Zielsetzung und Anlass des Vorhabens<\/p>\n
Die Entwicklung neuartiger, k\u00e4ltemittelbasierter W\u00e4rmetransportsysteme, der GraviTherm AIL, erm\u00f6glicht die W\u00e4rmeabfuhr aus Serversystemen ohne die Zuhilfenahme klimatisierter Luft. Das Einsparpotential f\u00fcr die zum Betrieb eines Rechenzentrums notwendige Elektroenergie liegt bei bis zu 50%. In einem Gro\u00dfversuch soll nachgewiesen werden, dass die K\u00fchlung eines Rechenzentrums mittels GraviTherm RAIL und eines frei gek\u00fchlten Wasserkreislaufs unter den klimatischen Bedingungen Mitteleuropas m\u00f6glich ist.<\/p>\n
Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenZun\u00e4chst wurden unter Laborbedingungen die W\u00e4rmequellen Prozessor und Chipsatz zweier Server mittels GraviTherm RA IL an einen externen K\u00fchlwasserkreislauf angeschlossen. Die Server wurden mit 75mm dickem Styropor eingehaust, um eine m\u00f6glichst gute Isolation zur Umgebung herzustellen. Die von den unter Volllast laufenden Servern produzierte W\u00e4rme wurde mittels der GraviTherm RAIL nach au\u00dfen transportiert und an den Wasserkreislauf \u00fcbergeben. Der Vorversuch ergab, dass die W\u00e4rmeabfuhr aus den Servern bei K\u00fchlwassertemperaturen von bis zu 40\u00b0C problemlos m\u00f6glich ist. Um die gewonnenen Erkenntnisse auf Rechenzentren \u00fcbertragen zu k\u00f6nnen, wurde in einem Serverraum eine frei gek\u00fchlte Versuchsanlage mit 40 Servern und einer Gesamtleistungsaufnahme von ca. 6800 W errichtet. Die CPU und der Chipsatz der Server wurden mittels GraviTherm RAIL direkt an den K\u00fchlwasserkreislauf angekoppelt. Um die an die Luft gehende Restw\u00e4rme abzuf\u00fchren wurde ein Luft-Wasser-W\u00e4rme\u00fcbertrager in K\u00fchlwasserkreislauf eingebunden. Die gesamte Anlage wurde in einem Schrank eingehaust. Der Wasserkreislauf wurde mittels eines extern aufgestellten Luft-Wasser-W\u00e4rme\u00fcbertragers r\u00fcckgek\u00fchlt. In der Anlage wurden Temperatursensoren vom Typ K verteilt und mit einem Datenlogger Agilent 34970A verbunden. Die CPU- und Chipsatztemperaturen wurden mittels einer Software erfasst. Nach der Fertigstellung der Anlage wurden zun\u00e4chst Funktionstests durchgef\u00fchrt, um m\u00f6gliche Fehlerquellen zu erkennen. Anschlie\u00dfend wurden die Grenzparameter der Anlage ermittelt, unter denen ein Betrieb mit freier K\u00fchlung m\u00f6glich ist. Danach wurde das Verhalten der Anlage bei Auftreten von St\u00f6rungen, wie dem Ausfall der f\u00fcr den K\u00fchlkreislauf ben\u00f6tigten Pumpen, und dem Ausfall der Ventilatoren untersucht. Den Abschluss bildeten Langzeituntersuchungen des Verhaltens der Anlage.<\/p>\n
Ergebnisse und Diskussion<\/p>\n
Die Umfangreichen Untersuchungen an der Versuchsanlage haben ergeben, dass unter den in Mitteleuropa vorherrschenden Klimabedingungen der Betrieb eines Rechenzentrums ohne energieintensive mechanische K\u00fchlung m\u00f6glich ist. Die Funktionssicherheit der Anlage steht dabei der einer herk\u00f6mmlichen Klimatisierung nicht nach. Die Untersuchungen zum Ausfall wichtiger Systemkomponenten, wie Wasserpumpen und Ventilatoren haben gezeigt, dass die Systemkritischen Temperaturen erst nach mehreren Minuten erreicht werden. Dies beruht darauf, dass die im System vorhandene Wassermenge als Puffer dient und dadurch nur eine langsame Erw\u00e4rmung stattfindet. Ein pl\u00f6tzlich eintretender kritischer Zustand der Anlage, der einen Einsatz in einem Rechenzentrum unm\u00f6glich machen w\u00fcrde, konnte w\u00e4hrend dieser Untersuchungen nicht herbeigef\u00fchrt werden.
\nDie Untersuchungen zum Verhalten der Anlage bei hochsommerlichen Temperaturen wurden nach Recherchen bei verschiedenen deutschen Rechenzentrumsbetreibern bei einer Eingangslufttemperatur von 35\u00b0C am externen W\u00e4rme\u00fcbertrager durchgef\u00fchrt. Deutlich h\u00f6here Temperaturen \u00fcber einen l\u00e4ngeren Zeitraum in Tagesverlauf werden derzeit von den Rechenzentrumsbetreibern nicht erwartet. Die Klimatechnik f\u00fcr Rechenzentren wird nach unseren Erkenntnissen momentan f\u00fcr den Temperaturbereich bis 35\u00b0C Au\u00dfentemperatur ausgelegt. Der externe W\u00e4rme\u00fcbertrager wurde \u00fcber 24 Stunden mit 35\u00b0C kalter Luft r\u00fcckgek\u00fchlt. Dabei ergaben sich eine Vorlauftemperatur von ca. 38\u00b0C und eine R\u00fccklauftemperatur von ca. 43\u00b0C im K\u00fchlwasserkreislauf. Die Server wurden mit 100% Last gefahren. Es wurden keine Systemkritischen Temperaturen erreicht. Die Grenzwerte an den Prozessoren wurden um ca. 5 K unterschritten, was eine ausreichende Sicherheit gew\u00e4hrleistet. Im Falle des \u00dcberschreitens kritischer Temperaturen an der CPU w\u00fcrde diese sich selbstt\u00e4tig herunterregeln und damit eine Besch\u00e4digung vermeiden. Die Lufttemperaturen im Serverraum liegen unter diesen extremen Bedingungen bei ca. 40\u00b0C. Dies f\u00fchrt aber zu keiner Beeintr\u00e4chtigung der Hardware, da erst Temperaturen ab ca. 60\u00b0C zu einer verminderten Lebensdauer f\u00fchren. Jedoch wird die Arbeit der Techniker in der durch die hohen Temperaturen erschwert. Da die Techniker aber f\u00fcr Wartungsarbeiten die Serverr\u00e4ume jeweils nur kurzzeitig betreten sehen Rechenzentrumsbetreiber keinen Nachteil gegen\u00fcber klimatisierten Serverr\u00e4umen. In vielen Rechenzentren wird zur Vermeidung von Br\u00e4nden mit einer sauerstoffreduzierten Atmosph\u00e4re gearbeitet, so dass f\u00fcr das Betreten der Anlagen schon Sicherheitsregeln und Zeitbegrenzungen gelten.
\nDas Verhalten der Anlage im Normalbetrieb wurde ausf\u00fchrlich untersucht. Der gr\u00f6\u00dfte Unterschied zu herk\u00f6mmlich gek\u00fchlten Serveranlagen ist dabei die Lufttemperatur in den Serverr\u00e4umen, die abh\u00e4ngig von den Au\u00dfentemperaturen ansteigt oder f\u00e4llt. Im Winter kann das Sinken der Lufttemperatur im Serverraum mittels Drosselung der Ventilatoren der internen und externen W\u00e4rme\u00fcbertrager verhindert und auf einem vom Betreiber gew\u00fcnschten Niveau gehalten werden. Die eingesetzte Rechentechnik wurde durch das K\u00fchlkonzept ausreichend gek\u00fchlt, so dass sich gegen\u00fcber klimatisierten Rechneranlagen keine Nachteile bez\u00fcglich Funktionalit\u00e4t und Lebensdauer ergaben. Die f\u00fcr die K\u00fchlung aufzuwendende Energie konnte dauerhaft um ca. 80 % – 90 % gesenkt werden, wenn man davon ausgeht, dass f\u00fcr den Abtransport von 6800 W W\u00e4rmeenergie eine Klimaleistung von ebenfalls 6800 W ben\u00f6tigt wird. Die Versuchsanlage ben\u00f6tigte unter voller Auslastung der Rechner und bei einer Au\u00dfentemperatur von 35\u00b0C nur 725 W f\u00fcr die zur W\u00e4rmeabfuhr Komponenten.<\/p>\n
\u00d6ffentlichkeitsarbeit und Pr\u00e4sentation<\/p>\n
Die Untersuchungsergebnisse und die funktionierende Versuchsanlage wurden unter anderem der Strato AG, den Vorst\u00e4nden der Intergenia AG und dem Vorstand der Hetzner online AG vorgestellt. Neben der Herstellung von Kontakten zu Webhostern haben wir auch eine Informationsveranstaltung durchgef\u00fchrt, zu der Rechenzentrumsbetreiber undServerhersteller eingeladen waren. Unter anderem nahmen an der Veranstaltung Vertreter von Fujitsu, Volkswagen, Infineon, Staatsbetrieb f\u00fcr S\u00e4chsische Informatikdienste und dem S\u00e4chsischen Staatsministerium des Innern teil.<\/p>\n
Fazit<\/p>\n
Die K\u00fchlung eines Rechenzentrums mittels GraviTherm RAIL und eines frei gek\u00fchlten Wasserkreislaufs ist m\u00f6glich. Das Einsparpotential f\u00fcr die Gesamtelektroenergieaufnahme von bis zu 50% gegen\u00fcber eines mit Klimaanlagen gek\u00fchlten Rechenzentrums konnte best\u00e4tigt werden. Die verwendeten Technologien sind erprobt, die Fertigungsprozesse werden beherrscht. Die Umr\u00fcstung bestehender Rechenzentren auf diese K\u00fchltechnologie ist auf Grund des hohen Aufwandes \u00f6konomisch nicht sinnvoll. Jedoch k\u00f6nnen neu zu errichtende Anlagen ohne finanziellen Mehraufwand mit dem untersuchten K\u00fchlsystem ausgestattet werden und damit schon ab der Inbetriebnahme ihr Einsparpotential ausspielen.<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"
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