Der thermische Pfad als integriertes System in KI-Rechenzentren

Autor: Sascha Horn – Strategic Account Manager bei Vertiv/dcg

Mit dem rasanten Anstieg von KI-Workloads erfährt der thermische Pfad moderner Rechenzentren eine grundlegende Transformation. Während klassische Luftkühlung weiterhin eine wichtige Rolle für eine Vielzahl von Lasten in Rechenzentren spielt, verlagert sich  der Fokus zunehmend auf die Direct-to-Chip-Flüssigkeitskühlung. Entscheidend ist dabei jedoch nicht allein die Wärmeaufnahme direkt an den GPUs, sondern vielmehr auch die ganzheitliche Beherrschung des Wärmetransports, der Abfuhr sowie der energetischen Weiterverwertung. Damit wird Kühlung zur Systemaufgabe: Die Effizienz des Gesamtsystems hängt nicht mehr primär von einzelnen Komponenten ab, sondern von deren Zusammenspiel entlang des gesamten thermischen Pfads.

Neue Generationen von Kaltwassersätzen, insbesondere mit ölfreien Zentrifugalverdichtern, ermöglichen größere Temperaturspreizungen sowie erweiterte Betriebsbereiche. Dadurch können deutlich höhere Rücklauftemperaturen verarbeitet werden, was wiederum die Grundlage für effizientere Wärmerückgewinnung und einen erweiterten Einsatz von Freikühlung schafft. Parallel dazu etablieren sich Trim-Cooler-Konzepte, die ein flexibles Zusammenspiel von freier und mechanischer Kühlung erlauben und den thermischen Pfad dynamisch optimieren.

Die CDU als Schlüsselkomponente der thermischen Architektur

Die Charakteristik von KI-Workloads stellt neue Anforderungen an die thermische Regelung. KI-Workloads können ausgeprägte und schnelle Lastwechsel verursachen. Trainings- und Inferenzanwendungen wiesen dabei unterschiedliche, teils stark dynamische Leistungsprofile auf, auf die die thermische Infrastruktur zuverlässig reagieren muss.  Klassische Kühlsysteme, die für statische Betriebspunkte ausgelegt sind, stoßen hier an ihre Grenzen. Verzögerte Reaktionen aufgrund thermischer Trägheit können zu instabilen Temperaturverhältnissen führen und im Extremfall eine Leistungsdrosselung der Hardware (GPU-Throttling) auslösen.

Moderne Kühlsysteme müssen daher hochdynamisch reagieren können und sind zunehmend als adaptive Systeme ausgelegt. In diesem Kontext gewinnen Liquid-to-Liquid-CDUs (Coolant Distribution Units) zunehmend an Bedeutung und fungieren als Kernkomponente, die die Schnittstelle zwischen IT-Hardware und Gebäudekühlung bildet. Sie ermöglichen eine präzise Temperaturführung sowie die hydraulische und thermische Entkopplung zwischen dem Technology Cooling System TCS (Technology Cooling System) auf der IT-Seite und dem Facility Water System (FWS) auf der Infrastrukturseite. Durch integrierte Pumpen, Regelmechanismen und Qualitätsüberwachung des Kühlmediums gewährleisten sie eine zuverlässige und effiziente Wärmeabfuhr sowie stabile Betriebsbedingungen selbst bei stark fluktuierenden Lastprofilen.

Besonders relevant ist dabei die Fähigkeit zur präzisen Regelung im Zusammenspiel mit Primärsystemen wie Kaltwassersätzen. Während das übergeordnete Kühlsystem für die erforderliche Wärmeabfuhr sorgt, regelt die CDU auf IT-Seite unter anderem Vorlauftemperatur, Durchfluss und Druckverhältnisse und ermöglicht damit stabile Betriebsbedingungen auch bei dynamischen Lastwechseln. W Die Kombination ermöglicht eine stabile Temperaturführung auch unter dynamischen Bedingungen und bildet die Grundlage für hochverdichtete KI-Umgebungen.

Freikühlung, Trim Cooling und die Auflösung starrer Systemgrenzen

Ein zentraler Paradigmenwechsel im thermischen Design besteht in der Abkehr von statischen Auslegungspunkten. Traditionell wurden Komponenten wie Chiller, Luftführung und CDUs unabhängig voneinander dimensioniert. In modernen Architekturen hingegen wird der thermische Pfad als kontinuierlich optimierbares Gesamtsystem betrachtet.

Die maximal zulässige Kühlmitteltemperatur auf Serverseite wird dabei zur entscheidenden Kenngröße. Je höher diese ist, desto größer ist der Anteil der Wärme, der durch Freikühlung abgeführt werden kann. Trim-Cooling-Lösungen erweitern dieses Konzept, indem sie mechanische Kühlung nur dann zuschalten, wenn die Umgebungsbedingungen es erfordern. Dadurch entsteht ein gleitender Übergang zwischen freier und mechanischer Kühlung, der die Effizienz über einen deutlich erweiterten Betriebsbereich maximiert.

Diese Flexibilisierung ist insbesondere vor dem Hintergrund sich schnell entwickelnder Servertechnologien essenziell. Während sich Hardware-Anforderungen innerhalb weniger Monate ändern können, bleibt die mechanische Infrastruktur langfristig bestehen. Adaptive Kühlsysteme müssen daher in der Lage sein, diese Entwicklung ohne grundlegende Umbaumaßnahmen zu begleiten.

Wärmerückgewinnung und regulatorische Rahmenbedingungen

Mit steigenden Rücklauftemperaturen eröffnen sich neue Möglichkeiten zur direkten Wärmerückgewinnung. Insbesondere in Deutschland gewinnt dieser Aspekt durch gesetzliche Vorgaben wie das Energieeffizienzgesetz an Bedeutung, welches die Nutzung unvermeidbarer Abwärme fordert. Die höheren Kühlmittel- und Rücklauftemperaturen flüssigkeitsgekühlter KI-Systeme verbessern die Voraussetzungen für die Wärmerückgewinnung erheblich. Abhängig vom Temperaturniveau des Rechenzentrums und den Anforderungen des jeweiligen Wärmenetzes kann die Abwärme direkt genutzt oder über Wärmepumpen auf das erforderliche Temperarturniveau angehoben werden. Neben ökologischen Vorteilen ergeben sich daraus auch wirtschaftliche Potenziale sowie eine stärkere Integration von Rechenzentren in lokale Energiesysteme. Technisch erfordert dies jedoch eine präzise Auslegung der hydraulischen Schnittstellen sowie eine stabile Einhaltung von Temperatur-, Druck- und Qualitätsparametern. Parallel dazu beeinflussen regulatorische Anforderungen und Nachhaltigkeitsziele – etwa hinsichtlich Energieeffizienz, Abwärmenutzung, Kältemittel mit niedrigem GWP sowie, Wasserverbrauch – zunehmend die Auslegung zukünftiger Kühlsysteme.  Die Auswahl geeigneter Technologien wird damit zunehmend zu einer multidimensionalen Optimierungsaufgabe, bei der Effizienz, Sicherheit und Compliance gleichermaßen berücksichtigt werden müssen.

Planung und Integration in bestehende Infrastrukturen

Die Planung von KI-Rechenzentren ist zunehmend von Unsicherheiten geprägt. Einerseits variieren zukünftige Workloads stark, andererseits entwickeln sich Servertechnologien deutlich schneller als die zugehörige Infrastruktur. Daraus ergibt sich die Notwendigkeit, Kühlsysteme nicht mehr auf einen festen Betriebspunkt auszulegen, sondern als flexible Plattformen zu konzipieren.

Für Bestandsrechenzentren stellt insbesondere die Integration von Flüssigkeitskühlung eine Herausforderung dar. Hohe Wassertemperaturen müssen mit bestehenden Kaltwassersystemen kompatibel gemacht werden, was in der Regel eine hydraulische Entkopplung durch CDUs oder Wärmetauscher erfordert. Optimierte Temperaturspreizungen ermöglichen es jedoch, bestehende Infrastruktur weiter zu nutzen und gleichzeitig die Effizienz zu steigern.

Ein pragmatischer Ansatz besteht in der schrittweisen Integration von KI-Pods innerhalb bestehender Flächen. Dies ermöglicht eine skalierbare Erweiterungsstrategie mit der Implementierung von Hochleistungsanwendungen ohne Beeinträchtigung des laufenden Betriebs.

Fazit

Der thermische Pfad in KI-Rechenzentren entwickelt sich von einzelnen eigenständigen Komponenten hin zu einem hochintegrierten, dynamisch regelbaren Gesamtsystem. Schlüsseltechnologien wie Flüssigkeitskühlung, CDUs, Trim Cooling und Freikühlung bilden dabei die Basis für eine effiziente und zukunftssichere Infrastruktur. Entscheidend ist jedoch weniger die Verfügbarkeit einzelner Lösungen als deren intelligente Orchestrierung.

Nur durch eine ganzheitliche Betrachtung des Wärmemanagements lassen sich die steigenden Leistungsdichten moderner KI-Hardware beherrschen und gleichzeitig Effizienz-, Nachhaltigkeits- und Regulierungsanforderungen erfüllen.

Sascha Horn – Strategic Account Manager bei Vertiv

Sascha Horn ist seit mehreren Jahren im Außendienst in NRW für den Unternehmensbereich Thermal Management bei Vertiv aktiv, zusätzlich hat er die Funktion des Thermal Management Champions für die Region D-A-CH inne. Insgesamt ist er seit 15 Jahren für VERTIV in der Kälte- und Klimabranche tätig und ist kompetenter Ansprechpartner, wenn effiziente und hochverfügbare Klima- und Kältetechnik gefordert ist. Sascha Horn unterstützt und berät bei der richtigen Wahl von Lösungen im gesamten IT-Infrastrukturbereich. Sei es in kleineren Serverräumen oder größeren Rechenzentren.

Link zu Vertiv: Vertiv | A global leader in critical digital infrastructure