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Seit September 2002 läuft in der Arbeitsgruppe 3D-Kryo-Elektronenmikroskopie der weltweit erste wassergekühlte PC-Cluster. Die von der Firma XXXXXX entwickelte Wasserkühlung garantiert die Wärmeabgabe der 68 AMD Athlon-MP-Prozessoren. Der Computer steckt in einem 19-Zoll-Rack mit 47 Höheneinheiten. Neben 32 Dual-Prozessor-Knotenrechnern und zwei Dual-Prozessor-Festplattenservern unter Windows 2000 sind eine Bedieneinheit, ein Netzwerkswitch und ein Einschub zur Überwachung der Kühlung im Rack untergebracht. Die zwei Festplattenserver mit ca. 2 TByte Festplattenplatz sind über Gigabit-Ethernet angebunden.

Bei voller Auslastung werden über die Wasserkühlung ca. 4kW Wärmeleistung der CPUs über einen Wärmetauscher an den zentralen Kühlwasserkreislauf im Institut abgegeben. Die Temperatur der Prozessoren liegt dabei mit 50 °C um ~10 Grad unter der Betriebstemperatur luftgekühlter Prozessoren. Netzteile, Festplatten und Mainboards werden konventionell mit Luft gekühlt. Insgesamt werden daher ~60% der entstehenden Wärme direkt an das Kühlwasser abgegeben. Die restliche Wärme muss über eine Klimaanlage "entsorgt" werden. Durch die Verwendung der Wasserkühlung können somit große Rechenkapazitäten in kleinen Räumen mit moderaten Anforderungen an die Klimatechnik realisiert werden.

Der Cluster wird benötigt zur parallelen Bildverarbeitung elektronenmikroskopischer Projektionsbilder makromolekularer Komplexe mit dem Ziel, die dreidimensionalen Strukturen der Makromoleküle zu rekonstruieren. Die Parallelisierung erfolgt durch gleichmäßiges Verteilen der zu bearbeitenden Bilder auf alle Prozessoren. Die verwendete Software wurde so optimiert, dass der Cluster nahezu 100% Skalierung erreicht. Das bedeutet, 68 parallel arbeitende Prozessoren sind in der Praxis auch fast 68 mal so schnell wie ein einzelner Prozessor. Die maximal erreichbare Auflösung der dreidimensionalen Strukturen ist unter anderem abhängig von der Anzahl der eingesetzten Projektionsbilder. 3-D Strukturen aus vielen Tausend Projektionsbildern können jedoch nur mit sehr leistungsstarken Computern berechnet werden. Der neue PC-Cluster läuft unter Voll-Last zuverlässig über mehrere Wochen und bietet dadurch genügend Rechenkapazität, um dieses Ziel in einem vernünftigen Zeitrahmen zu realisieren.

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Intel: Konzept für Flüssigkeitskühlung kommender Rackserver

Kompakte Wasserkühlung für 1-HE-Server


Intel arbeitet an einem Konzept für die Flüssigkeitskühlung kompakter Rackserver. Im Rahmen der Industrie-Initiative für Server-System-Infrastruktur (SSI) entstand ein Vorschlag für eine "Advanced Thermal Solution" für kommende Dual-Prozessor-Server mit dem Xeon-Nachfolger Nocona.

Eine Pumpe treibt dabei einen geschlossenen Flüssigkeitskreislauf. Das Wärme-Transportmedium durchströmt außer der Pumpe dabei zwei Kühlplatten (Cold plates), die die Abwärme der Prozessoren aufnehmen. Ein Luft-/Wasser-Wärmetauscher (Heat Exchanger, HEX) gibt die Abwärme widerum an einen kräftigen Luftstrom ab -- in der Zeichung hat Intel acht Lüfter eingezeichnet.

In Rackservern mit einer Höheneinheit Bauhöhe (1,75 Zoll, rund 4,5 Zentimeter) sitzen aus Platzgründen auf den Prozessoren nur passive Kühlkörper, die von einer Batterie zentral angeordneter Lüfter über eine Luftführung (Fan Duct) angeblasen werden. Dieses Konzept sichert auch eine gewisse Redundanz der Kühlung, weil der Ausfall eines Lüfters nicht zum kompletten Verlust der Luftströmung führt.

Wegen der hohen Abwärmeleistung der Prozessoren und der durch kleinere Halbleiterstrukturen steigenden Gefahr für lokale Überhitzungen (Hotspots) sind immer schwerere Kühlkörper erforderlich. Die SSI kümmert sich auch um mechanische Normen, die beispielsweise für die bis zu 450 Gramm schweren Passivühler aktueller Xeons eine direkte Befestigung am Chassis, also durch das Mainboard hindurch, vorsehen. Die Nocona-Xeons benötigen nach Intels Schätzung Kühler mit rund 900 Gramm Gewicht -- da könnte eine Flüssigkühlung bereits Gewichtersparnis bringen.

In großen Servern und Mainframes kamen und kommen ebenfalls noch geschlossene Flüssigkühler zum Einsatz. Im x86-Bereich war das bisher aber ungewöhnlich. Der Rack- und Gehäusespezialist XXXXX hat auf der letzten Hannover Messe ein System zur direkten CPU-Wasserkühlung in 19-Zoll-Rackservern gezeigt, das als Prototyp zur Kühlung eines Athlon-Clusters im Göttinger MPI für biophysiklaische Chemie zum Einsatz kommt. Den Wissenschaftlern dort steht allerdings zur Kühlung anderer Geräte ohnehin ein fest installierter Kühlwasserkreislauf im Gebäude zur Verfügung.

Laut Intel arbeitet die SSI auch an optimierten (redundaten) Netzteilen zur Versorgung für Rackserver. Es geht dabei um höhere Leistungen, mindestens 450 Watt sind demnach für Dual-Xeon-Server bald nötig -- zurzeit sind es für 1-HE-Server üblicherweise zwischen 250 und 350 Watt. Eine kommende Norm soll auch einen verbesserten Wirkungsgrad für Rackserver-Netzteile vorschreiben, offenbar ist auch an Netzteile mit nur einer Ausgangsspannung von 12 Volt gedacht. Diese würde dann erst auf dem Server-Mainboard in die benötigten Spannungen umgesetzt, was optimierte Spannungsregler möglich macht

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nsgesamt werden daher ~60% der entstehenden Wärme direkt an das Kühlwasser abgegeben. Die restliche Wärme muss über eine Klimaanlage "entsorgt" werden. Durch die Verwendung der Wasserkühlung können somit große Rechenkapazitäten in kleinen Räumen mit moderaten Anforderungen an die Klimatechnik realisiert werden.