Versarien setzt mit speziellen Materialien auf Wasserkühlung von großen Rechenzentren.

Versarien setzt mit speziellen Materialien auf Wasserkühlung von großen Rechenzentren.Versarien

Die an Rechenzentren, an die Telekommunikations- und Datenkommunikations-Infrastruktur sowie an High-End-Rechensysteme gestellten Erwartungen werden immer anspruchsvoller. Beispielsweise verbrauchen die Rechenzentren von Google im Betrieb, alles zusammengenommen, eine Leistung im Bereich von 250 MW. Das entspricht dem Verbrauch von 120.000 Haushalten.

Mit zunehmend dichter angeordneten Prozessoren nimmt in der Folge die auf jeder Leiterplatte erzeugte Wärmemenge zu. Diese Wärme kann sich, wenn nicht effektiv mit ihr umgegangen wird, stark auf die Zuverlässigkeit des Systems auswirken. Die Branche sucht unablässig nach Methoden, um mit diesem Problem fertig zu werden.

Auf einen Blick

Die Kapazität moderner Rechenzentren erreicht mittlerweile die Grenzen der Belastbarkeit, nachdem die Gestelle im Zuge unseres unverminderten Hungers nach Bandbreiten mit einer großen Anzahl von Servern vollgepackt werden. Der Umgang mit den großen Wärmemengen, die von dem Zentralprozessor (CPU) jedes Servers erzeugt werden, stellt deshalb eine immer anspruchsvollere Maßnahme dar. Es wird gezeigt welchen Beitrag die Firma Versarien mit seinem VersarienCu-Material, das über eine Nenn-Partikelgröße von 50 μm verfügt, bieten kann.

Unternehmen wie Google, Facebook, Microsoft und Amazon, die eine gewaltige Zahl von Servern für die Aufgaben von Suchmaschinen, e-Commerce und soziale Medien einsetzen, sind sich der vor ihnen liegenden Schwierigkeiten sehr wohl bewusst. Jedes von ihnen muss die Benchmarks in der Verarbeitungsleistung erreichen, die erforderlich sind, um den höheren Datendurchsatz abzudecken. Wobei sie sich aber gleichzeitig mit dem Umweltdruck auseinandersetzen müssen, ihren Energieverbrauch zu reduzieren sowie ihre fortlaufende Systemzuverlässigkeit auf ein Höchstmaß zu steigern. Die Fortschritte der Mikrochip-Technologie können in diesem Zusammenhang natürlich hilfreich sein: Die Implementierung von fortschrittlichen Prozessorarchitekturen hilft bis zu einem gewissen Grade; doch obwohl sich diese durch einen geringeren Energieverbrauch auszeichnen und weniger Wärme erzeugen, nimmt die Packungsdichte, mit denen sie innerhalb eines Servergestells angeordnet werden, ständig weiter zu. Soll also ein kontinuierlicher Betrieb gewährleistet sein und das Risiko des Ausfalls eines Bauelements auf einem absoluten Minimum gehalten werden, müssen die Fortschritte in der Halbleitertechnologie mit den Fortschritten beim Wärmemanagement einhergehen.

Lost-Cabonate-Sintering-Prozess

Herkömmliche mechanische Einrichtungen und Vorgehensweisen zur Wärmeableitung sind schlicht nicht in der Lage, die notwendigen Wärmeübertragungspegel zu liefern, die man braucht, um mit der modernen Hochleistungs-Halbleitertechnologie Schritt zu halten, besonders wenn das verfügbare Platzangebot eingeschränkt ist. Führende Technologie-Unternehmen (darunter beispielsweise IBM) haben bestätigt, dass sie den Einsatz von Wasserkühlung in Servergestellen untersuchen, um die Wärme in diesen Umgebungen mit äußerst beschränktem Platzangebot effizienter abzuleiten.

Die akademischen Kreise von Großbritannien spielen eine wichtige Rolle bei der Weiterentwicklung von thermischen Interface-Materialien zur Anwendung in der Wasserkühlung – insbesondere infolge der Bestrebungen von Forschern an der Universität Liverpool. Der dort entwickelte Lost-Cabonate-Sintering-(LCS-) Prozess ermöglicht die kostengünstige Herstellung eines Wärmeübertragungsmaterials, das eine homogene Verteilung von mikrofeinen offenen Zellporen aufweist. Metallpartikel werden mit nichtmetallischen Teilchen vermischt, dann in Netz- oder endkonturnahe Formen verdichtet. Die Mischung wird einer starken Hitze (1000 °C) ausgesetzt. Das hat ein Zusammenbacken der Partikel zur Folge, ohne dass diese schmelzen, während gleichzeitig die nichtmetallischen Teilchen eliminiert werden. Bislang waren mikroporöse Metalle dieser Art nur äußerst mit großen Schwierigkeiten und auf eine Art und Weise herzustellen, die es möglich gemacht hätte, eine Fertigung in großen Stückzahlen hochzufahren, ohne dass die Kosten prohibitiv hoch gewesen wären.

Die innovative offene Zellstruktur, wie sie in mithilfe von LCS hergestellen Materialien Verwendung findet, zeichnet sich durch eine Morphologie aus, die sich in hohem Maße für einen effiziente Wärmeübertragung eignet. Sie wird durch Strukturen inspiriert, wie man sie in der freien Natur vorfindet, beispielsweise in Schwämmen. In der Natur erlauben diese Anordnungen eine Maximierung der Oberfläche, so dass sich verschiedene biochemische Prozesse effizient durchführen lassen. Darüber hinaus ermöglichen sie eine optimale Balance zwischen mechanischer Festigkeit und gesamter Körpermasse – so dass Materialien wie beispielsweise Knochen ihre Widerstandsfähigkeit maximieren und dabei dennoch ein geringes Gewicht beibehalten können.

Sehr hohe Wärmeübertragungskoeffizienten

Das in Gloucester ansässige Startup-Unternehmen Versarien besitzt durch seine Verbindungen mit der Universität die Exklusivrechte zur Vermarktung der mithilfe des LCS-Prozesses hergestellten Wärmemanagement-Materialien. Bei seinen angebotenen VersarienCu-Produkten handelt es sich um einen permeablen Metallschaum aus 99,7 Prozent reinem, gas-atomisiertem Kupferpulver. Es versorgt die Branche mit einem Wärmemanagement-Material, das einen Wärmeübertragungskoeffizienten von bis zu 200 kW/m2K aufweist – es ist damit hinsichtlich der Wärmeabstrahlung bis zu zehnmal effektiver als herkömmliche Mikrokanal-Kühlkörper vergleichbarer Größe. Seine offene Zellporenstruktur maximiert den Oberflächenbereich und erlaubt den Durchfluss einer Flüssigkeit durch das Material, welche die vorhandene Wärmeenergie abführen kann. Als hoch skalierbare Lösung ist es in großen Stückzahlen zu wettbewerbsfähigen Preisen verfügbar und kann über ein breites Spektrum von Anwendungsszenarien genutzt werden.

Metallschaum aus Kupferpulver

VersarienCu wird mit einer Nenn-Partikelgröße von 50 μm hergestellt. Die Poren-Morphologie ist einstellbar, um spezifischen Anforderungen im Systemdesign zu entsprechen; dabei sind Porendurchmesser zwischen 20 µm und 1,5 mm möglich. Auch die Porositätspegel lassen sich entsprechend der jeweils betreffenden Applikation verändern (von 50 Prozent bis 80 Prozent). Wird anstelle von größeren Poren eine kleinere Porengröße spezifiziert, werden die Wärmeübertragungsraten verbessert. Das bedeutet allerdings gleichzeitig, dass eine stärkere Pumpe benötigt wird, um die Kühlflüssigkeit durch das Material zu befördern. Ingenieure haben die Wahl, ob sie sich beim Einsatz von VersarienCu für den höchsten erzielbaren Grad der Wärmeübertragung entscheiden oder ob sie sich mit einer etwas niedrigeren Stufe zufrieden geben, die jedoch mit dem Vorteil einer kleineren Gesamt-Materialliste verbunden ist. Mit anderen Worten: Die Komponente Wärmemanagement in der Systementwicklung kann entweder auf Kosten oder auf Performance optimiert werden.

Kühlkörper- und Gehäuse-Hersteller müssen kooperieren

Der Wasserkühlung wird in naher Zukunft voraussichtlich in einer Vielzahl von High-End-Computer- und Datenverarbeitungsanwendungen eine zunehmende Bedeutung zukommen, weil der Bandbreitenbedarf weiterhin lawinenartig anschwillt und Besorgnisse über die Auswirkungen von Hitze auf die Systemzuverlässigkeit mit ähnlicher Stärke wachsen. Die Entwicklung mikroporöser metallischer Materialien, die von Kühlflüssigkeiten durchströmt werden können, sind der Schlüssel für die Umsetzung hoch effektiver, wirtschaftlich tragfähiger Wärmeübertragungslösungen, die diese Hitzeproblem entschärfen können, ohne dass wertvoller Platz zur Verfügung gestellt werden muss (so dass die Serverkarten nach wie vor in niedrigbauende Einheiten passen). Im Zuge der weiteren Entwicklung wird wohl eine Zusammenarbeit zwischen den Herstellern von Kühlkörpern und von Gehäusen notwendig sein, damit die in Rechenzentren und Serverfarmen eingerichteten Wärmemanagement-Mechanismen so effektiv wie möglich sind.