Immersionskühlung

Bei der Immersionskühlung werden Server vollständig in eine elektrisch nicht leitende Flüssigkeit getaucht. Die Wärme geht direkt an das umgebende Medium über, Lüfter entfallen. Im Deutschen findet sich auch die Bezeichnung Tauchkühlung.

Das Verfahren ist nicht neu — Transformatoren stehen seit jeher in Öl —, aber für IT-Technik war es lange eine Nische. Zurück ist es, weil die Leistungsdichte in KI-Rechenzentren die Grenzen der Luftkühlung überschritten hat.

Einphasig und zweiphasig

Einphasig. Die Flüssigkeit — meist ein synthetisches oder mineralisches Öl — bleibt flüssig. Sie wird umgewälzt, gibt ihre Wärme an einen Wärmetauscher ab und fließt zurück. Technisch unkompliziert, die Flüssigkeit ist vergleichsweise günstig, und der Behälter muss nicht dicht sein.

Zweiphasig. Die Flüssigkeit siedet an den heißen Bauteilen bei niedriger Temperatur, steigt als Dampf auf, kondensiert an einem gekühlten Deckel und tropft zurück. Der Phasenwechsel transportiert erheblich mehr Wärme als bloßes Umwälzen, und es braucht keine Pumpe im Behälter.

Dafür muss der Behälter dicht schließen, denn das Fluid darf nicht entweichen — und genau an dieser Stelle hat die Technik ihr größtes Problem bekommen.

Das Fluid-Problem

Die Flüssigkeiten für den zweiphasigen Betrieb gehören überwiegend zur Gruppe der PFAS, der per- und polyfluorierten Chemikalien. Sie sind extrem langlebig, reichern sich in der Umwelt an und stehen in der EU auf dem Weg zu weitreichenden Beschränkungen. Der größte Hersteller hat angekündigt, die Produktion von PFAS einzustellen.

Damit steht hinter dem zweiphasigen Verfahren ein Fragezeichen, das nichts mit Technik zu tun hat: Ein Rechenzentrum wird für zwanzig Jahre gebaut, und niemand füllt es gern mit einer Flüssigkeit, deren Nachschub rechtlich unsicher ist.

Einphasige Systeme mit Ölen sind davon nicht betroffen und gelten derzeit als der gangbarere Weg.

Was dafür spricht

• Sehr hohe Leistungsdichten sind möglich, weil die Wärme nicht über Luft transportiert werden muss.
• Keine Lüfter — das spart Strom, der bei luftgekühlten Servern spürbar in die Ventilatoren geht, und es ist leise.
• Hohe Rücklauftemperaturen. Die Abwärme fällt auf einem Niveau an, das sich leichter weiterverwenden lässt als die lauwarme Abluft eines klassischen Rechenzentrums.
• Kein Staub, keine Schwingungen, konstante Temperatur ohne Spitzen — was der Lebensdauer der Bauteile entgegenkommt.

Was dagegen spricht

Wartung. Eine Baugruppe wird nicht gezogen und getauscht, sondern aus der Flüssigkeit gehoben, abtropfen gelassen und bearbeitet. Das ist umständlich, braucht Platz daneben und kann nicht nebenbei erledigt werden.

Statik. Ein gefüllter Tank wiegt ein Vielfaches eines Racks. Bestehende Rechenzentrumsböden sind dafür selten ausgelegt, und Immersionskühlung landet deshalb meist im Neubau oder im Erdgeschoss.

Gewährleistung. Nicht jeder Serverhersteller gibt Garantie auf Hardware, die in Öl betrieben wurde. Das ist in Bewegung, aber es ist zu klären, bevor bestellt wird.

Material. Manche Kunststoffe, Klebstoffe und Etiketten vertragen das Fluid nicht. Festplatten mit Luftfüllung scheiden aus; heliumgefüllte und Halbleiterspeicher sind unproblematisch.

Die verbreitetere Alternative

In der Praxis setzt sich derzeit nicht die Immersion durch, sondern Direct-to-Chip: Kaltplatten werden direkt auf Prozessor und Beschleuniger geschraubt, Wasser nimmt die Wärme dort auf, wo sie entsteht. Der Rest des Servers wird weiterhin mit Luft gekühlt.

Das ist ein Kompromiss: Es nimmt den größten Teil der Wärmelast auf den Flüssigkeitskreis, lässt den Server aber bedienbar wie zuvor. Für den Betreiber ist das der kleinere Eingriff, und die meisten großen Anlagen gehen diesen Weg.

Immersionskühlung bleibt dort interessant, wo die Dichte auch dafür zu hoch wird — und an Standorten, an denen Wasser knapp ist, weil sie ohne Verdunstung auskommt.

Einordnung

Für alle Flüssigkeitsverfahren gilt derselbe Vorteil jenseits der Kühlleistung: Sie arbeiten mit höheren Temperaturen als Luftkühlung. Das verlängert die Zeit, in der die freie Kühlung ohne Kältemaschine auskommt, und verbessert damit den PUE unabhängig von der Dichte.