Harzwerkstoffe für KI-Rechenzentrumskomponenten

Weltweit entstehen Rechenzentren als kritische Infrastruktur für Cloud-Dienste, Videostreaming, generative KI und vieles mehr. Gleichzeitig führt der steigende Rechenbedarf für KI zu einem rasanten Anstieg des Stromverbrauchs in Rechenzentren. Die IEA prognostiziert, dass der weltweite Stromverbrauch von Rechenzentren im Jahr 2024 bei etwa 415 TWh lag und bis 2030 auf etwa 945 TWh ansteigen wird^{. *1}　
Der Ausbau von Hochleistungsrechnern mit hoher Rechenleistung für KI wird als wesentlicher Faktor genannt. Infolgedessen werden Rechenzentren zunehmend nicht mehr nur als IKT-Einrichtungen, sondern als soziale Infrastruktur betrachtet, die zusammen mit der Energieinfrastruktur berücksichtigt werden muss.
Als Reaktion auf diese wachsende Nachfrage werden auch nationale Strategien entwickelt. Der Fokus verlagert sich von der reinen Förderung des Baus von Rechenzentren hin zur Gewährleistung einer stabilen Abnahme großer Strommengen, effizienter Energienutzung und eines nachhaltigen Betriebs.​ ​^​​
In der EU wurden im Rahmen der Energieeffizienzrichtlinie Berichtspflichten hinsichtlich Energieeffizienz und Wasserfußabdruck für Rechenzentren ab einer bestimmten Größe eingeführt. Die Europäische Kommission erwägt außerdem eine gemeinsame Datenbank, ein Bewertungssystem und Mindestleistungsstandards. ^*2　
Mit anderen Worten: Zukünftige Rechenzentren werden nicht nur nach ihrer Rechenleistung, sondern auch danach bewertet, wie effizient sie mit Strom, Wasser und Umweltauswirkungen umgehen.^​​​​

*1: Energie und KI – Analyse – IEA*2: Energy performance of data centres – Energy – European Commission​​​​

In herkömmlichen Rechenzentren war es üblich, eine große Anzahl relativ standardisierter Server zu installieren und den gesamten Raum mit Klimaanlagen zu kühlen. In den letzten Jahren hat die Einführung von KI-Servern mit einer großen Anzahl von GPUs jedoch sowohl die Leistungsdichte als auch die Wärmeentwicklung pro Rack deutlich erhöht.
Die IEA geht davon aus, dass beschleunigte Rechenserver für KI einen Großteil des bis 2030 steigenden Strombedarfs von Rechenzentren ausmachen werden, und weist gleichzeitig darauf hin, dass der daraus resultierende Bedarf an Kühlung und anderer Infrastruktur nicht außer Acht gelassen werden darf. ^*3　
Die Weiterentwicklung von Rechenzentren wird daher weniger durch das einfache Hinzufügen weiterer Server vorangetrieben, sondern vielmehr durch die Steigerung der Leistung und Wärmemenge, die von jedem Rack und System bewältigt werden kann.​
Aus diesem Grund wandelt sich die Ausstattung von Rechenzentren von einer einfachen Anordnung von IT-Geräten hin zu einer Konfiguration, die Systeme für eine stabile Stromversorgung, redundante Systeme zur Vermeidung von Ausfallzeiten bei Stromausfällen oder Spannungseinbrüchen sowie Mechanismen zur effizienten Abfuhr der entstehenden Wärme kombiniert.​
Der DOE-Designleitfaden beschreibt die Planung von Rechenzentren als integrierte Optimierung von IT-Ausrüstung, HLK-Anlagen, Kühlung und elektrischen Systemen. Er stellt einen umfassenden Designansatz vor, der elektrische Systeme wie PDUs und USV-Anlagen, Luftstrommanagement und Flüssigkeitskühlsysteme einschließt. ^*4

*3: Energy and AI – Analysis – IEA*4: Best Practices Guide for Energy-Efficient Data Center Design

In Rechenzentren ist die Vermeidung von Stromausfällen noch wichtiger als in allgemeinen Gebäuden. Daher ist ein auf redundanten Konfigurationen wie 2N und N+1 basierendes Stromversorgungskonzept unerlässlich. Solche Konzepte wandeln die eingehende Energie nicht nur effizient um und verteilen sie an die einzelnen Komponenten, sondern gewährleisten auch den unterbrechungsfreien Betrieb bei Störungen oder Ausfällen.
Der DOE-Designleitfaden beschreibt ein Stromversorgungssystem für Rechenzentren als eine Konfiguration, die Netzstrom, Notstromaggregate, USV-Anlagen, PDUs und zugehörige Geräte kombiniert. Er stellt außerdem einen Ansatz vor, der mehrere USV-Anlagen und PDUs zur Gewährleistung von Redundanz einsetzt. ^*5　
Da die Effizienz von USV-Anlagen bei geringer Auslastung sinkt, kann der Einsatz mehrerer kleinerer oder modularer USV-Anlagen die Aufrechterhaltung einer angemessenen Auslastung verbessern. ^*5,6 ENERGY STAR weist zudem darauf hin, dass die Reduzierung von USV-Verlusten und die optimale Steuerung der Auslastung direkt zu Energieeinsparungen beitragen. Bei einigen Modellen kann die Nutzung des Eco-Modus die Stromkosten zusätzlich senken. ^*6,7　
Daher werden bei der Gestaltung zukünftiger Rechenzentren nicht nur die verbrauchte Energiemenge, sondern auch die Energieverteilung innerhalb der Anlage, die Reduzierung von Verlusten und die Konfiguration von Backup-Systemen wichtige Aspekte sein.
Als Reaktion auf die rasante Expansion von KI-Rechenzentren empfiehlt das US-Energieministerium (DOE) in einer Empfehlung aus dem Jahr 2024, neue Strategien für die Notstromversorgung und flexible Betriebsmethoden für Rechenzentren zu fördern. ^*8 Darin wird betont, dass neben konventioneller Notstromversorgung auch Batteriespeicher, alternative Energiequellen, Langzeitspeicher und die Nutzung von Netzdienstleistungen berücksichtigt werden müssen. Virtuelle Kraftwerke und Mikronetze können hierbei als Ausgangspunkt dienen. ^*8　
Dieser Trend zeigt, dass sich zukünftige Rechenzentren von reinen Energieverbrauchseinrichtungen zu Infrastrukturen entwickeln, die ein fortschrittliches Energiemanagement beherrschen und gleichzeitig hohe Lasten bewältigen müssen.

*5: Best Practices Guide for Energy-Efficient Data Center Design*6: Reduce Energy Loss from Uninterruptible Power Supply Systems*7: Uninterruptible Power Supplies*8: Powering AI and Data Center Infrastructure: Recommendations

In Rechenzentren wird der größte Teil der verbrauchten Energie letztendlich in Wärme umgewandelt, weshalb die Kühlung ein zentraler Bestandteil des Betriebs ist.
Die DOE-Designrichtlinie betrachtet das Luftstrommanagement als wichtige Maßnahme, um die Vermischung von zugeführter Kaltluft mit der Abluftwärme der Server zu verhindern und die erforderliche Kühlmenge an den benötigten Stellen bereitzustellen. ^*9　
Insbesondere Warmgang-/Kaltgangkonfigurationen, die die Zuluft- und Abluftseite der Racks klar trennen, sind ein grundlegendes Konzept in hochdichten Rechenzentren. Eine optimale Planung kann zu geringeren Betriebskosten, einem reduzierten Risiko von Verarbeitungsunterbrechungen und einer verbesserten Leistungsdichte führen.
In luftgekühlten Rechenzentren können selbst geringfügige Luftleckagen oder Störungen im Luftstrom die Kühlleistung erheblich beeinträchtigen. Das US-Energieministerium (DOE) und ENERGY STAR nennen die Vermeidung der Vermischung von Kalt- und Abluft, die Reduzierung unnötiger Bypass-Luftströme und die Optimierung der Öffnungen innerhalb und außerhalb der Racks als wirksame Energiesparmaßnahmen. ^*10　
ENERGY STAR weist darauf hin, dass durch das ordnungsgemäße Abdecken ungenutzter Rackplätze in manchen Fällen Energieeinsparungen von 1–2 % pro Rack erzielt werden können. Fallstudien des US-Energieministeriums (DOE) bestätigen zudem, dass eine verbesserte Luftstromführung die Kühlleistung erhöhen und den Stromverbrauch der Lüfter reduzieren kann. ^*11　
Wichtige Konstruktionselemente in Rechenzentren umfassen daher nicht nur großflächige Kühlanlagen, sondern auch eine präzise Luftstromkontrolle um die Racks herum und die Unterdrückung von Luftleckagen.​
Bei Servern mit hoher Packungsdichte darf der Stromverbrauch der internen Serverlüfter nicht vernachlässigt werden. Der Designleitfaden des US-Energieministeriums (DOE) erklärt, dass mit steigender Einlasstemperatur des Servers auch die Drehzahl der internen Lüfter zunimmt. Beispielsweise kann ein Anstieg von 77 °F auf 91 °F die Lüfterdrehzahl um etwa 30 % erhöhen und die Lüfterleistung mehr als verdoppeln.
Aus diesem Grund ist es wichtiger, die thermische Umgebung am Servereinlass zu stabilisieren, anstatt lediglich die Raumtemperatur zu erhöhen. Für GPU-Server mit hoher Wärmeentwicklung empfiehlt das US-Energieministerium (DOE) zudem den Einsatz einer direkten Flüssigkeitskühlung. Zukünftig dürften Mechanismen, die Wärme mithilfe von Flüssigkeiten anstatt nur durch Luftzirkulation transportieren, zunehmend an Bedeutung gewinnen.

*9: Best Practices Guide for Energy-Efficient Data Center Design*10: Manage Airflow for Cooling Efficiency | ENERGY STAR*11: DOE AM Tool–User’s Manual v3.1 (7-25-2023).pdf

Die Umweltauswirkungen von Rechenzentren lassen sich nicht allein anhand des Stromverbrauchs vollständig beurteilen.
Das US-Energieministerium (DOE) gibt an, dass in Rechenzentren mit Wasserkühlung oder Kühltürmen der Wasserverbrauch nicht nur von der durch die IT-Geräte erzeugten Wärme, sondern auch von der Effizienz der einzelnen Wärmeabfuhrstufen abhängt. Es führt die Wassernutzungseffizienz (WUE) als Bewertungskriterium an. ^*12　
Auch in der EU wurde ein Berichtssystem eingerichtet, um neben Daten zur Energieeffizienz auch Daten zum Wasserfußabdruck zu erfassen und zu veröffentlichen. ^*13 Künftig werden Rechenzentren nicht nur nach ihrer Rechenleistung, sondern auch nach ihrer Effizienz bei minimalem Strom- und Wasserverbrauch bewertet.
Aus diesem Grund benötigen zukünftige Rechenzentren nicht nur eine verbesserte Serverleistung, sondern auch eine effiziente Stromversorgung, einen stabilen Betrieb bei Ausfällen sowie eine optimierte Luft- und Flüssigkeitsströmung zur effektiven Wärmeableitung.​
Mit anderen Worten, wir glauben, dass wir in eine Ära eingetreten sind, in der die Wettbewerbsfähigkeit eines Rechenzentrums nicht mehr allein von der IT-Ausrüstung abhängt, sondern von der Gestaltungsfähigkeit der umgebenden Infrastruktur: wie Strom, Wärme und Wasser gehandhabt werden.

*12: LBest Practices Guide for Energy-Efficient Data Center Design*13: Energy performance of data centres – Energy – European Commission