Direct Liquid Cooling: Warum KI-Rechenzentren auf Flüssigkeitskühlung setzen

Rechenzentren im KI-Zeitalter

Angesichts des KI-Booms prognostiziert der Branchenverband Bitkom e. V. bis 2030 fast eine Verdoppelung der Rechenzentrumskapazität in Deutschland auf 5.000 Megawatt. Im internationalen Vergleich spielt Deutschland jedoch selbst damit nur eine vergleichsweise bescheidene Rolle. In den USA waren bereits im Jahr 2024 Rechenzentren mit einer Gesamtkapazität von rund 50 Gigawatt in Betrieb. Das entspricht dem Zehnfachen der für Deutschland bis 2030 erwarteten Leistung.

Die fünf größten geplanten Rechenzentrumsprojekte

Woher kommt die Wärmeentwicklung in Rechenzentren?

Leistungsstärkere Rechenzentren erfordern eine steigende Leistungsdichte innerhalb einzelner Racks. In diesen 19-Zoll-Schränken befindet sich die für rechenintensive KI-Workloads notwendige Hardware, darunter Prozessoren (CPUs) und Grafikchips (GPUs). Die im Dauerbetrieb laufende Hardware wandelt dabei jedes zur Stromversorgung eingesetzte Kilowatt in Wärme um. So entstehen Wärmelasten von mehr als 150 kW pro Rack – und das bei mehreren hundert Racks in einzelnen Rechenzentren.

Die Wärmelast eines Racks im Vergleich

Um die Dimension einer Wärmelast von 150 kW einzuordnen, lohnt sich ein Vergleich: Ein durchschnittliches Einfamilienhaus benötigt zum komfortablen Heizen eine Wärmequelle mit einer Leistung von 10 kW. Ein einziges Rack mit einer Wärmelast von 150 kW erzeugt also genügend Abwärme, um 15 Einfamilienhäuser zu beheizen – und das auf der Fläche eines größeren Kleiderschranks. Umso wichtiger ist daher die Kühlung: Sollen Überhitzung und im schlimmsten Fall Hardwareausfälle vermieden werden, braucht es geeignete und im besten Fall energieeffiziente Maßnahmen zur Temperaturregulierung.

Kühlung im Wandel: Von Luft- zur Flüssigkeitskühlung

Während die Luftkühlung in Rechenzentren vor dem KI-Zeitalter der Standard war, stößt sie bei Wärmeentwicklungen durch KI-Workloads an ihre physikalischen Grenzen. Denn selbst mit optimierten Systemen wie Warm-/Kaltganggehäusen oder Side-Coolern liegt die maximale Kühlleistung von Luft pro Rack bei 35 kW. Bei Wärmeentwicklungen von bis zu 150 kW in KI-Rechenzentren reicht diese Kühlleistung schlichtweg nicht mehr aus. Stattdessen setzen Betreiber solcher Rechenzentren auf Direct Liquid Cooling. Dabei wird mit entmineralisiertem Wasser gekühlt, das 3.500-mal so viel Wärme aufnehmen kann wie Luft. Das macht Wasser zu einem idealen Kühlmittel für Anwendungsbereiche mit hoher Wärmeentwicklung.

Aufbau und Komponenten im Kühlkreislauf

Wie genau das in der Praxis funktioniert, lässt sich am Beispiel eines Grafikchips (GPU) verdeutlichen, der zu den größten Wärmequellen in KI-Rechenzentren zählt. Ein solcher Porzessor, etwa der NVIDIA Blackwell, verfügt zwar nur über eine Fläche von 7,5 cm², kann aber eine Wärmeleistung von bis zu 1.000 Watt erzeugen. Um diese Abwärme direkt am Entstehungsort abzuführen, ist auf dem Prozessor eine sogenannte Coldplate (ein kleiner Wärmetauscher) aufgesetzt. Dabei handelt es sich um eine metallische Platte mit einer an das DLC-System angeschlossenen Flüssigkeits-Leitung. Aufgrund der hohen Wärmeleitfähigkeit von Metall nimmt die Coldplate den Großteil der entstehenden Wärme auf und überträgt sie an die zirkulierende Kühlflüssigkeit. Von dort aus transportiert das Wasser die Wärme bis zur CDU (Coolant Distribution Unit), die als Zentralverteiler den Durchfluss der Kühlflüssigkeit regelt und Temperatur sowie Druck überwacht. Am Ende des Kreislaufs befindet sich der Chiller, der die Wärme an die Umgebungsluft abgibt oder für die Wärmerückgewinnung nutzt. Genau hier liegt ein zusätzlicher Vorteil von DLC. Auf dem Rückweg vom Rack zum Chiller erreicht das Wasser im sogenannten Rücklauf Temperaturen von rund 50 °C. Diese vergleichsweise hohe Temperatur ermöglicht es, die Abwärme beispielsweise zur Beheizung von Gebäuden zu nutzen.

Wie sicher ist Direct Liquid Cooling?

Direct Liquid Cooling stellt bei ordnungsgemäßem Betrieb kein Sicherheitsrisiko für Rechenzentrumsinfrastrukturen dar. Bei den nach OPC-Standards entwickelten Systemen von Rittal sind zum einen kritische Komponenten doppelt verbaut (Redundanzoptionen), sodass die Kühlung auch bei technischen Ausfällen über fest definierte Rückfallszenarien weiterläuft. Zum anderen halten die Rohrleitungen und die weiteren Komponenten des Kühlkreislaufs deutlich höhere Druckbelastungen aus als den üblichen Systemdruck von zwei bar. Zusätzlich überwachen Sensoren kontinuierlich Durchfluss, Druck und Temperaturen im Kühlkreislauf. Treten hier Anomalien auf, erkennt eine Software dies und schlägt frühzeitig Alarm. Dank Hot-Swap-Funktion können außerdem kritische Komponenten im laufenden Betrieb ausgetauscht werden, was längere Stillstands Zeiten verhindert.