Hoe koel je de duurzame supercomputers van de toekomst? Met warm water!

Lenovo

Het Leibniz Supercomputing Centre (LRZ) in München is geen normale supercomputer. Uiteraard zijn er duizenden servers, of knooppunten, in rijen opgestapeld in een vensterloze ruimte. Onder toezicht van technici, werken ze allemaal aan enorme dataconsumptiepunten voor onderzoeksorganisaties, waarbij ze simulaties uitvoeren om toekomstige natuurrampen zoals tsunami’s en aardbevingen beter te voorspellen.

Lenovo

Er is echter een ding wat afwijkt. Het is er stil. Bijna te stil. Het bekende gezoem van hete lucht die wordt weggespoeld door energiehongerige computers is vrijwel geheel afwezig. Waar zijn alle ventilatoren? Het blijkt dat ze bijna allemaal verdwenen zijn. Het LRX SuperMUC NG heeft alleen ventilatoren nodig voor het koelen van de voedingseenheden en rij-chillers op elke achtste rij. Het omgevingsgeluid van dit datacenter is zelfs lager dan een gemiddelde kantoorruimte.

Lenovo

Voor ons is het belangrijk dat alles wat we in een supercomputer stoppen optimaliseren, zodat klanten efficiënter werken. We zien bijvoorbeeld dat we het LZR al die tijd goed hebben laten draaien, en dat ze tegelijkertijd met deze koeltechniek 40% aan energieconsumptie hebben bespaard. Hierdoor is de milieu-impact van het centrum aanzienlijk verlaagd, net als de elektriciteitsrekening. Het geheim is een duurzame focus waarbij we warm water gebruiken om een datacenter te koelen. Het klinkt bijna alsof je probeert om een F1-auto van brandstof te voorzien met behulp van de uitstoot van zijn eigen uitlaat – hoe doe je dat? 

Lenovo

We zijn al jarenlang een belangrijke speler in de HPC-industrie en geloven sterk dat de toekomst van supercomputing duurzaam is, waarbij we goed kijken naar hoe we zorgvuldig om gaan met onze stroomvraag. Het LRZ SuperMUC NG is slechts een voorbeeld van een efficiënte supercomputer met een langere ecologische voetprint, maar er zijn nog 177 energiezuinige supercomputers die op onze systemen draaien die in de TOP500 Green500-lijst staan.

Ik begrijp dat duurzame supercomputing raar kan klinken, want naarmate processoren sneller worden, hebben ze steeds meer stroom nodig. Toen we in 2012 voor het eerst aan SuperMUC bij LRZ begonnen te werken, gebruikten we typische HPC-rekenknooppunten processoren die 100-120W (watt) per processor nodig hadden. Dat cijfer is nu meer dan 200W en zal verder toenemen tot meer dan 300W in 2021. En hoe hoger het wattage, hoe meer warmte er uit de processors moet worden verwijderd om ze op hun optimale operationele temperatuurbereik te houden.

Warmtekoeling als duurzaam alternatief van ventilatoren

Van oudsher werd het verwijderen van warmte opgelost door het datacenter te koelen met ventilatoren die de hete lucht wegblazen, maar dit is geen efficiënte manier voor de huidige en toekomstige HPC-oplossingen. Koelen met lucht is simpelweg al snel geen optie meer. Alles boven de 32-36 kilowatt wordt lastig en huidige racks vragen soms om 90 kilowatt. Je hebt dan bijna een orkaan nodig om de warme lucht te verwijderen.

Lenovo

Koelen met warm water is de oplossing. Voor je gevoel is dit heel gek, maar als je bedenkt dat 45-50 graden Celsius een stuk koeler is dan een processor die topprestaties levert, is het idee lang zo gek nog niet. We hebben in 2012 voor het eerst op grote schaal warmwaterkoeling geïntroduceerd bij LRZ en de voordelen ten opzichte van luchtkoeling zijn legio. Dezelfde massa water slaat vier keer meer energie op in vergelijking met lucht bij een bepaalde temperatuur. Daarnaast is het mogelijk om de watervoorziening in direct contact te brengen met alle elementen die moesten worden gekoeld, om het proces veel gerichter te maken.

Omdat het water ook in een leidingsysteem zit, is het eenvoudig om het steeds opnieuw te gebruiken. Afhankelijk van de locatie van het datacenter en de buitentemperatuur, laat het door de warmtewisselaarapparatuur op het dak van het datacenter lopen door de overtollige warmte van de hardware weg te stralen. Het warme water kan ook op andere manieren worden gebruikt: voor verwarmd water voor zwembaden of voor de nabijgelegen kasverwarming in de landbouw. Bij LRZ kan het zelfs worden gebruikt als onderdeel van de campusverwarming. Dit alles bovenop de energiebesparing en de groene impact die een lagere elektriciteitsrekening oplevert.

Een drieledige aanpak

Het is ook maar een onderdeel van onze Neptune vloeistofkoelingstechnologie, die de energie-efficiëntie van datacenters op drie manieren benadert; warmwaterkoeling, software-optimalisatie en verbeteringen in de infrastructuur. Deze laatste rol is vanuit duurzaamheidsoogpunt misschien wel de meest opmerkelijke. Voor SuperMUC NG van LRZ hebben we adsorptie-koelingstechnologie geïntroduceerd om effectief koud water te creëren om opslag- en netwerkrekken van warm water te koelen. Er zijn minder chillers nodig om dit koude water te creëren.

De toenemende behoefte aan stroom en koeling wordt een probleem voor de hele IT-industrie, dus niet alleen voor de supercomputerindustrie. Het vermogen van processors, accelerators en andere componenten die in servers worden gebruikt, stijgt. Elk datacenter zal dit probleem ervaren. De duurzame technieken die we nu inzetten voor supercomputers, zie ik in de toekomst dan ook zeker elders in de IT-industrie toepasbaar.