Leckagefreie flüssigkeitsgekühlte Kühlkörper
CoolestDC | Fallstudie
Die Zukunft der nachhaltigen Rechenzentren - Leckagefreie flüssigkeitsgekühlte Kühlkörper reduzieren CO2-Fußabdruck und Energieverbrauch
CoolestDC bringt hochgradig anpassbare, leckagefreie In-Server-Flüssigkeitskühlungslösungen auf den Markt, um Initiativen für grüne Rechenzentren mit additiven Fertigungstechnologien von EOS zu beschleunigen.
Der Sektor der Rechenzentren hat in den letzten Jahren dank der steigenden Nachfrage nach Cloud-Anwendungen, Digitalisierung, IoT-Geräten und 4G- und 5G-Edge-Computing einen erheblichen Aufschwung erlebt. Laut einer IDC*-Prognose wird die weltweite Datenmenge bis 2025 175 Zettabyte erreichen. Darüber hinaus wird erwartet, dass die Gesamtinvestitionen in Rechenzentren von 244,74 Milliarden US-Dollar im Jahr 2019 auf 432,14 Milliarden US-Dollar im Jahr 2025 ansteigen werden, bei einer durchschnittlichen jährlichen Wachstumsrate (CAGR) von 9,9 %. Da das Datenwachstum anhält, muss auch die Frage nach den Auswirkungen von Rechenzentren auf die Umwelt gestellt werden. Die Dekarbonisierung ist ein Schlüsselfaktor, denn sie rückt Nachhaltigkeitsziele und erneuerbare Energien in den Mittelpunkt. Eines der Hauptziele ist der Aufbau eines nachhaltigeren Rechenzentrumsbetriebs mit energieeffizienten Kühlungslösungen. Die Direct-to-Chip-Flüssigkeitskühlung könnte zur primären Kühlmethode werden, was durch die Rackdichte, die Stromkosten und die Nachhaltigkeitsaktivitäten bedingt ist.
Herausforderung
Suche nach einer Alternative zu gelöteten und montierten Kühlplatten, die das Risiko von Leckagen bei Direkt-Chip-Flüssigkeitskühlungsanwendungen minimiert, um die Rackdichte zu verringern, die Stromkosten zu senken und die Nachhaltigkeit zu verbessern.
Luftgekühlte Kühlkörper dominieren derzeit den Sektor, da die Betreiber von Rechenzentren eher mit Kaltwasser- und Direktexpansionssystemen vertraut sind. Allerdings sind dem Stromverbrauch und den Kohlenstoffemissionen im Hinblick auf die Gesamtenergieeffizienz und die potenziellen Einsparungen mit luftgekühlten Kühlkörpern Grenzen gesetzt, da ein großer Teil des Stromverbrauchs in aktuellen luftgekühlten Rechenzentren auf Luftkühler zurückzuführen ist. In Anbetracht der strengeren Nachhaltigkeitsziele und der Einführung der neuen Kohlenstoffsteuer für Rechenzentrumseigentümer könnte die direkte Flüssigkeitskühlung schließlich zur primären Kühltechnik für Rechenzentrumsbetreiber werden. Derzeit ist die direkte Flüssigkeitskühlung ein Nischendasein und kommt nur bei Hochleistungsservern mit spezieller Infrastruktur oder bestehender Garantie zum Einsatz. Eines der Haupthindernisse für den Einsatz von Kühlkörpern mit Flüssigkeitskühlung ist das potenzielle Risiko von Leckagen, die zu Schäden an den Servern führen können. Eigentümer von Hyperscale-DCs, Betreiber und Server-OEMs untersuchen derzeit alle die Möglichkeiten des Einsatzes von leckagefreien Lösungen zur direkten Flüssigkeitskühlung, um die Anforderungen an eine höhere Rackdichte zu erfüllen und gleichzeitig die Gesamtenergieeffizienz zu verbessern.
"Die Temasek Foundation freut sich, CoolestDC bei der Entwicklung einer bahnbrechenden, energieeffizienten und wassersparenden Lösung zur Kühlung von Rechenzentren unterstützen zu können. Da die Lösung sowohl auf der grünen Wiese als auch auf der grünen Wiese eingesetzt werden kann, kann die Innovation eine Blaupause für einen nachhaltigen Rechenzentrumsbetrieb sein, der es Städten wie Singapur ermöglicht, ein grünes Rechenzentrumszentrum zu werden."
Lim Hock Chuan, Vorstandsvorsitzender - Temasek Foundation
Lösung
Mit Hilfe der EOS DMLS-Technologie in Verbindung mit einem hochdichten EOS Copper CuCP-Prozess haben wir leckagefreie, dichtungslose und fugenlose Kühlplatten entwickelt und gebaut, um völlig leckagefreie Lösungen für die Flüssigkeitskühlung in Servern zu schaffen.
Dank der hochmodernen additiven Fertigungstechnologie (AM) von EOS konnte CoolestDC einen integrierten, leckagefreien, flüssigkeitsgekühlten Unibody-Kühlkörper entwerfen und bauen, der den Bedenken und Anforderungen der Industrie gerecht wird. Mit dem AMCM M 290 1kW System und dem validierten EOS Copper CuCP Prozess (basierend auf handelsüblichem Reinkupfer) haben wir einen hochdichten Kupferkühlkörper hergestellt, der einem Wasserdruck von 6 bar und mehr standhält, ohne Verbindungen, Baugruppen oder Dichtungen. Darüber hinaus ist das AM-Verfahren vielseitig und in der Lage, dünnwandige Innenstrukturen (0,2 mm und mehr) herzustellen, während die patentierten schrägen Rippen mit einem optimierten
Prozess gedruckt werden, um ihre Genauigkeit und hochauflösenden Merkmale zu erhalten. Diese Komplettlösung beseitigt nicht nur Probleme mit Leckagen, die andernfalls zu katastrophalen Ausfällen der Serverplatinen führen könnten, sondern reduziert auch die Fertigungskomplexität drastisch (da keine Montage und kein Löten erforderlich sind) und erhöht somit die Lebensdauer des Teils.
"In Singapur testen wir zum Beispiel die Technologie der Flüssigkeitskühlung. Wir haben ein Pilotprojekt mit einem lokalen Unternehmen namens CoolestDC durchgeführt, das zur National University of Singapore gehört und Server für maschinelles Lernen oder KI einsetzt, um deren Leistungsdichte zu senken. Durch den Einsatz der Flüssigkeits- und Zweiphasenkühlungslösungen von CoolestDC kann der Gesamtenergieverbrauch von Rechenzentren um bis zu 30 % gesenkt werden. Damit verbunden ist eine erhebliche Reduzierung der Kohlendioxidemissionen und des Wasserverbrauchs.
Mark Smith, Geschäftsführer - Asien-Pazifik bei Digital Realty
Ergebnisse
- Leckagefreie Unibody-Kühlplatte, die Wasserdrücken von 6 bar und mehr standhält.
- Verringerung der CAPEX-Investitionen, da keine Werkzeugkosten für verschiedene Serverplatinen anfallen.
- Freiheit bei der Konstruktion und Herstellung von massenspezifischen Plattenstärken, Lamellendichten und Positionen.
Die Unibody-AM-Kühlplatte von CoolestDC wurde in einer voll funktionsfähigen Colocator-Einrichtung von Digital Realty im Vergleich zu branchenführenden luftgekühlten Kühlkörpern getestet. Die Ergebnisse waren:
- Senkung der CPU-Die- und Kerntemperaturen um 10 °C (Abb. 1)
- Signifikante Senkung der Betriebstemperatur der GPU um fast 50 % (Abb. 2)
- Fähigkeit der GPU, bei voller Last mit 40 % höheren Taktraten zu arbeiten, ohne Drosselung (Abb. 2)
- PUE auf 1,2 reduziert (berechnet)
Abbildung 1 zeigt die Benchmarking-Ergebnisse der flüssigkeitsgekühlten AM-CPU-Kühlplatte (AM) im Vergleich zu ihrem luftgekühlten Gegenstück (AC), gemessen an den CPU-Die- und Kerntemperaturen. Die AM-Kühlplatte bewirkte eine Senkung der CPU-Die- und Kerntemperaturen um 9,6 °C bis 14,9 °C bzw. um 8,1 °C bis 12,4 °C. Die maximalen Temperatursenkungen traten bei Volllast auf, bei der der luftgekühlte Kühlkörper Schwierigkeiten hatte, die erzeugte Wärme abzuführen.
Abbildung 2 zeigt den Grafikprozessor eines luftgekühlten Servers, der unter Volllast bei seiner Grenztemperatur von 90 °C arbeitet. Dies trug zur thermischen Drosselung bei, bei der eine Sicherheitsfunktion des Grafikprozessors seine Leistung (gemessen an der Taktfrequenz, MHz) reduzierte, um eine Überhitzung und potenzielle Beschädigung der Hardware zu vermeiden. Der flüssigkeitsgekühlte Grafikprozessor hingegen konnte seine Temperatur bei 40 °C halten und erreichte somit bei 100 % Last bequem seine Spitzenleistung.
Vorteile eines flüssigkeitsgekühlten Kühlkörpers gegenüber einem herkömmlichen luftgekühlten Kühlkörper
| Parameter | Luftgekühlter Kühlkörper 1U-Server |
Flüssigkeitsgekühlter Kühlkörper (AM-Unibody) |
|---|---|---|
| CPU Tdie bei Volllast | 90 °C gedrosselt | 46.0 °C |
| GPU-Leistung bei voller Auslastung | 1 750 MHz gedrosselt 5,8 TFlops gedrosselt |
2 450 MHz 8,1 TFlops |
| PUE | 1.4 | 1,23 mit LCCRD erreichbar |
| Bedenken wegen Undichtigkeiten | - | Leckagefrei (ohne Fugen und Dichtungen) |
Vorteile für Anbieter von Rechenzentren und Interessengruppen
Auf der Grundlage der oben genannten GPU-Leistung erzeugt ein vollständig bestücktes flüssigkeitsgekühltes Rack mit 25 1U-Servern (HPC-Server mit vier GPUs) 810 TFlops. Um dieselbe Leistung zu erreichen, wären 30 luftgekühlte Server erforderlich, die in zwei Racks mit jeweils 15 Servern aufgeteilt werden müssten, da andernfalls die maximale Kapazität von 15 kW eines luftgekühlten Racks überschritten würde. Wir schätzen daher den Nutzen und die Gesamtkosteneinsparungen für die Endkunden wie folgt:
Geschätzte TCO (Kosteneinsparungen) für Anwendungsfälle und Szenarien von Rechenzentrumskunden
KI oder Big Data-Analytik auf
2 * 42U Rack Systeme
1. EE =$42.071
2. Kohlenstoff =$7.853
3. Gestellmiete =$24.000
4. Geschätzt. Gesamtkosteneinsparung =73.924$
Online-Spiele auf
100 * 42U Rack-Systeme
1. EE =$1.051.800
2. Kohlenstoff =$196.331
3. Gestellmiete =$1.200.000
4. Geschätzte Gesamtkosteneinsparung =$2.448.131
Blockchain-Plattform auf
500 * 42U-Rack-Systeme
1. EE =$5.259.000
2. Kohlenstoff = $981.655
3. Gestellmiete =$6.000.000
4. Geschätzt. Gesamtkosteneinsparung =$12.240.655
In Zusammenarbeit mit dem EOS Additive Minds Team hat CoolestDC ein AM-zentriertes Design entwickelt, um die Produktleistung weiter zu optimieren und die Herstellungskosten um über 50 % zu senken. Wir erforschen jetzt auch einen digitalisierten Arbeitsablauf, der die Massenanpassung von Kühlplatten für unterschiedliche Kundenanforderungen besser unterstützt und beschleunigt. Durch den Einsatz von AM fallen keine Werkzeugkosten für die massenhafte Anpassung von Kühlplatten an, und es ist keine Mindestbestellmenge für Kunden erforderlich. Bei der herkömmlichen Fertigung (maschinelle Bearbeitung, Drahterodieren und Hartlöten usw.) fallen für jedes neue CPU- und GPU-Modell mindestens 3.000 Euro an Einrichtungskosten an. Diese AM-Lösung eignet sich sowohl für Greenfield- als auch für Brownfield-Anwendungen, einschließlich Edge Computing. Wir gehen davon aus, dass diese nächste Generation des Designs noch kostengünstiger und effizienter sein wird, was zu größeren Einsparungen und Leistungssteigerungen für den Endverbraucher führen wird.
Kurzes Firmenprofil:
CoolestDC ist ein in Singapur ansässiges Deep-Tech-Start-up-Unternehmen mit beträchtlichem Fachwissen im Wärmemanagement von Elektronik mit hohem Wärmestrom und der Fähigkeit, Designdienstleistungen unter Verwendung der hocheffizienten Flüssigkeitskühltechnologie Oblique Fin anzubieten. CoolestDC arbeitet derzeit mit dem Additive Minds-Team von EOS Singapur zusammen, um innovative additiv gefertigte Kühllösungen anzubieten, die die Nachhaltigkeit in Rechenzentren fördern. Weitere Informationen: https://www.coolestdc.com
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