Kleiner als ein Fingernagel und heisser als die Sonne: Die heutigen Chips sind nicht nur extrem leistungsfähig, sondern entwickeln auch immens viel Hitze. Ihre Oberfläche würde sich auf 6000 °C erhitzen, wenn ein Kühlsystem sie nicht vor solchen Exzessen bewahrte. Kein Prozessor hielte einer solchen Feuerprobe auch nur für den Bruchteil einer Sekunde stand. Der Prozessor muss vielmehr bei rund 80 bis 85 °C betrieben werden. Dies kostet Energie: Bis zu 50 Prozent des Energieverbrauchs heutiger Rechenzentren entfällt auf die Kühlung – Tendenz steigend. Rechenzentren haben sich zu überdimensionalen elektrischen Heizungen entwickelt. Bis heute können sie aber nicht als direkter Wärmelieferant genutzt werden; ihre Abwärme «verpufft» in die Umgebung. Das wollen Wissenschafter des IBM Forschungslabors in Zürich nun ändern. Sie haben ein zukunftsweisendes Modell für ein emissionsfreies Rechenzentrum durch direkte Abwärmenutzung entwickelt.
Wasser versus Luft
Um ihre Vision zu verwirklichen, setzen die Forscher auf einen intelligenten Energie- und Kühlkreislauf sowie ein neuartiges Wasserkühlsystem, das dort ansetzt, wo Kühlung am meisten gebraucht wird und am meisten Wärme entsteht: direkt auf dem Chip. Wasser kann Wärme 4000-mal besser abführen als Luft. „Hinzu kommt, dass wir Wasserkühlsysteme mittels Mikrotechnologie-Kühler direkt auf den Chip implementieren“, erklärt Dr. Bruno Michel, Forschungsleiter für Kühltechnologien am Zürcher Labor. Haarfeine, verästelte Kanäle führen das Wasser auf den Chip, während es ein zweites Kanalnetz von da wieder ableitet. Das Prinzip ist angelehnt an das Blutkreislaufsystem des Menschen – und seine Effizienz ist ebenso rekordverdächtig.
„Unser Ziel: Zero Emissions“
Ziel des Modells eines emissionsfreien Rechenzentrums ist es, die vom Chip abgeführte Wärme direkt für eine Zweitnutzung zu verwenden. Dies kann das Heizen von Gebäuden, Schwimmbädern oder einfach die Abgabe der Wärme in bestehende Fernwärmenetze sein. Die wichtigste Voraussetzung für die direkte Wärmenutzung ist jedoch die Temperatur der Abwärme, die oberhalb einer bestimmten Schwellentemperatur liegen muss. Für moderne Fernwärmenetze beträgt sie etwa 50 °C.
Dank ihren Hochleistungs-Mikowasserkühlern können die IBM Forscher dieser Anforderung gerecht werden – und trotzdem den Chip hinreichend kühlen. Mit dem Einspeisen von heissem Wasser (45 °C) in den Kühlkreislauf gelingt es ihnen, den Chip auf der gängigen Betriebstemperatur (85 °C) zu halten. Dabei erhitzt sich das Kühlwasser auf über 50 °C, womit es sich direkt für den Wärmetransport an Zweitnutzer verwenden lässt. Das gesamte Kühlsystem stellt einen geschlossenen Kreislauf dar, in dem sich das Kühlwasser ständig durch den Chip erhitzt und durch die Abgabe der Wärme an Zweitnutzer wieder auf die nötige Kühltemperatur abkühlt. Das macht den Einsatz energieintensiver Kältemaschinen überflüssig und reduziert den Energiebedarf des Rechenzentrums substanziell.
Fünf vor zwölf
Der weltweit stark zunehmende IT-Einsatz impliziert für die IT-Branche hinsichtlich des Weltklimas eine grosse Herausforderung: Laut Analysten der Gartner Group ist die ICTBranche für rund zwei Prozent des weltweiten Kohlendioxid-Ausstosses verantwortlich, genauso viel wie der globale Flugverkehr. Ein Grossteil dieses Energiebedarfs entfällt auf den Betrieb von Rechenzentren. Allein in den USA werden rund 50 000 solcher Rechenzentren betrieben. In der Schweiz sind es etwa 4 000.
„Die Energiekosten von Rechenzentren übersteigen oft die Armortisationskosten der Hardware (siehe Grafik). Das ist eine Tatsache, die langsam zu einem Umdenken führt: weg vom «Silodenken » hin zu einer Gesamtbetrachtung der Kosten- und Nutzenrechnung für ein Rechenzentrum“, so Michel. Eine Rechnung, die den Forschern zufolge für ein «Zero Emission» Konzept spricht, führt Michel weiter aus: „Wir haben aus einem ökologischen Modell ein ökonomisches gemacht. Das «emissionsfreie Rechenzentrum» reduziert den Schadstoffausstoss und spart Kosten.“
Kostenfaktor: Strom und Kühlung kosten
fast gleich viel, wie in neue Server investiert wird.
Quelle: IDC, Mai 2006
Der erste Prototyp, den die Forscher noch in diesem Jahr testen werden, soll bereits drei Viertel der für den Betrieb der Rechner benötigten elektrischen Energie wiederverwenden – für die Gebäudeheizung des Labors. Ein durchschnittliches Rechenzentrum, das heute einen Energieverbrauch von 1 Megawatt hat, könnte so bereits 40 Prozent der Energie einsparen und mit der Abwärme etwa 70 Einfamilienhäuser heizen. «Zero Emissions» wollen Bruno Michel und sein Team in fünf Jahren erreichen. Werden dann Abgaben auf Kohlendioxid-Emissionen erhoben, könnten emissionsfreie Rechenzentren so nahezu doppelt so rentabel sein wie ein luftgekühltes, inklusive Anschaffungskosten.
Der ideale Standort
Nach seinen Prognosen gefragt, wo das erste «grüne» Rechenzentrum stehen werde, meint Bruno Michel: „Am ehesten in der Schweiz oder in der EU. Hier sind nicht nur alle Standortfaktoren gegeben. Europäer haben auch ein starkes, vom Willen für Nachhaltigkeit geprägtes Umweltbewusstsein entwickelt. Weltweit ist Europa führend in erneuerbaren Energien. Auch die Fernwärme ist bei uns ein etabliertes Konzept – drei Prozent unseres Energieverbrauchs werden darüber gedeckt. Unsere Netze sind also bereit für das emissionsfreie Rechenzentrum.“
| Dr. Bruno Michel, IBM Labor Zürich |
| „Heute findet ein Umdenken statt.“ |
Chipkühlung: Heizkraft Heutige Chips
entwickeln rund 50-mal mehr
Hitze pro Fläche als eine Herdplatte.
Damit sie überleben,
müssen sie auf 85°C gekühlt
werden. IBM macht's mit Wasser.
Quelle: IBM Zurich Research Laboratory
1. Mikrokanäle:
Wasser wird durch
haarfeine Kanäle, ähnlich
den Blutkapillaren,
auf die Prozessoroberfläche
gesprüht und
kühlt diese.
2. Wärmetauscher: Die aus dem
Rechenzentrum abgeführte Wärme
wird an den Zweitkreislauf abgegeben.
3. Direkte Abwärmenutzung:
Die vom Rechenzentrum abgeführte
Wärme kann direkt für eine
Zweitnutzung, wie dem Heizen von
Gebäuden, verwendet werden.
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