Ist Chipkühlung die Antwort auf das Kühlproblem im Rechenzentrum?

Dec 02, 2023

Soni Brown | 29. August 2023

Rechenzentren sind für ihren hohen Energieverbrauch bekannt, wobei Kühlgeräte fast 30 % des gesamten Stromverbrauchs ausmachen. Rechenzentren mit thermischem Prozessordesign können 20 bis 50 MW erzeugen von Wärme, so Hugh Hudson, Marktmanager für Rechenzentren bei Daikin Applied, einem Unternehmen für gewerbliche Kühlung. Vor diesem Hintergrund erforschen Forscher Methoden zur Chipkühlung, um die Energiebelastung zu verringern und die Effizienz in Rechenzentren zu verbessern.

Das COOLERCHIPS-Programm des US-Energieministeriums hat der Purdue University kürzlich eine bedeutende Auszeichnung verliehen, um ihre bahnbrechenden Bemühungen bei der Entwicklung effizienterer Kühllösungen für Rechenzentren voranzutreiben. Purdue konzentriert sich auf die Reduzierung des Energieverbrauchs und die Verbesserung der Kühleffizienz und möchte die Art und Weise, wie Chips gekühlt werden, revolutionieren.

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Das exponentielle Wachstum von Rechenzentren in einer immer digitaler werdenden Welt hat zu erheblichen Investitionen in die Forschung geführt, insbesondere in die Chipkühlung. Allein die Kühlung von Mikrochips – wichtigen energieverbrauchenden Komponenten in Rechenzentren – kann 40 % des Gesamtenergieverbrauchs in einem Rechenzentrum ausmachen, und der Bedarf an Wasser als Kühlressource wird zu einem weit verbreiteten Problem. Organisationen legen im Rahmen ihrer Nachhaltigkeitsbemühungen mittlerweile Wert auf den Wasserschutz.

Yongsuk Choi, Chief Strategy and Infrastructure Officer bei Empyrion DC, einem Unternehmen für digitale Infrastrukturplattformen, sagt, dass Anwendungen für künstliche Intelligenz (KI) und maschinelles Lernen (ML) „die Rechenzentrumsbranche wirklich prägen“.

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„Dieses Wachstum im Hochleistungs-Computing hat zu einem dramatischen Anstieg der Rack-Dichte um 200 % auf 20–30 kW geführt pro Rack heute“, sagte Choi gegenüber Data Center Knowledge. „Hier kommt die Mikrochip-Kühlung ins Spiel. Im Vergleich zur herkömmlichen Luftkühlung, die eine Kühlung des gesamten Dienstes erfordert, ist die Mikrochip-Kühlung viel gezielter und geht auf die direkte Wärmequelle am Chip ein.“ Niveau, wodurch eine schnellere Abkühlung bei geringerem Energieverbrauch erreicht wird. Wir gehen davon aus, dass Rechenzentrumsbetreiber die Mikrochip-Kühlung stärker nutzen werden.“

Um die Herausforderungen anzugehen und neue Ansätze zur Chipkühlung zu erforschen, hat das DOE das Programm „Advanced Research Projects Agency-Energy (ARPA-E) Cooling Operations Optimized for Leaps in Energy, Reliability, and Carbon Hyperefficiency for Information Processing Systems“ (COOLERCHIPS) ins Leben gerufen. Dieses Programm zielt darauf ab, Fortschritte in der Kühltechnologie durch die Zusammenarbeit zwischen Wissenschaft, Industrie und staatlichen nationalen Labors voranzutreiben.

Im Mai stellte das COOLERCHIPS-Programm 40 Millionen US-Dollar zur Verfügung, um die Forschung in diesem Bereich zu unterstützen, mit dem Ziel, die Umweltauswirkungen von Rechenzentren durch die Entwicklung „hocheffizienter und zuverlässiger Kühltechnologien“ zu reduzieren.

Die Purdue University, Empfängerin eines Zuschusses in Höhe von 1,8 Millionen US-Dollar im Rahmen des COOLERCHIPS-Programms, steht an der Spitze der Entwicklung innovativer Chip-Kühllösungen. Die Forschung der Universität geht über die Kühlung von Halbleiter-Mikrochips und -verpackungen hinaus und zielt darauf ab, die Wärmeübertragung zwischen Rechenzentrumskomponenten zu optimieren. Durch die Verbesserung der thermischen Leistung und die Reduzierung der Pumpleistung ist es das Ziel von Purdue, die Art und Weise, wie Rechenzentren gekühlt werden, zu revolutionieren.

Laut Tiwei Wei, Assistenzprofessor für Maschinenbau und leitender Hauptforscher des Projekts, untersuchte das Purdue-Team „aggressivere Technologien“ als derzeit im Einsatz.

Einer der wichtigsten Forschungsbereiche an der Purdue University ist die Zweiphasen-Strahlaufprallkühlung. Dieser Ansatz nutzt mit Flüssigkeit gefüllte Mikrokanäle, die direkt in die Mikrochip-Verpackung integriert sind. Wenn der Chip Wärme erzeugt, kocht die Flüssigkeit und die entstehenden Dämpfe leiten die Wärme vom Chip ab. Der Dampf kondensiert dann und wird in den Chip zurückgeführt, wodurch eine passive Kühlung ohne die Notwendigkeit einer Pumpe ermöglicht wird.

Die innovative Lösung von Purdue beinhaltet auch den direkten Flüssigkeitskontakt mit der Chipoberfläche, sodass keine thermischen Schnittstellenmaterialien erforderlich sind. Eine Silikonschicht auf der Rückseite erhöht die Kühleffizienz zusätzlich. Durch die Nutzung der Schwerkraft der Flüssigkeit möchte Purdue den Stromverbrauch minimieren, indem der Kondensator an einer höheren Position platziert wird und die Schwerkraft den Fluss in die Späne treiben kann. Dieser Ansatz optimiert die Chipkühlung und reduziert gleichzeitig den Energieverbrauch.

„Unsere Lösung besteht im Wesentlichen darin, die Datenkühlung durch einige Technologien zur Oberflächenverbesserung und Whipper-Extraktion zu verbessern“, sagte Wei. „Von der Chipebene aus erfolgt die Kühlung direkt auf dem Chip.“

Herkömmliche Kühlmethoden in Rechenzentren, wie beispielsweise die Kühlung auf Raumebene, reichen nicht mehr aus, um den Anforderungen moderner Hochleistungs-Mikrochips gerecht zu werden. Um die Wärmeerzeugung effektiv zu bewältigen, setzen Rechenzentren heute auf eine Kombination aus Luftkühlungs-, Direktflüssigkeits- und Tauchkühlsystemen. Die Verbesserung der thermischen Leistung und die Reduzierung der Pumpleistung tragen zu Energieeinsparungen bei und ermöglichen es Rechenzentren, die höheren Transistordichten neuer Computerchips zu bewältigen.

Durch die Entwicklung effizienterer Kühllösungen für Chips steht die Forschung der Purdue University im Einklang mit dem Ziel des COOLERCHIPS-Programms.

Die Einführung einer neuen Klasse effizienter Kühlsysteme sei von entscheidender Bedeutung, sagte Energieministerin Jennifer Granholm vom US-Energieministerium in einer Erklärung, da steigende Temperaturen und zunehmende Hitzewellen sich auf Rechenzentren auswirken. „Rechenzentren, die kritische Computer- und Netzwerkinfrastruktur verbinden“, müssen auf bestimmten Temperaturen gehalten werden, um betriebsbereit zu bleiben, fügte sie hinzu.

Allerdings weist Branchenveteran, Gründer und CEO von Edge Cloud Link Yuval Bachar darauf hin, dass es derzeit andere Alternativen gibt, um die Schwachstellen von Rechenzentren zu lindern. Bachar sieht in der Nutzung der Kraft von Wasserstoff den Schlüssel zur Lösung der Energieprobleme von Rechenzentren. Er hat ein einzigartiges Rechenzentrumsmodell auf den Markt gebracht, das die Kraft von Wasserstoff nutzt. Seine Rechenzentren würden 4.000 herkömmliche Server auf etwa 100 Quadratmetern beherbergen.

„Ich denke, wir können mit herkömmlichen Kühllösungen einen Overhead von 5 % erreichen, ohne dass eine Emissionskühlung erforderlich ist“, sagte Bachar.

Aber Bachar und Purdue streben das gleiche Ergebnis an: die Reduzierung der Kühlkosten. Die Bemühungen von Purdue stehen im Einklang mit dem umfassenderen Ziel des COOLERSHIPS-Programms, das darauf abzielt, energieeffiziente Kühllösungen zu entwickeln und gleichzeitig den CO2-Fußabdruck zu reduzieren. Darüber hinaus werden Innovationen angestrebt, die zuverlässig und kosteneffektiv sind.

Die effiziente Kühlung von Chips in Rechenzentren ist ein entscheidender Faktor für die Verbesserung der Gesamtenergieeffizienz und die Kostensenkung. Die durch das COOLERCHIPS-Programm unterstützte Forschung der Purdue University zielt darauf ab, Chip-Kühlmethoden durch innovative Ansätze wie Zweiphasenstrahlbeaufschlagung und direkten Flüssigkeitskontakt zu revolutionieren.

Durch die Optimierung der Kühleffizienz können Rechenzentren erhebliche Einsparungen erzielen und bedeutende Fortschritte in Richtung einer nachhaltigeren Zukunft machen.

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