Effizientes Wärmemanagement von Rechenzentren – Unmittelbarer und langfristiger Forschungsbedarf

Zusammenfassung Die Verlustleistung in Rechnerräumen oder Rechenzentren hat im letzten Jahrzehnt stetig zugenommen. Mit der Ausbreitung der CMOS-Technologie in Mikroprozessoren und Speicher in den 1980er und 1990er Jahren wurden wassergekühlte Mainframe-Systeme weitgehend durch luftgekühlte Systeme mit geringerer Leistungsaufnahme verdrängt. Diese Systeme wurden typischerweise in 2 m hohe Racks gestapelt, um die teure Grundfläche von Rechenzentren effizient zu nutzen. Die Infrastrukturen zur Umgebungskühlung in Rechenzentren entwickelten sich entsprechend zu Konstruktionen, die heiße Abluft aus den Computersystemen in Klimageräte rückführen. Die Klimageräte führen die Wärme ab und leiten die kühle Luft im geschlossenen Kreislauf zurück in den Raum. Diese luftgekühlten Infrastrukturen sind weitgehend offene, nicht kanalisierte Umgebungen, in denen sich heiße und kalte Luftströme frei mischen können. Die Entwicklung der Mikroprozessor-Fertigungstechnologie hat den Bau von Hochleistungsprozessoren ermöglicht. Das Streben von Wirtschaft, Wissenschaft und Verbrauchern nach höherer Verarbeitungsgeschwindigkeit hat die Entwicklung von Computersystemen vorangetrieben, die die größte Anzahl von Prozessoren und damit die größte Rechenleistung pro Rack-Volumen ermöglichen. Dieser Anstieg der Mikroprozessordichte stellt eine enorme Belastung für die derzeitige Klimatechnik von Rechnerräumen dar. Darüber hinaus übersteigt die Zuwachsrate der Leistungsdichte im Rechenzentrum die Verbesserungen der HVAC-Technologie. Aus diesem Grund stehen Computerhersteller vor der Wahl, entweder die Systemleistung zugunsten eines reduzierten Stromverbrauchs zu begrenzen oder Kunden Produkte mit höherer Leistung anzubieten, deren Einsatz unpraktikabel ist. In dieser Arbeit werden wir einige der wesentlichen Herausforderungen bei der Kühlung von Rechenzentren mit hoher Leistungsdichte aufzeigen. Wir werden nachweisen, dass bestehende Umgebungsinfrastrukturen inhärente Ineffizienzen aufweisen, die sehr kostspielig sein können, und wir werden Alternativen untersuchen. Darüber hinaus wird der Einsatz numerischer Modellierung zur Diagnose von Problemen bei der Konstruktion und dem Layout von Rechenzentren demonstriert und Einschränkungen für deren effektive Nutzung werden diskutiert. Schließlich haben die damit verbundenen hohen Leistungsdichten den Bedarf an einer theoretischen Behandlung der Thermophysik von Rechenzentren erhöht. Wir werden diesen Bedarf ausführlich diskutieren und Wege vorschlagen, wie er angegangen werden könnte. Im gesamten Artikel wird der Schwerpunkt auf zukünftige Richtungen gelegt, in der Hoffnung, Begeisterung für weitere Forschung und Entwicklung durch Wissenschaft und Industrie in diesem speziellen Bereich von HVAC&R zu wecken, der in seiner kontinuierlichen Entwicklung bald einen kritischen Punkt erreichen wird.