IBM und ETH Zürich kühlen Supercomputer mit heißem Wasser

Aquasar soll Energieverbrauch um 40 Prozent senken

IBM baut zusammen mit der ETH Zürich einen Supercomputer, der mit heißem Wasser gekühlt wird und dessen abgeführte Wärme direkt für die Beheizung der ETH-Gebäude genutzt wird. Der Prototyp mit Namen Aquasar soll den Energieverbrauch im Vergleich zu ähnlichen Systemen um 40 Prozent senken.

In den letzten vier Jahren hat sich der Energiebedarf von Rechenzentren weltweit fast verdoppelt. Die Energieversorgung sei daher heute die größte Herausforderung, so Dimos Poulikakos, Projektleiter und Leiter des Laboratoriums für Thermodynamik in Neuen Technologien an der ETH Zürich.

Ein zentraler Aspekt bei der Energieeffizienz ist die Kühlung des Computers. Bis zu 50 Prozent der Energie werden nicht für die Rechenleistung selbst, sondern für die Kühlung verbraucht. Das Problem ist, dass ein Computerchip zehnmal mehr Wärme entwickelt als eine Kochplatte auf der gleichen Fläche. Ungekühlt überhitzt er innerhalb von Sekunden und geht kaputt. Für einen sicheren Betrieb muss der Chip daher stetig unter 85 °C gekühlt werden.

Dazu wird in aller Regel eine Luftkühlung verwendet, obwohl Luft eigentlich ein schlechter Wärmeleiter ist. Wasser ist besser geeignet, da es Wärme effizienter speichert und abführt.

Bei Aquasar bringen die Forscher die Wasserkühlung so direkt wie möglich an den Chip. Sie setzen leistungsfähige Mikrokanalkühler ein, die auf der Rückseite des Chips angebracht werden. Damit sollen sich die Chips auch mit bis zu 60 °C heißem Wasser noch auf Betriebstemperatur kühlen lassen.

Die gesamte Kühlung ist ein geschlossener Kreislauf. Das System benötigt etwa 10 Liter Wasser, wobei eine Pumpe einen Durchfluss von 30 Litern pro Minute garantiert. Die Abwärme wird durch einen Wärmetauscher an die Gebäudeheizung abgegeben, wo sie sinnvoll genutzt werden kann. So verbindet Aquasar mehrere Vorteile miteinander: Da das System keine energieintensive Kältemaschinen benötigt, sinkt der Energieverbrauch gegenüber herkömmlichen luftgekühlten Systemen bis zu 40 Prozent. Durch direkte Abwärmenutzung gewinnt man zudem wertvolle Wärmeenergie zurück. Im Vergleich zu ähnlichen Systemen reduziert sich dadurch die CO2-Bilanz um bis zu 85 Prozent - was bei durchschnittlichem Betrieb etwa 30 Tonnen CO2 pro Jahr entspräche, so IBM.

Der Bau von Aquasar ist Teil des dreijährigen, gemeinschaftlichen Forschungsprogramms von IBM und ETH Zürich, das unter der Überschrift "Direkte Abwärmenutzung von flüssiggekühlten Supercomputern: Der Weg zu energiesparenden, emissionsfreien Hochleistungsrechnern und Rechenzentren" steht. An dem Projekt sind das IBM Forschungslabor Zürich, die ETH Zürich, die ETH Lausanne und das Schweizer Kompetenzzentrum für Energie und Mobilität (CCEM) beteiligt.