Wie die Einzelphasen-Immersionskühlung die Serverkühlung verbessert

Traditionelle Luftkühlung kann für normale Serverlasten weiterhin funktionieren, hat aber oft Schwierigkeiten, wenn viele hochleistungsfähige CPUs, GPUs und Beschleuniger dicht beieinander platziert werden. Die Einzelphasen-Flüssigkeits-Immersionskühlung bietet eine andere Lösung, indem elektronische Hardware direkt in eine nicht-leitende Dielektrikumflüssigkeit eingetaucht wird. Dieser Artikel erklärt, wie die Einzelphasen-Immersionskühlung funktioniert, welche Probleme sie löst und mehr.

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Was ist Einzelphasen-Flüssigkeits-Immersionskühlung?

Die Einzelphasen-Flüssigkeits-Immersionskühlung ist ein Kühlverfahren, bei dem Server, Prozessoren, GPUs und andere elektronische Komponenten in einem Tank mit Dielektrikumflüssigkeit platziert werden. Diese Flüssigkeit ist nicht leitend, sodass sie elektrische Teile sicher berühren kann, ohne Kurzschlüsse zu verursachen. Ihre Hauptfunktion besteht darin, Wärme direkt von der Hardware abzuführen und diese Wärme vom Gerät weg zu transportieren.

Es wird als Einzelphase bezeichnet, weil das Kühlmittel während des normalen Betriebs in flüssiger Form bleibt. Es kocht, verdampft oder verwandelt sich nicht in Dampf. Dies unterscheidet es von der zweiphasigen Immersionskühlung, bei der die Flüssigkeit von flüssig zu dampf wird und dann wieder zu flüssig kondensiert.

Dieses Kühlverfahren wird hauptsächlich in Hochdichtcomputing-Umgebungen eingesetzt, wo Luftkühlung möglicherweise nicht mehr ausreicht. Es ist nützlich für Datenzentren, KI-Server, Hochleistungs-Computing-Systeme und andere Anwendungen, die viel Wärme auf kleinem Raum erzeugen. Durch die direkte Wärmeabfuhr von den Komponenten kann es die Temperaturkontrolle verbessern, den Bedarf an Lüftern reduzieren, Geräuschpegel senken und eine höhere Leistungsdichte unterstützen.

Wie funktioniert die Einzelphasen-Immersionskühlung?

In einem Einzelphasen-Immersionskühlsystem ist das Serverrack oder die elektronische Hardware in das dielektrische Kühlmittel eingetaucht. Während die Komponenten betrieben werden, geben sie Wärme an die umgebende Flüssigkeit ab. Das Kühlmittel absorbiert diese Wärme direkter als Luft, was hilft, die Hardware auf einer stabileren Betriebstemperatur zu halten.

Wie im Diagramm dargestellt, verlässt das erwärmte Kühlmittel die Oberseite des Serverracks und fließt zur Kühlmittelverteilungseinheit. Diese Einheit steuert die Bewegung der Flüssigkeit und leitet sie durch den Kühlweg. Eine Pumpe hält das Kühlmittel in Zirkulation, sodass Wärme kontinuierlich aus dem System entfernt werden kann.

Das erhitzte Kühlmittel durchläuft dann einen Kühlmittel-zu-Wasser-Wärmetauscher. In diesem Teil des Systems wird die Wärme der dielektrischen Flüssigkeit an einen anderen Kühlkreislauf, wie z.B. einen Wasserkreislauf, übertragen. Sobald das Kühlmittel seine Wärme abgegeben hat, kehrt es bei der erforderlichen Temperatur in den Immersionstank zurück.

Die verbleibende Wärme wird durch ein finales Wärmeabfuhrsystem entfernt, wie z.B. einen Verdunstungskühlturm, einen Trockenverdampfer oder einen bestehenden Kühlwasserkreislauf. Nach diesem Prozess zirkuliert dieselbe Flüssigkeit weiterhin durch das System. Da das Kühlmittel während des gesamten Zyklus flüssig bleibt, ist das System einfacher als die Zwei-Phasen-Immersionskühlung, bietet jedoch weiterhin effektive Kühlung für Hochleistungsrechenzentrumsausrüstung.

Probleme, die durch Immersionskühlung gelöst werden

Hohe Wärme von dichter Computerhardware

Immersionskühlung hilft, das Problem der hohen Wärme zu lösen, die von modernen Servern, GPUs, CPUs und Stromkomponenten erzeugt wird. Da Rechenzentren leistungsstärkere Hardware für KI, Cloud-Computing und Hochleistungsrechner verwenden, wird mehr Wärme auf kleinerem Raum erzeugt. Die traditionelle Luftkühlung kann Schwierigkeiten haben, diese Wärme gleichmäßig abzuführen, insbesondere wenn viele Hochleistungsbauteile nahe beieinander platziert sind. Immersionskühlung verbessert die Wärmeabfuhr, indem sie es dem Kühlmittel ermöglicht, die Komponenten direkt zu berühren und die Wärme effizienter aufzunehmen.

Begrenzte Luftkühlkapazität

Die Luftkühlung hängt von Ventilatoren, Luftstromwegen, Kühlkörpern und raumbezogenen Kühlsystemen ab. Dies kann weniger effektiv werden, wenn die Leistungsdichte von Racks zunimmt. Wenn der Luftstrom blockiert oder ungleichmäßig ist, können einige Bereiche heißer werden als andere. Immersionskühlung reduziert dieses Problem, da die Wärme in die Flüssigkeit übertragen wird, anstatt sich nur auf bewegte Luft zu verlassen. Dadurch wird es einfacher, Hochleistungsgeräte zu kühlen, ohne größere Ventilatoren oder komplexere Luftströmungsdesigns zu benötigen.

Hot Spots rund um CPUs und GPUs

Hot Spots sind Bereiche, in denen bestimmte Komponenten viel heißer werden als der Rest des Systems. Sie treten häufig um CPUs, GPUs, Speichermodule und Stromversorgungsbauteile auf. Diese Hot Spots können die Leistung reduzieren, die Lebensdauer der Hardware verkürzen oder thermisches Drosseln verursachen. Immersionskühlung hilft, indem sie die Hardware mit Kühlmittel umgibt, das sich ausbreitet und die Wärme gleichmäßiger von kritischen Komponenten abführt.

Hoher Ventilatorstrom und Lärm

In luftgekühlten Systemen müssen Ventilatoren härter arbeiten, je mehr Wärme erzeugt wird. Dies verbraucht mehr Energie und erzeugt mehr Lärm. In großen Rechenzentren kann der Energieverbrauch der Ventilatoren einen erheblichen Teil des gesamten Strombedarfs ausmachen. Immersionskühlung kann den Bedarf an Serverventilatoren reduzieren oder beseitigen, da die Flüssigkeit den Großteil des Wärmetransfers übernimmt. Dies kann die Lärmbelastung senken und den Stromverbrauch für die interne Kühlung reduzieren.

Platzgrenzen in Rechenzentren

Mit wachsender Nachfrage nach Rechenleistung müssen Rechenzentren häufig mehr Energie und Leistung in denselben physischen Raum integrieren. Die Luftkühlung kann limitieren, wie viel Hardware in einem Rack platziert werden kann, da zu viel Wärme schwierig zu managen wird. Immersionskühlung unterstützt eine höhere Leistungsdichte, indem sie Wärme direkter von der Hardware abführt. Dies ermöglicht mehr Rechenkapazität auf kleinerer Fläche, wenn das System richtig gestaltet ist.

Temperaturinstabilität

Schnelle Änderungen der Arbeitslast können dazu führen, dass die Temperaturen der Server schnell steigen und fallen. Dies ist häufig bei KI-Training, Cloud-Computing, Rendering und Hochleistungsrechenaufgaben der Fall. Instabile Temperaturen können Leistung und Zuverlässigkeit beeinträchtigen. Immersionskühlung hilft, die Temperaturen stabiler zu halten, da die Flüssigkeit Wärme kontinuierlich während des Betriebs absorbieren und abführen kann.

Kühlenergieverschwendung

Traditionelle Kühlsysteme benötigen möglicherweise starke Luftströme, große Klimaanlagen und sorgfältige Raumtemperaturregelung. Dies kann Energie verschwendet, insbesondere in Einrichtungen mit hohen Wärmebelastungen. Immersionskühlung kann die Energienachfrage für Kühlung reduzieren, indem sie Wärme effizienter von der Hardware zum Kühlsystem überträgt. Dies kann helfen, die Gesamteffizienz des Rechenzentrums zu verbessern, insbesondere in hochdichten Umgebungen.

Schwierigkeiten beim Kühlen zukünftiger Hardware

Neue Prozessoren, GPUs und KI-Beschleuniger steigen weiterhin im Energieverbrauch. Einige zukünftige Hardware könnte nur mit Luft allein schwer zu kühlen sein. Immersionskühlung hilft Rechenzentren, sich auf leistungsstärkere Geräte vorzubereiten, indem sie einen stärkeren Kühlweg bietet. Dadurch erhalten Betreiber mehr Flexibilität bei der Planung für Server der nächsten Generation und Hochleistungscomputersysteme.

Typisches Einphasen-Immersionskühlsystem

• Immersionsbehälter – Hält die Server und das dielektrische Kühlmittel.

• OEM-Server – Die elektronischen Geräte, die im Kühlbehälter platziert sind.

• Dielektrisches Kühlmittel – Eine nicht leitende Flüssigkeit, die die Hardware sicher umgibt und Wärme aufnimmt.

• Warmmittel-Ausgang – Das erhitzte Kühlmittel, das den Serverbereich nach der Wärmeaufnahme verlässt.

• Kaltmittel-Eingang – Die gekühlte dielektrische Flüssigkeit, die zum Behälter zurückkehrt, um mehr Wärme aufzunehmen.

• Kühlmittelzirkulationsweg – Der Flussweg, der das Kühlmittel zwischen dem Behälter und der Kühlvorrichtung bewegt.

• Wärmetauscher – Überträgt Wärme von dem warmen Dielektrikum-Kühlmittel auf einen separaten Wasserkreislauf.

• Kaltwassereingang – Das kalte Wasser, das in den Wärmetauscher eintritt, um Wärme aus dem Kühlmittel aufzunehmen.

• Warmwasserausgang – Das erhitzte Wasser, das den Wärmetauscher verlässt, nachdem es Wärme gesammelt hat.

• Pumpe oder Kühlmittel-Verteilungseinheit – Bewegt das Kühlmittel durch das System und hält die Zirkulation konstant.

Dielektrische Flüssigkeiten für Immersionskühlung

Dielektrische Flüssigkeiten sind nicht leitende Flüssigkeiten, die in Immersionskühlsystemen verwendet werden. Sie ermöglichen es, Server, Prozessoren, GPUs und Leiterplatten direkt in der Flüssigkeit zu platzieren, ohne elektrische Kurzschlüsse zu verursachen. Ihre Hauptaufgabe besteht darin, Wärme von der Hardware aufzunehmen und sie vom System wegzuführen.

Bei der eintemperatur Immersionskühlung bleibt die Flüssigkeit in flüssiger Form. Sie siedet nicht und verwandelt sich nicht in Dampf. Die warme Flüssigkeit bewegt sich zu einem Wärmetauscher, gibt Wärme ab und kehrt dann als kühlere Flüssigkeit zum Tank zurück.

Häufige dielektrische Flüssigkeiten sind mineralölbasierte Flüssigkeiten, synthetische Kohlenwasserstoffflüssigkeiten und esterbasierte Flüssigkeiten. Jeder Typ hat unterschiedliche Kosten, Kühlleistung, Viskosität, Sicherheit und Materialkompatibilität. Die Flüssigkeit muss gut mit Kabeln, Kunststoffen, Dichtungen, Anschlüssen und anderen Servermaterialien funktionieren.

Die Auswahl der richtigen dielektrischen Flüssigkeit ist wichtig, da sie die Kühlleistung, Wartung, Lebensdauer der Hardware und Systemzuverlässigkeit beeinflusst. Eine gute Flüssigkeit sollte Wärme gut übertragen, über die Zeit stabil bleiben und leicht zu überwachen und zu warten sein.

Eintemperatur vs Zweitemperatur Immersionskühlung

Wie oben erwähnt, verwendet die eintemperatur Immersionskühlung die dielektrische Flüssigkeit, die während des Kühlprozesses in flüssiger Form bleibt. Die Flüssigkeit absorbiert Wärme von der Hardware, bewegt sich durch einen Wärmetauscher und kehrt nach dem Abkühlen in den Tank zurück. Dies macht das System einfacher zu verstehen, zu bedienen und zu warten, da es nicht von Sieden oder Dampfsteuerung abhängt.

Zweitemperatur-Immersionskühlung funktioniert anders. In diesem System siedet die dielektrische Flüssigkeit, wenn sie mit heißen Bauteilen in Kontakt kommt. Die Flüssigkeit verwandelt sich in Dampf, steigt im Tank auf und wird dann durch einen Kondensator wieder in Flüssigkeit kondensiert. Dieser Phasenwechselprozess kann Wärme sehr effektiv entfernen, insbesondere in extrem leistungsstarken Systemen, erfordert jedoch in der Regel ein kontrollierteres und komplexeres Design.

Funktion	Eintemperatur Immersionskühlung	Zweitemperatur Immersionskühlung
Kühlmittelverhalten	Bleibt flüssig	Wechselt von flüssig zu Dampf
Wärmeübertragungs- methode	Zirkulierende Flüssigkeit und Wärmetauscher	Sieden und Kondensation
System- komplexität	Einfacher	Komplexer
Wartung	Einfacher zu warten	Erfordert engere Kontrolle
Kühlleistung	Gut für hochdichte Server	Besser für extreme Wärmebelastung
Kosten	In der Regel praktischer	Oft höher
Beste Verwendung	Rechenzentren, KI Server, HPC und allgemeine Hochdichte-Kühlung	Fortschrittliche Systeme mit sehr hohem thermischen Bedarf

Eintemperatur-Immersionskühlung vs Luftkühlung

Luftkühlung ist die traditionelle Methode, die in den meisten Rechenzentren verwendet wird. Sie entfernt Wärme, indem sie Luft über Kühler, Ventilatoren und Server-Racks bewegt. Diese Einrichtung ist vertraut, einfach zu warten und geeignet für Standard-Arbeitslasten. Da die Server jedoch leistungsstärker werden, kann es bei der Luftkühlung Schwierigkeiten geben, die Wärme gleichmäßig zu steuern, insbesondere in Racks mit leistungsstarken CPUs, GPUs oder KI-Beschleunigern.

Die eintemperatur Immersionskühlung verwendet einen anderen Ansatz. Anstatt auf Luftströmung zu setzen, wird die Hardware in die dielektrische Flüssigkeit eingetaucht, die direkt Wärme von den Bauteilen aufnimmt. Dies verleiht dem System einen stärkeren Wärmeübergang und hilft, heiße Stellen in dichten Computing-Umgebungen zu reduzieren. Es ist nützlich, wenn die Luftkühlung die Temperaturen nicht mehr stabil halten kann, ohne mehr Ventilatorleistung oder größere Kühlsysteme zu verwenden.

Die meisten Einrichtungen unterstützen bereits die Luftkühlung, und Techniker sind mit ihrem Wartungsprozess vertraut. Der Hauptvorteil der eintemperatur Immersionskühlung ist eine höhere Kühlkapazität auf kleinerem Raum. Sie kann dichtere Hardware-Anordnungen unterstützen, den Lüftergeräuschpegel senken und die thermische Steuerung verbessern, erfordert jedoch auch spezielle Tanks, Kühlmittelhandhabung und kompatible Hardware.

Faktor	Luftkühlung	Eintemperatur- Immersionskühlung
Am besten für	Standard-Serverräume und normale Racklasten	Hochdichte Racks, KI-Server und HPC-Systeme
Einrichtung	Verwendet bestehende luftstrombasierte Infrastruktur	Benötigt Eintauchbecken und Kühlmitteldurchfluss
Wärme kontrolle	Kann durch Luftstromwege eingeschränkt werden	Bietet direkten Flüssigkeitskontakt mit Komponenten
Geräusch	Lüftergeräusch ist normalerweise vorhanden	Lüfterbetrieb kann reduziert oder entfernt werden
Wartung	Einfacher für die meisten Techniker	Erfordert Kühlmittelhandhabung und verschiedene Wartungsschritte
Platznutzung	Benötigt Luftstromfreiraum um die Geräte	Ermöglicht kompaktere Hochleistungsdesigns
Kosten	Geringere anfängliche Kosten	Höhere Einrichtungs kosten, aber nützlich für hohe Arbeitslasten

Eintauchtkühlung vs Direktkühlung auf Chip

Eintauchtkühlung und Direktkühlung auf Chip werden beide verwendet, um Wärme in Hochleistungsservern, KI-Systemen und Rechenzentren zu managen. Der Hauptunterschied liegt darin, wie sie die Wärme von der Hardware entfernen.

Bei der einphasigen Eintauchtkühlung werden der Server oder die elektronischen Komponenten in ein Tank mit dielektrischer Flüssigkeit eingetaucht. Die Flüssigkeit umgibt die Hardware und absorbiert Wärme von vielen Komponenten gleichzeitig. Bei der Direktkühlung auf Chip fließt die Flüssigkeit durch Kälteplatten, die nur an Hochtemperaturteilen wie CPUs, GPUs und Beschleunigern angebracht sind. Dies behält ein traditionelleres Rack-Design bei, benötigt jedoch immer noch Pumpen, Rohre, Anschlüsse und sorgfältige Leckkontrolle.

Faktor	Einphasige Eintauchtkühlung	Direktkühlung auf Chip
Kühlmethode	Hardware ist in dielektrischer Flüssigkeit eingetaucht	Kälteplatten sind an heißen Chips angebracht
Kühlabdeckung	Kühlt viele Komponenten gleichzeitig	Kühlt hauptsächlich CPUs, GPUs und Beschleuniger
Serverdesign	Benötigt Eintauchbereites Setup	Beibehaltung eines standardmäßigen Rackformats
Flüssigkeitstyp	Nicht leitfähige dielektrische Flüssigkeit	Üblicherweise wasserbasierter Kühlmittelschleifen
Wartung	Erfordert Tankzugang und Flüssigkeitshandhabung	Erfordert Überprüfung von Rohren, Anschlüssen und Kälteplatten
Beste Verwendung	Sehr dichte Systeme und vollständige Serverkühlung	Hochleistungschips in rackbasierten Rechenzentren
Hauptproblem	Hardwarekompatibilität und Kühlmittelhandhabung	Leckkontrolle und Kälteplattendeckung

Echte Anwendungen

• KI-Rechenzentren – Werden verwendet, um Hochleistungs-GPUs und KI-Beschleuniger zu kühlen, die während des Trainings und der Inferenz hohe Wärme erzeugen.

• Hochleistungsrechnen – Hilft, Wärme in Systemen zu verwalten, die für Simulationen, Forschung, Ingenieurwesen und komplexe Berechnungen verwendet werden.

• Cloud- und Unternehmensrechenzentren – Unterstützt höhere Rachdichte und bessere Kühlung, wenn die traditionelle Luftkühlung weniger effizient wird.

• Kryptowährungsabbau – Reduziert Wärme und Lüftergeräusche in Mining-Maschinen, die kontinuierlich laufen.

• Edge-Rechenzentren – Nützlich für kompakte Standorte, wo der Platz begrenzt ist und effiziente Kühlung erforderlich ist.

• Industriecomputersysteme – Schützt und kühlt Hardware, die in staubigen, heißen oder luftstrombegrenzt Umgebungen verwendet wird.

• Leistungselektronik – Wird für Umrichter, Wechselrichter und Leistungsmodulen verwendet, die eine stabile thermische Kontrolle benötigen.

Sicherheits- und Umweltüberlegungen

Die einphasige Eintauchtkühlung ist im Allgemeinen sicher für Elektronik, da sie dielektrische Flüssigkeit verwendet, die keinen Strom leitet. Die Flüssigkeit muss jedoch dennoch richtig gehandhabt werden. Rechenzentren benötigen klare Sicherheitsverfahren für das Befüllen von Tanks, Entfernen von Servern, Reinigen von Komponenten und Verhindern von Verschüttungen. Arbeiter sollten auch die Handhabungsrichtlinien des Kühlmittelherstellers befolgen.

Einige dielektrischen Flüssigkeiten haben höhere Flammpunkte als andere, daher sollte die gewählte Flüssigkeit den Sicherheitsanforderungen der Einrichtung entsprechen. Das System sollte auch eine angemessene Überwachung, Leckkontrolle, Belüftung und Notfallverfahren umfassen.

Die Umweltauswirkungen hängen von der Art des verwendeten Kühlmittels ab. Einige Flüssigkeiten sind so konstruiert, dass sie lange halten, und können den Energieverbrauch für die Kühlung reduzieren, aber sie benötigen dennoch eine ordnungsgemäße Lagerung, Filtration und Entsorgung. Ein Kühlmittel sollte nicht in Abflüsse oder die Umwelt entsorgt werden. Gebrauchte Flüssigkeit muss gemäß den lokalen Abfall- und Umweltvorschriften behandelt werden.

Die einphasige Eintauchtkühlung kann helfen, Lüfterleistung, Geräusch und manchmal Wasserverbrauch zu reduzieren, je nach Systemdesign. Sie sollte jedoch nicht automatisch als „grün“ bezeichnet werden, es sei denn, die Flüssigkeitstyp, Energieeinsparungen, Wartungsprozess und Entsorgungsmethode werden angemessen berücksichtigt.

Häufig gestellte Fragen [FAQ]

1. Warum wird die einphasige Eintauchtkühlung für KI-Rechenzentren immer wichtiger?

Die Einphasen-Eintauchkühlung wird immer wichtiger, da KI-Server leistungsstarke GPUs und Beschleuniger verwenden, die in einem kleinen Raum viel Wärme erzeugen. Luftkühlung könnte Schwierigkeiten haben, diese Wärme gleichmäßig zu managen, während die Eintauchkühlung die Wärme direkt durch die dielektrische Flüssigkeit abführt. Dies trägt zur Unterstützung einer höheren Rackdichte, besserer Temperaturstabilität und geringerer Lüfternutzung bei.

2. Was unterscheidet die Einphasen-Eintauchkühlung von normaler Flüssigkeitskühlung?

Normale Flüssigkeitskühlung, wie z.B. die direkte Kühlung von Chips, leitet in der Regel Kühlmittel durch kalte Platten, die an CPUs oder GPUs angebracht sind. Die Einphasen-Eintauchkühlung platziert den gesamten Server oder die elektronische Hardware in dielektrischer Flüssigkeit. Dies ermöglicht es der Flüssigkeit, Wärme von vielen Komponenten aufzunehmen, nicht nur von den Hauptchips.

3. Ist die Einphasen-Eintauchkühlung besser als die Luftkühlung für jedes Rechenzentrum?

Nein. Die Luftkühlung ist weiterhin praktisch für Standard-Serverräume und normale Racklasten. Die Einphasen-Eintauchkühlung ist besser, wenn die Wärmedichte hoch ist, der Platz begrenzt ist, Lüftergeräusche ein Problem darstellen oder die Luftkühlung die Temperaturen nicht mehr stabil halten kann. Sie benötigt auch spezielle Behälter, Kühlmittelhandhabung und kompatible Hardware.

4. Warum muss das Kühlmittel dielektrisch sein?

Das Kühlmittel muss dielektrisch sein, da es direkt mit elektrischen Komponenten in Berührung kommt. Eine dielektrische Flüssigkeit leitet keinen Strom, sodass sie sicher Leiterplatten, Prozessoren, GPUs und Stromteile umgeben kann, ohne Kurzschlüsse zu verursachen. Sie benötigt auch gute Wärmeübertragungseigenschaften und langfristige Stabilität.

5. Was sind die Haupt Risiken bei der Verwendung der falschen dielektrischen Flüssigkeit?

Die Verwendung der falschen Flüssigkeit kann zu schlechter Kühlung, Materialschäden, Kontamination oder Instandhaltungsproblemen führen. Einige Flüssigkeiten können im Laufe der Zeit Kunststoffe, Dichtungen, Kabel, Etiketten oder Anschlüsse beeinträchtigen. Aus diesem Grund sollte die Kompatibilität des Kühlmittels vor der vollständigen Systemeinführung überprüft werden.

6. Wie hilft die Einphasen-Eintauchkühlung, heiße Stellen zu reduzieren?

Heiße Stellen entstehen, wenn bestimmte Teile, wie CPUs oder GPUs, viel heißer werden als der Rest des Systems. Bei der Eintauchkühlung umgibt die dielektrische Flüssigkeit die Hardware und nimmt Wärme direkt von vielen Oberflächen auf. Dies ermöglicht eine gleichmäßigere Wärmeabfuhr als der Luftstrom allein.