Von Hans-Jürgen Humbert
Kühlung nimmt bei Servern einen immer höheren Stellenwert ein. Die Geräte werden immer kleiner, die Verlustleistung der eingesetzten Komponenten bleibt aber gleich. Zwei CPUs in einem Server erzeugen allein eine Verlustleistung von rund 260 Watt. Hinzu kommen die Verlustleistungen der Spannungsregler, der Speicherbänke und die der Northbridge. Alles zusammengenommen ergeben sich rund 300 Watt, die ein Server mit zwei CPUs in einem Gehäuse in Wärme umwandelt. Und die muss abgeführt werden. Heutige Lösungen sehen dazu viele kleine Lüfter vor, die zusammen mehrere zig Watt an Leistung verbraten.
Bei Racksystemen sind zudem viele Server übereinander "gestapelt" - bis zu 42 Stück passen in ein Rack. Bei einer Verlustleistung von 300 Watt pro Server müssen nun über zehn Kilowatt an Wärme aus dem Rack abgeführt werden. Die Lüfter pusten die warme Luft einfach in den Serverraum. Ohne Klimatisierung würde sich der nun aufheizen.
Von verschiedenen Firmen werden deshalb Mini-Klimakammern angeboten. Zum Beispiel hat die Firma Rittal Serverschränke mit integrierter Wasserkühlung in den Seitenwänden im Programm. In diesen Schränken wird die Luft durch die Wasserkühlung auf rund 20 Grad gehalten. Das Unternehmen HTP Microsystems hat nun eine innovative Wasserkühlung entwickelt, die mit wenig Kühlmittel auskommt und die Wärme direkt dort aufnimmt, wo sie entsteht. Die größten Wärmelieferanten in Servern sind die Prozessoren, die Schaltregler, die Northbridge und der Speicher.
Wärme abführen, wo sie entsteht
Auf den ersten Blick sieht die Technik gar nicht so spektakulär aus. Zwei Wärmetauscher mit jeweils zwei Schlauchanschlüssen sitzen direkt auf den CPUs. Diese "Kühlkörper" haben jedoch nur einen Wärmewiderstand (Rth) von 0,035 Kelvin pro Watt. Selbst unter Volllast werden die CPUs damit nicht heißer als 32 Grad, behauptet zumindest Peter Prechtl, Geschäftsführer von HTP Microsystems. Und dabei reicht schon ein Wasserdurchfluss von etwa einem halben Liter pro Minute. Das Geheimnis der hohen thermischen Leitfähigkeit der Wärmetauscher liegt im Inneren. Sie bestehen aus vielen Lagen Metall, in denen in dünnen Kanälen das Wasser die Wärme aufnimmt und abtransportiert. Die Kanäle haben nur eine Breite von 100 bis 150 Nanometer. Um diese feinen Strukturen kostengünstig herzustellen, greift Prechtl auf die Technologie der Halbleiterfertigung zurück.
Zunächst wird eine Grundplatte mit ätzresistentem Fotolack beschichtet, dann wird die Struktur belichtet und anschließend geätzt - damit ist die erste Lage fertig. Übereinander gelötet ergibt sich schließlich ein Block mit vielen hauchfeinen Kanülen, durch die das Wasser strömen kann. Mit diesem Verfahren lassen sich Wärmetauscher herstellen, die einen sehr großen Kühleffekt bieten - sie können ungefähr 1.000 Mal mehr Wärme abführen als eine reine Luftkühlung und das bei minimalem Wasserverbrauch.
Eingesetzt wird die Wasserkühlung in Servern von CPI (www. cpigmbh.de). Dabei werden aber im Moment nur die beiden CPUs mit den Wärmetauschern ausgerüstet. Es sei jedoch keine Schwierigkeit, auch die anderen hitzeproduzierenden Komponenten mit Wärmetauschern auszurüsten, so Prechtl. Auf kleine, zusätzliche Ventilatoren will er aber nicht verzichten. Als Grund gibt er die Kondensatoren neben den CPUs an. Wird eine Wasserkühlung verwendet, behält zwar die CPU einen "kühlen Kopf", doch es fehle dann der kühlende Luftstrom, und die Kondensatoren überhitzen. Dabei trocknen sie aus - der Elektrolyt verdunstet, und sie verlieren an Kapazität. Nach wenigen Monaten Betrieb wären dann unerklärliche Abstürze des Servers die Folge.
Was man noch braucht
Da der größte Teil der Abwärme durch die Wasserkühlung abgeführt wird, reichen jetzt zwei kleine Lüfter mit jeweils vier Watt Leistung vollständig aus, um die anderen Komponenten zu kühlen.
Auf einen speziellen Durchflussmesser kann das System verzichten. Die interne Temperaturüberwachung in den Prozessoren reiche vollständig aus, behauptet Prechtl. Da die Wärmetauscher auf den CPUs nacheinander vom Wasserstrom durchflossen werden, könnte man im Prinzip sogar die Durchflussrichtung bestimmen. Leider seien aber die Sensoren in den Prozessoren im Temperaturbereich von 20 bis 35 Grad sehr ungenau. Abweichungen von bis zu fünf Grad von der tatsächlichen Temperatur seien keine Ausnahme, sondern eher die Regel.
Mit den Wärmetauschern allein ist es nicht getan. Im Gegensatz zur Luftkühlung brauchen Server mit Wasserkühlung noch eine Art "Infrastruktur" im Serverraum. Man kann die Server ja schließlich nicht einfach an die Wasserleitung anschließen. Die Mikrostruktur in den Wärmetauschern verlangt zudem nach entionisiertem und mit Zusatzstoffen versehenem Wasser. Das fließt dann in einem geschlossenen Kreislauf mit einem großen Wärmetauscher, der die Abwärme dann an die Umgebungsluft abführt.
Wer nur einen Server aufstellen will, braucht keine Wasserkühlung. Aber ab fünf Servern würde sich eine Kühlung mit Wasser schon rentieren, behauptet Prechtl. Zwar sind die Anschaffungskosten ein wenig höher, und man benötigt auch noch den zusätzlichen externen Wasserkreislauf, aber allein durch die Einsparung bei den Stromkosten würde sich das System bereits nach einiger Zeit amortisieren.