Computer sind Heizungsanlagen, sie produzieren Temperaturen vergleichbar mit einem Kochherd. Bei grossen Rechenzentren, die ganze Hallen mit Computern füllen, wird diese Hitze zum Problem. Jetzt ist Forschern der ETH Zürich ein Durchbruch gelungen: Sie können mit einem neuen Kühlsystem die von Computern verursachte Abwärme nutzen.
Die Kühlung von Computersystemen in Rechenzentren bietet ein großes und bisher weitgehend ungenutztes Potenzial für Effizienzsteigerung und Nachhaltigkeit. Aquasar, ein neuartiger heißwassergekühlter Supercomputer, der von IBM entwickelt wurde, zeigt dies auf.
Ein solches zukunftsweisendes Flüssigkühlkonzept wurde nun erstmals mit dem Supercomputer Aquasar realisiert: Der Rechner wird mit bis zu 60°C heißem Wasser gekühlt. Aquasar verbraucht so bis zu 40 Prozent weniger Energie als ein vergleichbares luftgekühltes System. Und auch die Kohlendioxid-Bilanz des Rechners kann deutlich verbessert werden: Durch die direkte Abwärmenutzung – die abgeführte Wärme wird direkt für die Gebäudeheizung verwendet – kann das System im Betrieb die effektiven Emissionen um bis zu 85 Prozent reduzieren.
Der Hochleistungsrechner wurde in einem einjährigen Projekt von IBM [2]-Forschern und -Ingenieuren an den Standorten Zürich und Böblingen für die ETH Zürich [3] entworfen und gebaut. Er besteht aus 28 speziell für das Projekt angefertigten wassergekühlten IBM Blade Center Servern (22 QS22 mit jeweils 2 IBM Power XCell 8i Prozessoren und 6 HS22 mit jeweils 2 Intel Xeon Prozessoren). Für eine direkte Vergleichbarkeit mit herkömmlichen, luftgekühlten Rechnern sind im Gesamtsystem auch 14 luftgekühlte IBM Blade Center Server (11 QS22 und 3 HS22) untergebracht. Insgesamt erreicht das System eine Rechenleistung von 6 Teraflops (10 hoch 12 Gleitkommazahl-Operationen pro Sekunde) und erzielt eine Energieeffizienz von 450 Megaflops pro Watt. Zusätzlich werden 9 Kilowatt Wärmeenergie dem Gebäudeheizsystem der ETH Zürich zugeführt.
Das innovative Kühlsystem setzt direkt dort an, wo am meisten Wärme entsteht: beim Prozessor. Leistungsfähige Mikrokanalkühler sind auf der Rückseite des Chips angebracht. Die etwa zwei Quadratzentimeter großen, aus Kupfer gefertigten Wasserkühler verfügen über eine kammförmige Mikrostruktur im Inneren, durch die das Wasser effizient verteilt und hindurchgeleitet wird. Dies ermöglicht es, die Chips selbst mit bis zu 60°C heißem Wasser noch auf ihre Betriebstemperatur von rund 80 bis 85°C zu kühlen und wertvolle Abwärme zu gewinnen.
Dr. Gerhard Ingmar Meijer ist Projektleiter und Dr. Bruno Michel Manager für Advanced Thermal Packaging bei IBM Research in Zürich.
Das gesamte Kühlsystem des Rechners ist ein geschlossener, hermetisch abgedichteter Kreislauf. Mit Hilfe einer Pumpe wird das Wasser im System, insgesamt etwa 20 Liter, mit einer Rate von 30 Litern pro Minute durch den Hochleistungsrechner gepumpt. Durch den einzelnen Mikrokanalkühler strömen so circa 0,5 Liter pro Minute. Die durch das Wasser transportierte Abwärme wird durch einen Wärmetauscher an einen externen, zweiten Wärmekreislauf weitergegeben, im Fall von Aquasar dem Gebäudeheizsystem der ETH Zürich, und so sinnvoll weiter verwendet.
Mit heißem Wasser zu kühlen, verbindet also mehrere Vorteile: Es werden keine energieintensiven Kältemaschinen benötigt, was den Energieverbrauch bis zu 40 Prozent reduziert. Durch direkte Abwärmenutzung gewinnt man zudem wertvolle Wärmeenergie zurück, die sich vielfältig verwenden lässt. Im Vergleich zu ähnlichen Systemen reduziert sich dadurch auch die effektive Kohlendioxid-Bilanz erheblich – bei Aquasar bis zu 85 Prozent.