Flüssigkeitskühlung versus Luftkühlung

Nach Angaben der Internationalen Energieagentur wird sich der Stromverbrauch in Rechenzentren bis 2026 im Vergleich zu 2022 verdoppeln, wobei etwa 40 % des Energiebedarfs auf die Kühlung entfallen. Als Reaktion darauf führen die Regierungen strengere Compliance-Anforderungen ein. Die Flüssigkeitskühlung (Liquid Cooling, LC) gilt als die nächste Generation der Kühltechnologie und ebnet den Weg für energieeffiziente und nachhaltige Rechenzentren. Die Frage, ob und wie die Flüssigkeitskühlung in den Bau von Rechenzentren integriert werden soll, hat sich für Unternehmen jedoch zu einem Stolperstein bei der Erstellung konkreter Einsatzpläne entwickelt.

Kaytus, ein Anbieter von End-to-End-Lösungen für KI und Flüssigkeitskühlung, erklärt, wann der Einsatz einer Flüssigkeitskühlung unverzichtbar ist und zeigt anhand der Fallstudie eines Berliner Rechenzentrums, wie Benutzer fundierte Entscheidungen über den Einsatz von Flüssigkeitskühlung treffen können.

Typische Anwendungen für Flüssigkeitskühlung: KI, HPC und Cloud

Zu den gängigen Formen der Flüssigkeitskühlung gehören zum einen die Verwendung von Kühlplatten und zum anderen die Methode der Tauchkühlung. Die Kühlplattentechnologie ist in der Industrie am weitesten verbreitet und hat einen Marktanteil von über 90 %.

Tatsächlich ist die Wärmeabfuhrkapazität pro Volumeneinheit bei der Flüssigkeitskühlung 3.000-mal höher als bei der herkömmlichen Luftkühlung (AC), wodurch sie wesentlich energieeffizienter ist. Darüber hinaus eignet sich das kompakte Design von Flüssigkeitskühlsystemen besonders gut für den Einsatz in Server-Schränken mit hoher Leistungsdichte.

Die Flüssigkeitskühlung ist besonders geeignet für die Anwendung bei Chips mit einer Leistungsaufnahme von über 250 W und unterstützt eine Leistungsdichte von über 40 kW pro Server-Schrank. Der Einsatz von Flüssigkeitskühlung eignet sich gut für High-Density-Computing-Anwendungen wie KI und HPC:

KI und HPC: Für typische High-Density-Computing-Anwendungen kann die Flüssigkeitskühlung bei großen Sprachmodellen (LLMs), autonomem Fahren, Computer Vision, technischen/medizinischen Simulationen, wissenschaftlichen Berechnungen und anderen Anwendungen eingesetzt werden. Sie trägt dazu bei, die hohen Anforderungen an die Wärmeableitung zu erfüllen.

Cloud-Computing: Bei Cloud-Diensten, die von Hyper-Scale-Rechenzentren unterstützt werden, trägt die Flüssigkeitskühlung dazu bei, den stabilen Betrieb von Rechenzentren zu gewährleisten und gleichzeitig die Betriebs- und Wartungskosten erheblich zu senken.

Flüssigkeitskühlung vs. Luftkühlung – Analyse der Gesamtbetriebskosten (TCO)

Welche Vorteile bietet die Flüssigkeitskühlung im Vergleich zur Luftkühlung vor dem Hintergrund, dass sie sich für Anwendungen mit hoher Leistungsdichte wie KI, HPC und Cloud-Computing eignet? Untersuchen wir eine reale Anwendung in einem 5-PFLOPS-Rechenzentrum in Berlin, das sowohl Luft- als auch Flüssigkeitskühlung einsetzt. Hierzu hat Kaytus dessen Einsatz- und Betriebsdaten der letzten fünf Jahre zusammengestellt. Obwohl die Anfangsinvestition für die Flüssigkeitskühlung höher ist als die für luftgekühlte Rechenzentren, zeigen sich bei den Gesamtbetriebskosten (Anfangsinvestition und täglicher Betrieb) für die Flüssigkeitskühlung bereits nach dem ersten Betriebsjahr finanzielle Vorteile, und dieser Abstand vergrößert sich im Laufe der Betriebszeit weiter.

Nach unseren aktuellen Berechnungen zeigt ein Vergleich zwischen Flüssigkeits- und Luftkühlung die folgenden Vorteile zugunsten der ersten Technologie:

Bessere Raumausnutzung: Die Flüssigkeitskühlung eignet sich besser für High-Density-Implementierungen. In dem Rechenzentrum mit 225 Servern reduziert die Flüssigkeitskühlung die Anzahl der Server-Schränke von 58 (mit Luftkühlung) auf nur 19 – eine Reduzierung um 67 %.

Verbesserte Energieeffizienz: 0,19 niedrigerer PUE-Wert (Power-Usage-Effectiveness). Im Vergleich zur Luftkühlung wird das Niveau von 1,34 auf 1,15 gesenkt. Der PUE-Wert bei der Flüssigkeitskühlung ist deutlich niedriger und nähert sich dem Idealwert von 1.

Umweltfreundlich- und Nachhaltigkeit: Jährliche Einsparungen von 1,31 Millionen kWh, was einer Reduzierung von 35 Tonnen Kohlenstoffemissionen entspricht

Aus der obigen Fallstudie geht hervor, dass die Flüssigkeitskühlung (LC) einen PUE-Wert erreicht, der näher beim Idealwert 1 liegt als der der Luftkühlung (AC), was bedeutet, dass mehr Energie für die Datenverarbeitung genutzt wird, anstatt für Kühlung und andere Nebenaufgaben verschwendet zu werden.

Kosteneinsparungen für die Nutzer

Die Flüssigkeitskühlung kann die jährlichen Stromkosten des untersuchten Rechenzentrums um etwa 250.000 € senken und gleichzeitig die Betriebskosten, wie Wartungs- und Raumkosten, um 130.000 € reduzieren. Insgesamt können die Nutzer also mit Einsparungen von 380.000 € pro Jahr rechnen. Die Differenz zwischen den Anfangsinvestitionen für Flüssigkühlung und Luftkühlung beträgt 739.000 Euro zugunsten der Luftkühlung.

Auf Basis dieses Betrags und der jährlichen Einsparungen ergibt sich folgende Rechnung: 739.000 € (Differenz zwischen LC- und AC-Anfangsinvestition) ÷ 380.000 €/Jahr (jährliche Einsparungen durch LC) ≈ 1,94 Jahre (Amortisationszeit ~2 Jahre). Mit anderen Worten: Die zusätzliche Anfangsinvestition in die Flüssigkeitskühlung wird durch den Betrieb in zwei Jahren ausgeglichen.

Nach drei Jahren reduzieren sich die Gesamtbetriebskosten (TCO) um etwa 400.000 € (380.000 € × 3 – 739.000 €), und über einen Zeitraum von fünf Jahren belaufen sich die Gesamtkosteneinsparungen auf 1,16 Millionen Euro, was einen erheblichen finanziellen Vorteil darstellt.

Auf der Grundlage dieser Betriebsdaten können wir drei wichtige Schlussfolgerungen in folgenden Bereichen ziehen:

• Kostendeckung: Die zusätzliche Investition in die Flüssigkeitskühlung im Vergleich zur Luftkühlung amortisiert sich in etwa zwei Jahren vollständig.
• Langfristige Einsparungen: Nach drei Jahren senkt die Flüssigkeitskühlung die Gesamtbetriebskosten um 400.000 Euro, und über fünf Jahre erreichen die Einsparungen 1,16 Millionen Euro.
• Nachhaltigkeit: Durch die Flüssigkeitskühlung wird der Energieverbrauch jährlich um 1,31 Millionen kWh gesenkt, wodurch 35 Tonnen Kohlenstoffemissionen pro Jahr reduziert werden.

Zuverlässigkeit, hohe Energieeffizienz und hohe Dichte

Kaytus sieht drei Hauptvorteile von Flüssigkeitskühlsystemen:

Bessere Wärmeableitung zur Gewährleistung der Systemstabilität: Die Flüssigkeitskühlung sorgt dafür, dass die Betriebstemperatur der CPU zwischen 40°C und 50°C bleibt – rund 20°C niedriger als bei der Luftkühlung. Dadurch wird das Risiko von Ausfällen aufgrund lokaler Hotspots deutlich reduziert und die Rechenleistung maximiert. Darüber hinaus kommen flüssigkeitsgekühlte Server im Vergleich zu luftgekühlten Servern ohne oder mit weniger schnellen Lüftern aus, was Vibrationen reduziert und das Risiko von Speicher- und Laufwerksausfällen verringert.

Verbesserte Energieeffizienz, geringere Kohlenstoffemissionen: Die effizientere Kühlung von IT-Geräten senkt deren Gesamtenergieverbrauch. Diese Systeme können die Energieeffizienz im Vergleich zu herkömmlichen luftgekühlten Rechenzentren um über 30 % verbessern. Dadurch werden auch die Kohlendioxidemissionen reduziert, was die Nachhaltigkeitsziele der Unternehmen unterstützt.

Optimierung der Raumnutzung durch Unterstützung von High-Density-Computing: Flüssigkeitsgekühlte Rechenzentren können mehr Server auf demselben Raum unterbringen. Die Leistungsdichte pro Schrank kann bis zu 130 kW betragen, was eine höhere Rechen- und Einsatzdichte und niedrigere Gesamtbetriebskosten (TCO) ermöglicht.

Fazit

Der zunehmende Einsatz von Flüssigkeitskühlungen wird nicht nur durch neue Anwendungen wie KI und HPC vorangetrieben, sondern auch durch den Fokus auf langfristige Nachhaltigkeitsziele. In diesem Zusammenhang ist das Konzept des „Green Computing“ entstanden. Kaytus definiert Green-Computing als die kontinuierliche Optimierung und Verbesserung der IT-Architektur von Rechenzentren, um die Energieeffizienz über den gesamten Lebenszyklus der Datenverarbeitung zu verbessern – von der Erzeugung und Übertragung bis hin zur Anwendung der Daten. Als Schlüsseltechnologie passt die Flüssigkeitskühlung perfekt zu dieser Definition. Bei der Auswahl von Flüssigkeitskühlsystemen ist es jedoch wichtig, die Effizienz des gesamten Rechnersystems zu bewerten – von den Komponenten und Servern bis hin zu den Anwendungen der oberen Schicht. Mit anderen Worten: Anwender sollten Flüssigkühllösungen bevorzugen, die sich auf Energieeffizienz und Zuverlässigkeit konzentrieren und auf ihre jeweiligen spezifischen Anforderungen an die Wärmeableitung, die Bedingungen im Rechenzentrum und ihr Kostenbudget zugeschnitten sind – und zwar von einzelnen Knoten und Produkten bis hin zum gesamten System.

Von Clark Li, Country Manager von Kaytus für die DACH-Region

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