Der einzigartige Ansatz von HoMEDUCS, modulare Rechenzentren kühl zu halten

Joe Milan | 25. Juli 2023

Mit der Weiterentwicklung von KI und 5G, Bedenken hinsichtlich des Datenschutzes und der anhaltenden Ausbreitung des Internets der Dinge besteht eine ständig wachsende Nachfrage nach Edge Computing. Um diesen Bedarf zu decken, erfreuen sich modulare Rechenzentren zunehmender Beliebtheit, da sie schnell in abgelegenen Gebieten eingesetzt werden können und auch stationäre Rechenzentren ergänzen.

Ein großes Problem für alle Rechenzentren ist jedoch ihr Energie- und Wasserverbrauch (insbesondere für die Kühlung, der bis zu 40 % des Energieverbrauchs von Rechenzentren ausmacht), was sie zum Thema auf der Titelseite gemacht hat.

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Im Februar 2023 wurde bekannt, dass ein Google-Rechenzentrum ein Viertel des Wassers einer Stadt in Oregon verbraucht, und laut einer Studie von Virginia Tech aus dem Jahr 2021 „rührt ein Fünftel des direkten Wasser-Fußabdrucks der Rechenzentrumsserver von mäßig bis stark verwässertem Wasser her“. beanspruchte Wassereinzugsgebiete.“ Ein Großteil dieses Wassers wird zur Verdunstungskühlung verwendet, was angesichts der historischen Dürrebedingungen im Südwesten der USA zu einem Problem wird.

Für modulare Rechenzentren ist die Kühlung ein besonders wichtiges Thema, da dort enge Räume vorhanden sind und sie an abgelegenen Orten eingesetzt werden können, die eine flüssigkeitsbasierte Tauchkühlung mit energieintensiven Kältemaschinen oder Verdunstungskühlung aus der Wasserversorgung erfordern.

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Im Mai kündigte die Advanced Research Project Agency – Energy (ARPA-E) des US-Energieministeriums ihr Programm „Cooling Operations Optimized for Leaps in Energy, Reliability, and Carbon Hyperefficiency for Information Processing Systems“ (COOLERCHIPS) an, das Projekte zur Reduzierung der Umweltbelastung finanziert Auswirkungen von Rechenzentren durch die Entwicklung „hocheffizienter und zuverlässiger Kühltechnologien“.

Das grundlegende Ziel des Projekts besteht laut Dr. Peter de Bock, dem Programmdirektor von COOLERCHIPS, darin, „einen transformativen Weg zu energieeffizienteren Rechenzentren und Computern“ zu finden, als Teil der größeren Hoffnung, die CO2-Emissionen zu reduzieren, um Wie US-Energieministerin Jennifer M. Granholm sagte: „Besiegen Sie den Klimawandel und erreichen Sie unsere Zukunft mit sauberer Energie.“

Ein gefördertes Projekt, das besonders vielversprechend für die Kühlung modularer Rechenzentren ist, ist das Holistic Modular Energy-efficient Directed Cooling Solutions (HoMEDUCS)-Projekt der University of California Davis.

Anstatt zu versuchen, eine bessere Kühlung durch ein einzelnes Element oder eine einfache Aufrüstung früherer Kühlmethoden zu erreichen, führt das HoMEDUCS-Projekt eine Reihe bedeutender Verbesserungen des gesamten modularen Kühlsystems für Rechenzentren ein, beginnend mit dem Grundprinzip dessen, was wirklich gekühlt werden muss .

HoMEDUCS-Rechenzentrum im Betriebsmodus (mit freundlicher Genehmigung des UC Davis HoMEDUCS-Teams)

Im Gegensatz zu Büros mit angenehmen Temperaturen zwischen 20 und 24,4 Grad Celsius – wie von der OSHA empfohlen – vertragen Computerchips weitaus höhere Temperaturen (70 bis 80 Grad Celsius). (Dies ist eine Tatsache, die wir alle von heißen Laptops lernen, die manchmal schwere Verbrennungen verursachen). Computerchips können Temperaturen bewältigen, die der Südwesten der USA selbst an den heißesten Tagen nicht erreicht.

Indem er sich auf diese Idee konzentriert, sagt HoMEDUCS-Projektleiter Dr. Temperaturunterschied] kann genutzt werden, um die Wärme vom Chip abzuleiten.“ Das Kühlprojekt von HoMEDUCS konzentriert sich auf die Ableitung und Abgabe der Wärme vom Chip an die Umgebungsluft, beginnend mit der direkten Flüssigkeitskühlung des Chips.

HoMEDUCS verwendet ein Kühlplattendesign, das sich von anderen Kühlplattendesigns durch sein einzigartiges Flüssigkeitskanaldesign unterscheidet, das sich auf kleinere Maßstäbe und unterschiedliche Geometrien konzentriert, die die Wärmeübertragung verbessern und gleichzeitig den Druckabfall verringern, wodurch die für die Kühlplattenflüssigkeit (Propylenglykol) erforderliche Pumpleistung verringert wird ).

Sobald die Flüssigkeit die Kühlplatten verlässt, gelangt sie zu einer Wand aus hocheffizienten Wärmetauschern, die das innovative „reine“ Gegenstrom-Wärmetauscherdesign des HoMEDUCS-Teams nutzen und aus Polymer bestehen (zur Kostenreduzierung). Mithilfe von Ventilatoren wird die Wärme dann an die Umgebungsluft abgegeben; Im Gegensatz zu bestehenden modularen Kühlkonzepten für Rechenzentren sind keine Kompressoren oder Kältemaschinen erforderlich. Wenn nur einfache Pumpen und keine Kompressoren oder Kältemaschinen verwendet werden, erhöht sich die Energieeinsparung drastisch, ähnlich wie ein einfacher Deckenventilator weniger Strom verbraucht als eine Klimaanlage. Die abgekühlte Flüssigkeit kehrt zur Kühlplatte auf dem Chip zurück und wiederholt den Vorgang.

Wenn die Außentemperaturen 40 Grad Celsius (104 Grad Fahrenheit) überschreiten, integriert das Design von HoMEDUCS die Strahlungskühlpaneele von Skycool auf dem Dach des Moduls, die Flüssigkeiten auch an einem sonnigen Tag ohne Strom unter die Umgebungstemperatur kühlen können. Gekühlte Flüssigkeit wird unterhalb des Moduls gespeichert und bei extremer Hitze verwendet.

Derzeit verbraucht die Kühlung von Rechenzentren mithilfe von Verdunstungs- oder Kältemaschinenkühlung typischerweise etwa 25 bis 40 % ihrer Energie, nicht eingerechnet die unglaublichen Wassermengen, die verbraucht werden und die den Zorn dürregeplagter Gemeinden auf sich gezogen haben. Die drei Designelemente von HoMEDUCS – Kühlplatten, hocheffiziente Wärmetauscher und Strahlungskühlpaneele – und andere, die noch offengelegt werden müssen, werden voraussichtlich weniger als 5 % des Stromverbrauchs eines Rechenzentrums für die Kühlung aufwenden und kein Wasser verbrauchen .

„Was uns einzigartig macht“, sagt Narayanan, „ist die Kombination von Technologien, die wir voranbringen und die es effizienter und kompakter machen“, genau die Dinge, die für leicht einsetzbare modulare Rechenzentren benötigt werden, die überall in Amerika betrieben werden können, wo Strom verfügbar ist .

Neben dem HoMEDUCS-Projekt von UC Davis gibt es 14 weitere COOLERCHIPS-Projekte mit Energieeffizienz als Ziel, angefangen vom Nvidia-Projekt zur direkten Anwendung „grüner Kältemittel“ auf der Chip-Kühlplatte mit Rack-Verteilern mit eingebauten Pumpen und Flüssigkeits-Dampf-Trennern bis hin zu Die „Multi-Objective Software“ der University of Maryland soll Entscheidungsunterstützung für Rechenzentrumsdesigner bieten, um die nächste Generation von Rechenzentren zu entwickeln.

Luis Colón, leitender Technologie-Evangelist von Fauna.com, der seit langem mit privaten und gemieteten Rechenzentren zusammenarbeitet, sagt, dass die Auswirkungen des COOLERCHIPS-Programms bei „Hyper-Scale“-Rechenzentren deutlich zu spüren sein werden. Sie werden in der Lage sein, die Belastung des Energienetzes ihrer Gemeinde zu verringern, insbesondere während der extremen Temperaturschwankungen im Winter und Sommer, wenn die örtlichen Netze am stärksten beansprucht werden, und so zu „besseren Nachbarn“ zu werden.

De Bock ist davon überzeugt, dass das COOLERCHIPS-Programm mehr als nur ein Weg zu energieeffizienten Rechenzentren ist. Die entwickelten Technologien werden „im Allgemeinen auf viele elektronische Systeme anwendbar sein, die durch die Effizienz ihrer Kühlsysteme begrenzt sind, und könnten auch Stromumwandlungssystemen für Solarsysteme [und] Windkraftanlagen zugute kommen.“

De Bock fügt hinzu, dass modulare Rechenzentren wahrscheinlich der größte Nutznießer aller im Rahmen des COOLERCHIPS-Programms entwickelten Technologien sein werden. „Modulare Rechenzentren oder Edge-Rechenzentren verfügen über eine eigene Gebäudestruktur und können daher die entwickelten COOLERCHIPS-Technologien schneller anpassen und nutzen“, sagt er. „Sie bieten auch einzigartige Anwendungsfälle, bei denen die Datenverarbeitung in der Nähe des Kunden erfolgen kann, was eine geringe Latenz, eine schnelle Kommunikation zwischen dem Rechenzentrum und dem Benutzerstandort sowie die Möglichkeit der Wiederverwendung von Abwärme für ein Gewächshaus, Heizung, Trocknung oder andere Anwendungen ermöglicht.“

Der vielleicht größte potenzielle Nutzen von Projekten wie HoMEDUCS ist eine Zukunft, in der Rechenzentren, wie Colón es ausdrückt, „bessere Nachbarn“ sein können, indem sie weniger Energie und Wasser verbrauchen und den Nutzern mehr Edge-Computing bieten, wo auch immer sie leben.

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