Degree

Im Rahmen des Kooperationsprojektes „Degree“ soll am Beispiel des Stuttgarter Höchstleistungsrechenzentrums (HLRS) eine dynamische Regelung der Kühlkreistemperaturen untersucht werden, um die Effizienz des Kühlsystems zu erhöhen.

Die zentralen Schaltstellen des Internets sind Rechenzentren. Der Betrieb der Kühlanlagen ist neben den Servern der zweite große Verbraucher elektrischer Energie in Rechenzentren und derzeit oftmals für ein Drittel des Gesamtenergiebedarfs verantwortlich. Die energieeffizienteste Art der Kühlung ist die „freie Kühlung“. Dabei wird die Abwärme über Nass- oder Trockenkühltürme direkt an die Umgebung abgegeben. Dies funktioniert nur, wenn das Temperatur­niveau der abzugebenden Wärme über der Außentemperatur liegt. Höhere Betriebstemperaturen werden aus diesem Grund angestrebt. Zu beachten ist jedoch, dass die Erhöhung der Kühlmitteltemperatur auch zu negativen Effekten führt. Durch höhere Betriebstempertaturen resultieren bei zahlreichen Komponenten innerhalb des Rechenzentrums höhere Stromaufnahmen, insbesondere bei Halbleitern wie CPUs und Hauptspeicher. Zusätzlich können auch die Rechenleistung und die Lebensdauer der IT-Komponenten sinken.

Das Forschungsprojekt „Degree“ nimmt sich dieser Problematik im Spannungsfeld zwischen möglichst niedrigen Betriebstemperaturen und einem Maximum an freier Kühlung an, vergleiche Abbildung 1. Dies soll durch die Entwicklung einer Methodik zur Implementierung von dynamischen Kühlkreis-Vorlauftemperaturen erreicht werden. Hierbei werden die Vorlauftemperaturen gerade soweit angehoben, dass stets eine freie Kühlung ermöglicht wird, gleichzeitig jedoch unnötig hohe Vorlauftemperaturen vermieden werden. Aufgrund der Temperaturabhängigkeiten der unterschiedlichen Komponenten wird hierfür das Gesamtsystem ganzheitlich betrachtet.

Die erzielbaren Verbesserungen werden in Form von numerischen Simulationsstudien energetisch, ökologisch, ökonomisch und rechenleistungsbezogen quantifiziert und bewertet. Anschließend werden die gewonnenen Erkenntnisse am HLRS exemplarisch umgesetzt und erprobt. Abbildung 2 zeigt das vereinfachte Kühlsystem des HLRS. Mit einer Rechenleistung von 26 Petaflops ist der Höchstleistungsrechner HAWK des HLRS einer der schnellsten Supercomputer Europas.

Das Ziel des Forschungsvorhabens ist es, die erzielbaren Verbesserungen durch die Betriebsweise mit dynamischen Kühlkreistemperaturen zu bestimmen und eine Methodik zur Umsetzung zu entwickeln. Eine optimierte Regelstrategie des Kühlsystems ist hierbei beinhaltet. Für die Übertragbarkeit auf andere Rechenzentren wird zusätzlich ein Leitfaden mit konkreten Handlungsempfehlungen zur Umsetzung der entwickelten Methodik erstellt.

6/2021 – 6/2023