Martin Reichlin

Es käme einer Revolution für Rechenzentren gleich: Warmes Wasser soll künftig Supercomputer kühlen und mit der abgeführten Wärme Gebäude heizen.

Doch genau diese Idee verfolgen die ETH in Zürich und Lausanne sowie das Forschungslabor des Computerherstellers IBM in Rüschlikon in einem gemeinsamen, drei Jahre dauernden Forschungsprogramm. Der Titel: «Direkte Abwärmenutzung von flüssig gekühlten Supercomputern: Der Weg zu energiesparenden, emissionsfreien Hochleistungsrechnern und Rechenzentren». Endergebnis wird «Aquasar» sein, ein wassergekühlter Rechner für die ETH Zürich, mit einer Leistung von sechs Teraflops - sechs Billionen Rechenoperationen pro Sekunde.

Energiefresser Supercomputer

Hintergrund des Vorhabens ist der enorme Strombedarf moderner Elektronengehirne. In den letzten vier Jahren hat sich der Energiedurst von Computerzentren weltweit fast verdoppelt. «Die Energieversorgung ist die grösste Herausforderung des 21. Jahrhunderts. Geschwindigkeit und Leistung dürfen deshalb nicht mehr die einzigen Kriterien sein, wenn es darum geht, Computersysteme zu bauen», erklärt Dimos Poulikakos, Leiter des ETH-Labors für Thermodynamik in neuen Technologien. «Unser neues Ziel ist, Hochleistungsrechner mit niedrigem Energieverbrauch zu entwickeln.»

Wirkungsvolles Kühlmittel

Zentraler Punkt ist die Kühlung des Computers. Bis zu 50 Prozent der Energie werden nämlich nicht fürs Rechnen, sondern für die Klimatisierung der Maschine verbraucht - schliesslich produziert ein Computerchip zehn Mal mehr Wärme als eine Kochplatte auf gleicher Fläche, nimmt aber schon bei Temperaturen über 85 Grad Schaden. Bis heute wird für die Kühlung in der Regel jedoch Luft verwendet - ein schlechter Wärmeleiter. Besser geeignet wäre Wasser, das Wärme 4000 Mal effizienter speichert und sie hervorragend transportiert.

Bei «Aquasar» wollen die Forscher die Wasserkühlung nun so direkt wie möglich an die Wärmequelle - den Chip - heranbringen. Dazu setzen sie neu entwickelte, leistungsfähige Mikrokanalkühler ein, die auf der Rückseite des Chips angebracht werden. So können die Prozessoren selbst mit 60 Grad heissem Wasser noch auf Betriebstemperatur gekühlt werden, gleichzeitig wird wertvolle Abwärme gewonnen.

Wärme als wertvolle Ressource

Die gesamte Kühlung von «Aquasar» ist ein geschlossener Kreislauf. «Wir benötigen dafür rund 50 Meter Kupferleitungen mit 2 Millimeter Durchmesser», erklärt Ingmar Meijer vom IBM-Forschungsteam. «Darin zirkulieren gut 10 Liter Wasser, die von einer Pumpe mindestens drei Mal pro Minute umgewälzt werden.» Nebst den Mikroprozessoren würden dabei - auch dies eine Neuentwicklung - auch die Speicher-Bauteile gekühlt. Die so gewonnene Abwärme wird durch einen Wärmetauscher anschliessend an die Gebäudeheizung abgegeben. «Wir erwarten, dass wir auf diese Weise bis zu 75 Prozent

der Wärme des Computers weiterverwenden können», erklärt Ingmar Meijer weiter. «Das entspricht einer Leistung von 15 Kilowattstunden.» Wärme sei ein wertvolles Gut, das man täglich teuer kaufen müsse.

Indem die Abwärme der aktiven Bauteile eines Computersystems so direkt als möglich abtransportiert wird, sinkt der Energiehunger von Supercomputern beträchtlich. IBM rechnet damit, dass der Stromverbrauch bei «Aquasar» im Vergleich zu herkömmlichen luftgekühlten Systemen um bis zu 40 Prozent sinkt, da das System keine energieintensiven Kältemaschinen benötige. In Kombination mit der Abwärmenutzung werde dadurch auch der CO2-Ausstoss von Grossrechensystemen deutlich gesenkt. Im Vergleich zu ähnlichen Anlagen reduziere sich die CO2-Bilanz um bis zu 85 Prozent, was bei durchschnittlichem Betrieb etwa 30 Tonnen CO2 pro Jahr entspricht.

Blutkreislauf nachahmen

Inspiriert wurde das Forschungsteam bei der Entwicklung des Kühlkreislaufs übrigens von Mutter Natur beziehungsweise dem menschlichen Blutkreislauf. Dort sorgt ein Netzwerk von Gefässen und Kapillaren dafür, dass Wärme und Energie mit der grösstmöglichen Effizienz in jeden Teil des Körpers transportiert werden. Die Kühlung von «Aquasar» ist nach den gleichen Prinzipien aufgebaut. Die zirka 2 cm2 grossen Wasserkühler verfügen über viele hundert kleine Kapillaren.

Konstruiert wird der wassergekühlte Superrechner zurzeit in den IBM-Entwicklungslabors in Rüschlikon und Böblingen, Deutschland. «Der voll aufgebaute Prototyp wird am 1. April 2010 in Betrieb gehen», verspricht Forscher Meijer. Im Einsatz stehen wird «Aquasar» schliesslich am ETH-Lehrstuhl für Computerwissenschaften, wo er für komplexe Strömungssimulationen eingesetzt wird.