• Der Raum verfügt über ein Doppelschleifen-Design, das sicherstellt, dass ein einzelnes Schrankleck isoliert wird und den normalen Betrieb anderer Schränke nicht beeinträchtigt.

 

Das Flüssigkeitskühlsystem der Kaltplatte ermöglicht eine vollständige Lecküberwachung. Die gesamten Schränke sind mit dreistufigen Leckerkennungsfunktionen ausgestattet, die präzise Leckwarnungen liefern.

 

• Knoten verwenden wassergetauchte Seilhüllen, um Lecks zu erkennen und sie dem BMC (Board Management Controller) zur Überwachung und Alarmierung zu melden.
• Schrankteiler sind am Wassereinlass und -auslass mit fotoelektrischen Lecksensoren ausgestattet, wobei RMU-Überwachungswarnungen (Ring Main Unit) an die Netzwerkverwaltungsplattform gemeldet werden.
• Der Luft-Flüssigkeits-Wärmetauscher (Flüssigkeitskühltür) überwacht den Wasserstand mit Schwimmersensoren und Warnungen werden über RMU an die Netzwerkverwaltungsplattform gemeldet.

 

 

IV. Geringer Energieverbrauch: Innovative Energiespartechnologien fördern die grüne und kohlenstoffarme Entwicklung von Rechenzentren

 

Rechenzentren sind große Energieverbraucher und liefern nur einen kleinen Teil ihrer Energie an IT-Lasten. Der größte Energieverbrauch kommt vom Kühlsystem. Durch den Ersatz von Lüftern und Klimaanlagen durch Kaltplatten-Flüssigkeitskühlungstechnologie, die keinen kontinuierlichen Stromverbrauch erfordert, kann der Gesamtenergieverbrauch des Rechenzentrums erheblich gesenkt und der PUE-Wert deutlich verringert werden. Die Kaltplatten-Flüssigkeitskühlungstechnologie reduziert durch eine Reihe energiesparender Technologien wie Kälteverteilung, präzise Temperaturregelung, Warmwasserkühlung und Abwärmerückgewinnung den Stromverbrauch von Rechenzentren erheblich und sorgt für eine effiziente Energienutzung.

 

▲ Kraftzentren

 

Die Cold-Plate-Flüssigkeitskühlungstechnologie versorgt wärmeerzeugende Komponenten direkt über die Kälteverteilungseinheit mit Niedertemperaturkühlmittel und absorbiert so schnell und effizient die von den Servern erzeugte Wärme. Dadurch wird der Wärmeübertragungsweg effektiv verkürzt und die Kühleffizienz des Systems verbessert.

 

• Im Vergleich zu herkömmlichen Luftkühlsystemen verringern Kaltplatten-Flüssigkeitskühlsysteme den Bedarf an flächendeckender Luftkühlung, ermöglichen eine präzise Temperaturregelung und reduzieren den Kühlenergieverbrauch von Rechenzentren erheblich.
• Darüber hinaus verwendet die Kaltplatten-Flüssigkeitskühlungstechnologie Warmwasserkühlung mit Wasseraustrittstemperaturen von bis zu 55-60 Grad, was eine ganzjährige natürliche Kühlung ermöglicht. Darüber hinaus ermöglicht die hohe thermische Qualität bei Rücklaufwassertemperaturen von über 55 Grad die Rückgewinnung von Abwärme zur Wiederverwendung. Warmwasser-Flüssigkeitskühlung verringert die Wärmeableitungslast des Kühlsystems und die Abwärmerückgewinnung senkt den Gesamtenergieverbrauch. Zusammen können sie den Energieverbrauch von Rechenleistungszentren deutlich senken. Neben dem reduzierten Energieverbrauch des Kühlsystems selbst trägt die Kaltplatten-Flüssigkeitskühlung dazu bei, die Chiptemperaturen weiter zu senken, was zu höherer Zuverlässigkeit und geringerem Energieverbrauch führt. Der Gesamtenergieverbrauch des Systems wird voraussichtlich um etwa 5 % sinken.

 

 

V Einfache Wartung: Integrierte Serverschränke ermöglichen automatisierte und intelligente vereinfachte Wartung

 

Mit der Entwicklung der Technologie und der steigenden Nachfrage werden Rechenzentren immer größer und ihre Anwendungs- und Systemumgebungen werden komplexer. Sie erfordern mehr Personal und technischen Support, um Stabilität und Sicherheit zu gewährleisten. Integrierte Kühlplatten-Flüssigkeitskühlschränke sind auf dem Markt weithin für ihre Vorteile hinsichtlich schneller Bereitstellung und bequemer Wartung anerkannt.

 

▲ Integrierter Kühlplatten-Flüssigkeitskühlschrank

 

Bei flüssigkeitsgekühlten Serverschränken ist eine automatisierte Wartung ohne Kabel möglich. Dafür sorgt ein Blindeinschubdesign mit drei Bussen für den Kühlwasserkreislauf, die Stromversorgung und das Austauschnetzwerk. Dadurch wird der Wartungsvorgang erheblich vereinfacht und das Ausfallrisiko verringert.

 

• Nach der Installation, Prüfung und Fehlerbehebung an der Produktionslinie können flüssigkeitsgekühlte Serverschränke direkt an das Rechenzentrum des Kunden geliefert werden. Dadurch ist keine Installation vor Ort erforderlich und der Lieferzyklus wird auf wenige Tage verkürzt.
• Sekundärseitige Pipelines verwenden ein modulares Design mit im Werk vorgefertigten Komponenten, wodurch Schweißen und Spülen vor Ort überflüssig wird, die Effizienz um 50 % verbessert und Bereitstellung und Aktivierung erheblich beschleunigt werden.
• Darüber hinaus verfügen flüssigkeitsgekühlte Serverschränke über Roboterwartung, automatische U-Positionserkennung des Servers, Integration von Netzwerkmanagementsystemen von Drittanbietern und intelligentes Management, was die Wartungsprozesse vereinfacht und gleichzeitig die Wartungseffizienz verbessert.

 

Durch ein integriertes Design machen die automatische Wartung ohne Kabel, der effiziente Komponentenaustausch, die schnelle Lieferung der Schränke, das effiziente Rohrleitungsdesign und die intelligenten Wartungsfunktionen von flüssigkeitsgekühlten Serverschränken die Wartung bequemer, die Bereitstellung schneller und den Betrieb effizienter, während gleichzeitig Wartungskosten und Arbeitsaufwand reduziert werden. Diese Vorteile machen flüssigkeitsgekühlte Serverschränke zur idealen Wahl für einen zuverlässigen Betrieb und die zukünftige Entwicklung von Rechenleistungszentren.

 

 

VI Easy Retrofit: Flexible Bedienbarkeitsvorteile unterstützen die Aufrüstung und Transformation veralteter Rechenzentren

 

Angesichts strengerer Anforderungen und Richtlinien zum Energieverbrauch stehen herkömmliche Rechenzentren vor großen Herausforderungen. Um den Anforderungen an Energieeinsparung und Umweltschutz gerecht zu werden, müssen die Betreiber von Rechenzentren wirksame Maßnahmen ergreifen. Unter diesen ist die Luft-Flüssigkeits-Nachrüstung mit ihrer erheblichen wirtschaftlichen Effizienz, hohen Energienutzung und hervorragenden Leistung für die Betreiber von Rechenzentren zu einem gangbaren Weg geworden, um sich an die aktuellen Anforderungen an den Energieverbrauch und die Umweltherausforderungen anzupassen.

 

▲ Flüssigkeitskühlungstechnologie

 

Durch die Umstellung der Kühlmethoden einiger oder aller Server von der herkömmlichen Luftkühlung auf eine effiziente Flüssigkeitskühlung können Rechenzentren ihre Energienutzung deutlich verbessern, die PUE-Werte senken und so den Gesamtenergieverbrauch reduzieren. Dieser Schritt trägt nicht nur dazu bei, den Energieverbrauchsanforderungen gerecht zu werden, sondern verbessert auch die Effizienz der Serverkühlung, erhöht die Rechenkapazität und reduziert Probleme im Zusammenhang mit Lüftergeräuschen und Luftzirkulation, wodurch die Stabilität und Zuverlässigkeit der Server verbessert wird.

 

• Erstens bietet die Kaltplatten-Flüssigkeitskühlungstechnologie eine bessere Materialkompatibilität mit wärmeerzeugenden Komponenten. In einem Kaltplatten-Flüssigkeitskühlsystem fließt das Kühlmittel nur durch die Leitungen der Kaltplatte und kommt nicht direkt mit dem Motherboard und den wärmeerzeugenden Komponenten des Servers in Kontakt. Daher ist kein spezielles Materialdesign für das Motherboard und die wärmeerzeugenden Komponenten erforderlich. Bei der Auswahl des Kühlmittels muss nur dessen Kompatibilität mit der Zirkulationsleitung und der Kaltplatte berücksichtigt werden. Dies macht die Kaltplatten-Flüssigkeitskühlungstechnologie flexibler und für verschiedene Servergeräte geeignet, ohne dass umfangreiche Hardwareänderungen erforderlich sind.
• Zweitens ist die Kaltplatten-Flüssigkeitskühlungstechnologie leicht nachrüstbar. Diese Technologie verändert die ursprüngliche Form des Server-Motherboards nicht, sondern modifiziert sie, während das vorhandene Motherboard erhalten bleibt. Diese Modifikationsmethode ermöglicht nicht nur eine einfache Demontage und bequeme Installation, sondern bietet auch eine bessere Machbarkeit in Bezug auf Technologie, Industrie und Großserienproduktion. Da keine größeren Änderungen oder Ersetzungen des Motherboards erforderlich sind, sind die Installation und Wartung der Kaltplatten-Flüssigkeitskühlungstechnologie einfacher und bequemer, während gleichzeitig die Schwierigkeit der Produktionsskalierung in Technologie und Industrie verringert wird. Im Gegensatz dazu erfordert die Immersionsflüssigkeitskühlungstechnologie normalerweise die Entwicklung spezieller flüssigkeitsgekühlter Motherboards, um ihren vollständig untergetauchten Eigenschaften gerecht zu werden, was zweifellos sowohl die technischen als auch die Herstellungskosten erhöht.

 

Aufgrund dieser Vorteile ist die Cold-Plate-Flüssigkeitskühlungstechnologie in der Praxis bequemer und kostengünstiger und stellt daher die bevorzugte Technologie für die Aufrüstung und Nachrüstung alter Luft-Flüssigkeits-Kühlsysteme in Rechenzentren dar.