GPU Systeme

In der Vergangenheit, seit Mitte der 90er Jahre werden Prozessoren aktiv mit Lüftern gekühlt, bei einem 486er Prozessor hat da noch ein kleiner Kühlkörper von 10mm Höhe ausgereicht um mit dem im Gehäuse kaum vorhandenen Luftstrom gekühlt zu werden, danach wurden die Kühlkörper mit integriertem Ventilator immer größer, bis zu dem Punkt an dem diese Art der Kühlung technisch an die Grenzen gestoßen ist.

Moderne CPUs haben einen TDP Wert von bis zu 500W, GPUs bis zu 1500W. Damit ist es technisch nicht mehr möglich alle Komponenten mit Luft zu kühlen, einerseits verliert man bis zu 30% der eingesetzten Energie an die Hochleistungslüfter welche die Wärme aus dem Gerät blasen die dann noch über Kältemaschinen mit noch mehr Energieaufwand ins Freie transportiert werden muss und ungenutzt verloren gehen. Nicht sehr effizient und mit Blick auf die Stromrechnung auch nicht günstig.

Jeder weiß, will man etwas kühlen, verwendet man Wasser: Jedes moderne Auto mit Verbrennungsmotor macht das so.

Wieso ist das so? Nun, Wasserstoff hat die höchste Wärmespeicherkapazität – dummerweise lässt sich flüssiger Wasserstoff technisch nicht sinnvoll einsetzen, glücklicherweise besteht Wasser aber aus 2 Teilen Wasserstoff und einem Teil Sauerstoff, damit hat es zwar nur noch unter 30% der Fähigkeiten des Wasserstoffs, aber immer noch viel mehr als andere gängige Materialien, es kann also vergleichsweise viel Wärmeenergie bei geringer Erwärmung aufnehmen.

Gut für die Kühlung, schlecht für die Energierechnung für ein heißes Bad.

Für den gleichen Kühleffekt von einem Liter Wasser benötigt man theoretisch etwa 4m3 Luft, während das Wasser gemütlich plätschert, muss die Luft in hohem Tempo über Kühlkörper geblasen werden. In der Realität ist die Luftmenge noch größer, weil die Wärmeübertragung weniger effizient ist.

Um eine optimale Ableitung der Hitze zu erreichen, verwendet man spezielle Wärmetauscher auf allen relevanten Komponenten (GPUs, CPUs, Speicher, Spannungsregler) und bekommt auf diese Weise die Wärme direkt in eine Flüssigkeit, die dann wiederum in einem Wärmetauscher die Energie in Wasser abgibt.

Das tolle daran ist, dass man nun „heißes“ Wasser mit ~60-70 Grad hat, welches man sinnvoll einsetzen kann, z.B. für Heizung oder Warmwasser. Hat kann die Möglichkeit nicht, kann an das heiße Wasser mit einem Kühlturm am Dach oder anderen Wärmetauschern ohne großen Energieeinsatz wieder soweit kühlen, damit es wieder für die Server verwendet werden kann, im Unterschied zur Luftkühlung welche Ansaugluft um die 20 Grad benötig kann das Wasser mit rund 40 Grad zurückkehren – damit braucht es auch im Sommer keine energiehungrigen Kältemaschinen.

Viele Rechenzentren in Europa sind in der 90ern stecken geblieben, Leistungen für ein Rack liegen nicht selten bei 5kW und „Liquid Cooling“ ist Englisch – eben ein Fremdwort.

Einen GPU Server kann man da nicht betreiben – mit 5kW kommt man nicht weit. Dafür haben wir keine Lösung, das muss der Rechenzentrumsbetreiber lösen. Aber für die Kühlthematik gibt’s eine Lösung: Einerseits haben moderne GPUs mit Luftkühlung einen reduzierten TDP Wert (Leider bedeutet weniger Energie auch weniger Rechenleistung bei gleichem Anschaffungspreis) und andererseits ist wie oben erwähnt die Luftbewegung nur durch hohen Energieverbrauch bei den Lüftern zu erreichen.

Unser Side-by-Side Rack enthält einen großen Wärmetauscher, der zwischen 2 GPU Racks betrieben wird, so können zwei „Direct Liquid Cooled“ Racks mit je 100kW Leistung mittels dieses „Side-by-Side“ Racks optimal gekühlt werden, man hat die volle GPU Leistung und in Summe weniger Stromverbrauch, es ist kein Umbau im Rechenzentrum erforderlich, die Wärmeenergie wird wie bei Servern in den Raum abgegeben, nur effizienter.