Flüssigkeitskühlung oder Luftkühlung fürs Rechenzentrum?

Nach Angaben der Internationalen Energieagentur wird sich der Stromverbrauch in Rechenzentren bis 2026 im Vergleich zu 2022 verdoppeln, wobei etwa 40 Prozent des Energiebedarfs auf die Kühlung entfallen. Als Reaktion darauf führen die Regierungen strengere Compliance-Anforderungen ein. Die Flüssigkeitskühlung (LC) gilt als die nächste Generation der Kühltechnologie. Die Frage, ob und wie die Flüssigkeitskühlung in den Bau von Rechenzentren integriert werden soll, hat sich für Unternehmen jedoch zu einem Stolperstein bei der Erstellung konkreter Einsatzpläne entwickelt. Der Infrastrukturanbieter Kaytus beschreibt, wann sich der Einsatz einer Flüssigkeitskühlung eignet und zeigt anhand der Fallstudie eines Berliner Rechenzentrums, wie Benutzer fundierte Entscheidungen über den Einsatz von Flüssigkeitskühlung treffen können.

Für welche Szenarien eignet sich Flüssigkeitskühlung?

Zu den gängigen Formen der Flüssigkeitskühlung gehören zum einen die Verwendung von Kühlplatten und zum anderen die Methode der Tauchkühlung. Die Kühlplattentechnologie ist in der Industrie am weitesten verbreitet und hat laut Kaytus einen Marktanteil von über 90 Prozent.

Tatsächlich ist die Wärmeabfuhrkapazität pro Volumeneinheit bei der Flüssigkeitskühlung 3.000-mal höher als bei der herkömmlichen Luftkühlung (AC), sie ist also wesentlich energieeffizienter. Darüber hinaus eignet sich das kompakte Design von Flüssigkeitskühlsystemen für den Einsatz in Server-Schränken mit hoher Leistungsdichte.

Die Flüssigkeitskühlung ist zudem geeignet für die Anwendung bei Chips mit einer Leistungsaufnahme von über 250W und unterstützt eine Leistungsdichte von über 40kW pro Server-Schrank. Als weiteres Einsatzfeld von Flüssigkeitskühlung nennt Kaytus High-Density-Computing-Anwendungen wie KI und HPC (High Performance Computing):

• KI und HPC: Für typische High-Density-Computing-Anwendungen kann die Flüssigkeitskühlung bei großen Sprachmodellen (LLMs), autonomem Fahren, Computer Vision, technischen/medizinischen Simulationen, wissenschaftlichen Berechnungen und anderen Anwendungen eingesetzt werden.
• Cloud-Computing: Bei Cloud-Diensten, die von Hyper-Scale-Rechenzentren unterstützt werden, unterstützt Flüssigkeitskühlung den stabilen Betrieb von Rechenzentren trägt dazu bei die Betriebs- und Wartungskosten zu senken.

Flüssigkeitskühlung vs. Luftkühlung – eine Analyse der Gesamtbetriebskosten

Doch welche Effekte bietet die Flüssigkeitskühlung im Vergleich zur Luftkühlung? In einer realen Anwendung betrachtet Kaytus in einem 5Petaflops-Rechenzentrum in Berlin sowohl Luft- als auch Flüssigkeitskühlung. Dazu hat das Unternehmen dessen Einsatz- und Betriebsdaten der vergangenen fünf Jahre zusammengestellt. Das Ergebnis der Untersuchung: Obwohl die Anfangsinvestition für die Flüssigkeitskühlung höher ist als die für luftgekühlte Rechenzentren, zeigen sich bei den Gesamtbetriebskosten (Anfangsinvestition und täglicher Betrieb) für die Flüssigkeitskühlung bereits nach dem ersten Betriebsjahr finanzielle Vorteile. Der Abstand vergrößert sich im Laufe der Betriebszeit weiter. Nach den Berechnungen von Kaytus sprechen folgende Effekte für Flüssigkeitskühlung:

• Raumausnutzung: Die Flüssigkeitskühlung eignet sich besser für High-Density-Implementierungen. In dem Rechenzentrum mit 225 Servern reduziert die Flüssigkeitskühlung die Anzahl der Server-Schränke von 58 (mit Luftkühlung) auf nur 19 – eine Reduzierung um 67 Prozent.
• Energieeffizienz: 0,19 niedrigerer PUE-Wert (Power Usage Effectiveness). Im Vergleich zur Luftkühlung wird das Niveau von 1,34 auf 1,15 gesenkt. Der PUE-Wert bei der Flüssigkeitskühlung ist deutlich niedriger und nähert sich dem Idealwert von 1.
• Nachhaltigkeit: Die jährliche Einsparungen berechnet Kaytus mit 1,31Mio.kWh, was etwa 35t Kohlenstoffemissionen entspricht.

Berechnung der Kosteneinsparungen

Die Flüssigkeitskühlung kann die jährlichen Stromkosten des untersuchten Rechenzentrums um etwa 250.000€ senken und gleichzeitig die Betriebskosten, wie Wartungs- und Raumkosten, um 130.000€ reduzieren. Insgesamt können die Nutzer laut der Fallstudie also mit Einsparungen von 380.000 € pro Jahr rechnen. Die Differenz zwischen den Anfangsinvestitionen für Flüssigkühlung und Luftkühlung beziffert Kaytus mit 739.000€ zugunsten der Luftkühlung.

Auf Basis dieses Betrags und der jährlichen Einsparungen ergibt sich folgende Rechnung: 739.000€ (Differenz zwischen LC- und AC-Anfangsinvestition) / 380.000€ pro Jahr (jährliche Einsparungen durch LC) ? 1,94 Jahre Amortisationszeit.

Nach drei Jahren reduzieren sich die Gesamtbetriebskosten (TCO) um etwa 400.000 € (380.000€ x 3 – 739.000€), und über einen Zeitraum von fünf Jahren belaufen sich die potenziellen Gesamtkosteneinsparungen auf 1,16Mio.€.

Kaytus sieht drei Hauptvorteile von Flüssigkeitskühlsystemen:

• Bessere Wärmeableitung zur Gewährleistung der Systemstabilität: Mit Flüssigkeitskühlung bleibt die Betriebstemperatur der CPU zwischen 40°C und 50°C und damit rund 20°C niedriger als bei der Luftkühlung. Dies reduziert das Risiko von Ausfällen aufgrund lokaler Hotspots und optimiert Rechenleistung. Darüber hinaus kommen flüssigkeitsgekühlte Server im Vergleich zu luftgekühlten Servern ohne oder mit weniger schnellen Lüftern aus, was Vibrationen reduziert und das Risiko von Speicher- und Laufwerksausfällen verringert.
• Verbesserte Energieeffizienz, geringere Kohlenstoffemissionen: Die effizientere Kühlung von IT-Geräten senkt deren Gesamtenergieverbrauch. Diese Systeme können die Energieeffizienz im Vergleich zu herkömmlichen luftgekühlten Rechenzentren um mehr als 30 Prozent verbessern. Dadurch werden auch die Kohlendioxidemissionen reduziert.
• Optimierung der Raumnutzung durch Unterstützung von High-Density-Computing: Flüssigkeitsgekühlte Rechenzentren können mehr Server auf demselben Raum unterbringen. Die Leistungsdichte pro Schrank kann bis zu 130kW betragen, was eine höhere Rechen- und Einsatzdichte und niedrigere Gesamtbetriebskosten (TCO) ermöglicht.

Flüssigkeitskühlung für ‚Green Computing‘-Ansatz

Der Einsatz von Flüssigkeitskühlungen wird nicht nur durch neue Anwendungen wie KI und HPC vorangetrieben, sondern auch Nachhaltigkeitsziele. In diesem Zusammenhang ist das Konzept des ‚Green Computing‘ entstanden. Kaytus definiert dieses als die kontinuierliche Optimierung und Verbesserung der IT-Architektur von Rechenzentren, um die Energieeffizienz über den gesamten Lebenszyklus der Datenverarbeitung zu verbessern – von der Erzeugung und Übertragung bis hin zur Anwendung der Daten. Aus Sicht von Kaytus passt die Flüssigkeitskühlung als Schlüsseltechnologie perfekt zu dieser Definition. Bei der Auswahl von Flüssigkeitskühlsystemen sei es jedoch wichtig, die Effizienz des gesamten Rechnersystems zu bewerten – von den Komponenten und Servern bis hin zu den Anwendungen der oberen Schicht. Anwender sollten Flüssigkühllösungen wählen, die sich auf Energieeffizienz und Zuverlässigkeit konzentrieren und auf ihre jeweiligen spezifischen Anforderungen an die Wärmeableitung, die Bedingungen im Rechenzentrum und ihr Kostenbudget zugeschnitten sind.