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Aug 08, 2023

Einphasig versus zweiphasig

Angesichts der kontinuierlichen Steigerung der Thermal Design Power (TDP) von Chips haben herkömmliche Luftkühlungsmethoden Schwierigkeiten, den Kühlanforderungen moderner Hyperscale-Rechenzentren gerecht zu werden. Infolge,

Angesichts der kontinuierlichen Steigerung der Thermal Design Power (TDP) von Chips haben herkömmliche Luftkühlungsmethoden Schwierigkeiten, den Kühlanforderungen moderner Hyperscale-Rechenzentren gerecht zu werden.

Aufgrund der hohen spezifischen Wärmekapazität von Flüssigkeiten hat sich die Flüssigkeitskühlung als vielversprechende Lösung herausgestellt.

Die Flüssigkeitskühlung kann in zwei Haupttypen eingeteilt werden: einphasige Flüssigkeitskühlung und zweiphasige Flüssigkeitskühlung. Der Unterschied zwischen diesen beiden liegt darin, ob während des Abkühlvorgangs ein Phasenwechsel auftritt.

Die Zweiphasenkühlung bietet zwar eine höhere Kühlkapazität, bringt jedoch auch einige Herausforderungen mit sich, wie etwa höhere Kosten und regulatorische Bedenken.

Zweiphasenkühlmittel werden üblicherweise sowohl bei der Tauchkühlung, bei der die gesamte elektronische Komponente in das Kühlmittel eingetaucht wird, als auch bei der Direktkühlung, bei der das Kühlmittel in direkten Kontakt mit dem Chip gebracht wird, verwendet.

Bei der einphasigen Kaltplattenkühlung wird ein Kühlmittel wie Wasserglykol verwendet, das durch Kühlmittelverteilungseinheiten (CDUs) innerhalb der Kühlplatte zirkuliert.

Das Kühlmittel absorbiert Wärme durch Konvektion, wenn es über die Wärmequellen (z. B. GPUs) strömt. Andererseits nutzen zweiphasige Kühlplatten oder Verdampfer dielektrische Kältemittel mit niedrigen Siedetemperaturen. Bei der Zweiphasenkühlung erfolgt die Wärmeaufnahme hauptsächlich durch die latente Wärme beim Phasenwechsel des Kältemittels.

Im Gegensatz zur einphasigen Kühlung sind zweiphasige Kühlplatten nicht auf Pumpen und CDUs für die Zirkulation angewiesen, sondern nutzen stattdessen eine temperaturgesteuerte Selbstregulierung, was zu einer einfacheren Wartung führt, da keine beweglichen Komponenten vorhanden sind.

Darüber hinaus sind die meisten Zweiphasen-Kühlmittel nicht korrosiv, was eine größere Auswahl an Materialien für Rack-Verteiler und Kühlplattengehäuse ermöglicht und den Wartungsaufwand reduziert.

Es ist jedoch wichtig zu beachten, dass einige zweiphasige Kältemittel organische Fluorbestandteile enthalten, was Bedenken hinsichtlich ihres Treibhauspotenzials und ihrer Auswirkungen auf die Umwelt aufkommen lässt.

Die Einstellung der Herstellung bestimmter Polyfluoralkylsubstanzen (PFAS) durch Unternehmen wie 3M bis Ende 2025 wird Auswirkungen sowohl auf zweiphasige Kühlplatten als auch auf die zweiphasige Tauchkühlung haben.

Bei einphasigen Kühlplatten ist der Druckabfall ein kritischer Parameter. Die CDU pumpt das Kühlmittel durch Verteiler und Schnellkupplungen, und ein ungleichmäßiger Druckabfall kann zu unterschiedlichen Durchflussraten zwischen verschiedenen Kühlplatten führen, was zu einer ungleichmäßigen Kühlung führt.

Während die Durchflussrate theoretisch manuell gesteuert werden kann, um eine unbegrenzte Kühlleistung zu erreichen, wird das Kühlmittel in der Praxis typischerweise bei einer Temperatur nahe seinem Siedepunkt gepumpt, was den Einsatz von etwa 20 Prozent der maximalen Pumpgeschwindigkeit erforderlich macht, um Kavitation zu verhindern.

Dies stellt praktische Hürden für die Einführung dar, da das Erreichen hoher Kühlkapazitäten eine erhebliche Wassermenge erfordern würde, beispielsweise 2,5 Liter pro Minute für eine Kühlplatte mit einer Kühlleistung von 1000 W.

Weitere Details zu den ein- und zweiphasigen Kühlplatten sowie die Materialüberlegungen für CDUs und Verteiler finden Sie im neuesten Forschungsbericht „Thermal Management for Data Centers 2023-2043“ von IDTechEx.

Die Tauchkühlung ist für ihre hohe Kühleffizienz bekannt und bietet einen niedrigen Partial Power Use Effectiveness (pPUE) von 1,01, was der niedrigste aller Kühlansätze für Rechenzentren ist.

Aufgrund von PFAS-Vorschriften und Umweltbedenken gibt es jedoch einen Trend zur Umstellung auf einphasige Tauchkühlung und die Verwendung von PFAS-freien und fluorarmen Kühlmitteln.

Obwohl diese Umstellungen vielversprechend sind, sind sie mit hohen Kosten und betrieblichen Komplexitäten verbunden. Darüber hinaus bleibt die Sicherstellung der Kompatibilität zwischen dem flüssigen Kühlmittel und den Servern eine ständige Herausforderung.

Dennoch gab es bemerkenswerte Kooperationen zwischen Anbietern von Immersionskühlungen und Serverlieferanten. Große Unternehmen haben Pilotprojekte initiiert, was auf ein wachsendes Interesse und Investitionen in die Immersionskühlungstechnologie hinweist.

IDTechEx prognostiziert, dass der Jahresumsatz mit Immersionskühlungshardware 200 Millionen US-Dollar übersteigen wird, was eine erhebliche Chance für die Interessenvertreter der Branche darstellt.

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