Die Rechenzentrumsbranche hat die Kühlungsherausforderung gelöst. Jetzt kommt der schwierige Teil.

Gastbeitrag | Vaisala | Von Anu Kätkä, Head of Data Centers and Critical Environments, Geschäftsbereich Industrielle Messungen

Die Rechenzentrumsbranche hat ihre Entscheidung hinsichtlich Flüssigkeitskühlung getroffen. Einrichtungen mit hochdichten KI-Workloads zeigten den Weg. Die großen Hardwareanbieter haben ihre neueste KI-Prozessorhardware rund um die Flüssigkeitskühlung entwickelt. Direct-to-Chip-Kühlung, bei der Flüssigkeit durch Kaltplatten direkt auf die Prozessoren geleitet wird, ist nun die Referenzarchitektur für jede neue KI-optimierte Anlage. Die Frage ist nicht mehr, ob Flüssigkeitskühlung zum Standard wird. Das ist bereits der Fall.

Flüssigkeitskühlung ist keine neue Idee. IBM war in den 1960er Jahren Vorreiter bei wassergekühlten Großrechnern. Seitdem ist die Technologie Standard in Supercomputern und Hochleistungsrechner-Clustern. Die etablierte Rechenzentrumsbranche betrachtete dies jedoch weiterhin als Nischenangelegenheit. Im Prinzip interessant, in der Praxis nicht nötig. Luft funktionierte gut genug, und die zusätzliche Komplexität wurde durch die Wirtschaftlichkeit eines Umstiegs nicht gerechtfertigt.

Diese Berechnung änderte sich – und zwar schnell. Der Auslöser war künstliche Intelligenz. Da KI aus der Forschung in den großflächigen kommerziellen Einsatz übergeht, bringt sie Workloads mit sich, die eine Wärmemenge erzeugen, die mit Luftkühlung nicht bewältigt werden kann. Ein herkömmliches Server-Rack nimmt zwischen 5 und 10 Kilowatt auf. Ein KI-Rack kann heute zehn-, zwanzig- oder sogar dreißigmal so viel Strom wie ein herkömmliches Server-Rack aufnehmen. Bei diesen Dichten stößt die Luftkühlung an ihre physikalischen Grenzen: Die Wärmekapazität von Luft ist relativ gering, und um genügend Luft zu bewegen, um die Wärme abzuführen, wäre so viel Energie für die Lüfter nötig, dass es wirtschaftlich absurd wäre – und selbst dann würden die heißesten Bereiche des Chips nicht rechtzeitig erreicht. Kühlflüssigkeit, deren Wärmekapazität pro Volumen etwa 3.500-mal größer ist als die von Luft, ist der einzige realistische Weg vorwärts.

Flüssigkeitskühlung löst das thermische Problem. Doch die zuverlässige Betriebsführung dieser Systeme im Laufe der Zeit bleibt eine Herausforderung in der Industrie, und im Mittelpunkt vieler Bemühungen steht die Messinfrastruktur, die einen zuverlässigen Betrieb ermöglicht.

Thermische Entwicklung hat nur eine Richtung

Um zu verstehen, wohin sich die Messherausforderung entwickelt, ist es hilfreich, das Tempo zu betrachten, mit dem sich die zugrunde liegende Hardware verändert.

Laut dem AFCOM State of the Data Center Report 2025 ist die durchschnittliche Rack-Dichte bereits von 7 kW im Jahr 2021 auf heute 16 kW gestiegen, und 79 % der Branchenbefragten erwarten, dass dieser Anstieg weitergeht. An der Spitze wird erwartet, dass die Kyber-Rack-Plattform 2027 von NVIDIA bis zu 600 kW erreicht, wobei NVIDIA CEO Jensen Huang darauf hinweist, dass zukünftige Racks in Zukunft möglicherweise ein ganzes Megawatt benötigen werden. Das würde bedeuten, dass ein einzelnes Gehäuse so energieintensiv wäre wie ein ganzes kleines Rechenzentrum vor einem Jahrzehnt.

Die Diskrepanz zwischen durchschnittlichen und führenden Implementierungen vergrößert sich mit jeder neuen Generation von KI-Hardware. Die führenden Systeme legen die Infrastrukturanforderungen fest, die alle anderen letztlich erfüllen müssen.

Luftkühlung stößt bei etwa 20 bis 30 kW pro Rack an ihre praktische Grenze. Bei höheren Dichten macht allein die Lüfterenergie die reine Luftkühlung wirtschaftlich unpraktikabel. Flüssigkühlung mit ihrer weit überlegenen Wärmeleitfähigkeit ist bei diesen Dichten keine Präferenz, sondern eine physikalische Notwendigkeit.

Von einem Bereich zu zwei Bereichen

Der Betrieb einer flüssigkeitsgekühlten Anlage ist keine nahtlose Fortsetzung des Betriebs einer luftgekühlten Anlage. Diese Betriebsumgebung ist grundsätzlich anders und erfordert neue Fachkenntnisse in den Bereichen Energie-, Bau- und Maschinenbau, Strömungsmechanik und Chemie sowie Messtechnik. Und in all diesen Bereichen bildet Messung die Grundlage, die die anderen steuerbar macht.

In einer traditionellen luftgekühlten Anlage versteht man die Steuerung kontrollierter Umgebungen gut. Temperatur, relative Feuchte, Differenzdruck. Parameter, die auf jahrzehntelanger Branchenpraxis basieren, in Richtlinien wie denen der ASHRAE (American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers) standardisiert und durch ausgereifte Sensortechnologie unterstützt werden. Die Betreiber wissen, was sie messen, warum, wie sie dies in die Steuerung einfließen lassen und was die Zahlen bedeuten.

Flüssigkeitskühlung erweitert diesen Bereich maßgeblich. Rohrleitungen, die Kaltwasser führen, sind seit jeher Teil der Rechenzentrumsinfrastruktur und liefern gekühltes Wasser an Luftbehandlungsanlagen und Ventilatorwand-Einheiten. Aber Umfang und Bedeutung der Flüssigkeitsmessung nehmen erheblich zu, wenn die Kühlung über zentrale Datenverarbeitungseinheiten und Kaltplatten direkt bis zu den Chips geführt wird. Zu den Parametern, die jetzt eine eigene Messtechnik erfordern, gehören Flüssigkeitstemperatur, Druck, Durchflussrate und Füllstand sowie Leckageerkennung und Qualitätsindikatoren des Kühlmittels wie pH-Wert, Trübung, Leitfähigkeit und Brechungsindex. Jeder dieser Parameter birgt eigene Ausfallrisiken, die eine sorgfältige Überwachung erfordern, um die Leistung des Kühlkreislaufs sicherzustellen und die erforderliche Qualität der Flüssigkeit aufrechtzuerhalten – insbesondere im Umfeld von Hardware, die pro Quadratmeter Bodenfläche einen Wert von mehreren zehn Millionen Euro haben kann.

Flüssigkeitskühlung kommt zum Einsatz, wenn Luftkühlung an ihre Grenzen stößt, aber Luftmanagement bleibt für alles andere unerlässlich. Direct-to-Chip-Kühlung führt die Wärme direkt von den heißesten Bauteilen ab, während die verbleibende Restwärme mit Luft gekühlt wird. Mit dem steigenden Wert der geschützten Hardware pro Quadratmeter steigen auch die Kosten eines Ausfalls – sei es durch Überhitzung, Kondensation oder ein Kühlmittelleck im Flüssigkeitskreislauf oder durch unzureichenden Luftstrom im Luftkreislauf. Die Risiken rund um jedes Rack sind höher, und ebenso steigt die Bedeutung, jederzeit sicherzustellen, dass die kontrollierten Umgebungen exakt den Anforderungen entsprechen.

In flüssigkeitsgekühlten Umgebungen sind die Anforderungen an Zuverlässigkeit und Betriebssicherheit bei Messungen noch wichtiger als zuvor. 

Messungen in flüssigkeitsgekühlten Umgebungen

Neben den Parametern auf der Flüssigkeitsseite müssen auch die Umgebungsbedingungen in der Datenhalle und in den entscheidenden Bereichen des Kühlsystems aktiv gesteuert werden. Das Risiko konzentriert sich beim Taupunkt. Die Effizienz der Flüssigkeitskühlung hängt davon ab, dass kalte Flüssigkeit zu den Kaltplatten geleitet wird; jedoch birgt eine kältere Rohrleitung innerhalb eines klimatisierten Raums ein Kondensationsrisiko. Sinkt die Oberflächentemperatur der Rohrleitung unter den Taupunkt der Umgebung, bildet sich Wasser. Kein Wartungsereignis, sondern ein potenzielles Ausfallereignis mit Folgen, die jedes Wartungsbudget weit übersteigen.

Das Standardverfahren besteht darin, die Kühlmittelzufuhrtemperatur mindestens 2 °C über dem gemessenen Umgebungstaupunkt zu halten. Die Kühlmittelverteilungseinheit ist dafür verantwortlich, diesen Abstand zu halten, aber nur, wenn sie den tatsächlichen Taupunkt kontinuierlich kennt. 

Die Messherausforderung all dieser Parameter ist nicht außergewöhnlich. Sie stützt sich auf bewährte Sensorphysik. Aber die korrekte Anwendung – das heißt zu wissen, wo gemessen werden muss, wie häufig und wie Sensordaten in Steuerungsentscheidungen einfließen – erfordert ein umfassendes Verständnis sowohl der Technologie als auch der Anwendungsumgebung.

Dynamische Anlagen erfordern dynamische Messungen

KI-Workloads sind grundsätzlich verschieden von herkömmlichen Rechenzentrumsarbeitslasten. KI-Trainingsaufgaben sind ressourcenintensiv und unregelmässig. Ein Cluster wechselt innerhalb von Minuten vom Leerlauf zur vollen Trainingslast und erzeugt dabei eine plötzliche Veränderung der Wärmeabgabe, auf die das Kühlsystem in Echtzeit reagieren muss. Die zentrale Datenverarbeitungseinheit, die diesen Cluster verwaltet, muss den Kühlkreislauf nicht mit einer Verzögerung von mehreren Minuten, sondern sofort und kontinuierlich regeln, sodass Zufuhr- und Rücklauftemperaturen im Sollbereich liegen, Druck und Durchfluss wie vorgesehen sind und der Umgebungstaupunkt in der Nähe der kalten Verteiler während des Aufheizens des Systems innerhalb der Toleranz bleibt.

Zuverlässige Messungen ermöglichen eine dynamische Steuerung. Ohne präzise Echtzeitdaten zu entscheidenden Parametern in der gesamten Anlage funktionieren die Steuerungssysteme mit verzögerten oder ungenauen Informationen. Und die Folgen sind weitreichend: Ineffiziente Kühlung verschwendet Energie, unzureichende Kühlung gefährdet die Hardware und Überkorrektur verschwendet beides.

Jeder Prozentpunkt Effizienzsteigerung in einer Einrichtung, die Hunderte Kilowatt pro Rack betreibt, wirkt sich unmittelbar auf die Betriebskosten und den CO₂-Fußabdruck aus. Diese Verbindung zwischen Messqualität und Betriebsergebnis ist der Grund, warum die richtige Messtechnik eine geschäftliche Entscheidung ist, und nicht nur eine technische.

Was die nächste Generation erfordern wird

Die zukünftige Entwicklung bringt mehr von allem, was bereits herausfordernd ist. Die Dichte an Racks wird weiter zunehmen. Jeder Schritt in dieser Entwicklung bringt Messanforderungen mit sich, die noch nicht den Vorteil jahrzehntelanger Branchenerfahrung haben.

Zuverlässige Messungen sind die Grundlage, auf der alles andere aufgebaut ist. Sie ermöglichen es, Kühlsysteme präzise statt konservativ zu steuern und Energieeffizienzziele zu erreichen, anstatt sie nur anzustreben. Sie geben den Betreibern die Sicherheit, dass sowohl die Kühlinfrastruktur als auch die von ihr versorgte Rechenhardware innerhalb sicherer Betriebsparameter funktionieren. Und sie liefern die Frühwarnung, die den Unterschied zwischen einem behebbaren und einem kostspieligen Problem ausmacht.

Ohne verlässliche Messungen wird ein flüssigkeitsgekühltes Rechenzentrum auf Basis von Annahmen betrieben. Und bei dieser Dichte an Racks sind Annahmen kostspielig. Die Branche entwickelt weiterhin das Verständnis dafür, wie strenge Messungen in dieser Umgebung durchgeführt werden sollen. Dieses Verständnis markiert den Beginn der harten Arbeit der nächsten Phase.

Quellen

AFCOM, 2025 State of the Data Center Report

ASHRAE TC 9.9, Thermal Guidelines for Data Processing Environments; Liquid Cooling Technical Committee guidance