KI macht Rechenzentren hybrid: Luft- und Flüssigkeitskühlung im Zusammenspiel

Generative KI stellt Rechenzentren vor eine neue Dimen­sion der Leistungsdichte. Leistungsfähige GPUs und andere Beschleunigerchips erzeugen deutlich mehr Wärme als klassische Unternehmens-IT. Je mehr Rechenleistung auf engem Raum gebündelt wird, desto schwieriger wird es, die Abwärme über die Raumluft abzuführen.

Flüssigkeitskühlung setzt genau hier an. Bei Direct-to-Chip-Systemen nehmen sogenannte Cold Plates die Wärme direkt an den besonders leistungsintensiven Komponenten auf und transportieren sie aus dem Server. Hohe Wärmelasten lassen sich so gezielt abführen, ohne grosse Mengen gekühlter Luft durch den Raum bewegen zu müssen. Doch KI ist nur ein Teil der IT-Landschaft. Speicher, Netzwerkkomponenten, Standardserver und klassische Unternehmensanwendungen benötigen weiterhin konventionelle Kühlung. Für viele dieser Systeme bleibt Luftkühlung eine bewährte Lösung. Die entscheidende Frage lautet deshalb nicht «Luft oder Flüssigkeit?», sondern: «Wo ist welche Technologie sinnvoll?»

Das Rechenzentrum wird zur hybriden Kühlumgebung

In einer hybriden Architektur können hochverdichtete KI-Racks mit Direct-to-Chip-Flüssigkeitskühlung ausgestattet werden, während bestehende IT-Umgebungen über die vorhandene Luftkühlung versorgt werden. Eine mögliche Brücke zwischen beiden Welten sind Rear-Door Heat Exchanger. Die Wärmetauscher werden an der Rückseite eines Racks installiert und führen die erwärmte Abluft ab, bevor sie in den Serverraum gelangt. So lassen sich höhere Leistungsdichten unterstützen, ohne sämtliche Server auf Flüssigkeitskühlung umzustellen. Welche Variante geeignet ist, hängt von Leistungsdichte, Hardware, Platzangebot und den technischen Voraussetzungen des Standorts ab. Für IT-Verantwortliche wird die Kühltechnologie damit zu einem Bestandteil der Kapazitäts- und Investitionsplanung.

Bestandsrechenzentren: KI nachrüsten, statt alles neu bauen

Besonders relevant wird das Thema für bestehende Rechenzentren. Viele Standorte wurden für deutlich niedrigere Leistungsdichten konzipiert. Stromversorgung, Kühlung, Flächenplanung und Gebäudetechnik können deshalb schnell zum limitierenden Faktor werden, wenn zusätzliche KI-Kapazitäten installiert werden sollen. Ein kompletter Umbau ist dabei nicht immer sinnvoll. Er ist kostenintensiv, technisch komplex und kann den laufenden Betrieb geschäftskritischer Systeme beeinträchtigen.

Modularität wird zum entscheidenden Prinzip

Statt das gesamte Rechenzentrum neu zu planen, lassen sich einzelne Racks oder Leistungszonen für KI ertüchtigen. Je nach Ausgangslage kommen unterschiedliche Lösungen infrage – von Rear-Door Heat Exchangern über Liquid-to-Air-Systeme bis hin zu rackbasierten Direct-to-Chip-Konzepten. Liquid-to-Air-Systeme können insbesondere bei kleineren Nachrüstungen interessant sein, wenn keine direkte Anbindung an einen wasserbasierten Gebäudekreislauf vorhanden ist. Die Flüssigkeit nimmt die Wärme innerhalb des IT-Systems auf und gibt sie über einen Wärmetauscher an die Umgebungsluft ab. Bei grös­seren Installationen können Coolant Distribution Units (CDUs) eingesetzt werden. Sie versorgen mehrere Racks mit Kühlmittel und bilden die Schnittstelle zwischen den Kühlkreisläufen der IT und der Gebäudekühlung. Damit lässt sich der Ausbau schrittweise am tatsächlichen Bedarf ausrichten – und die bestehende Infrastruktur bleibt dort erhalten, wo sie ihren Zweck erfüllt.

Kühlung wird zur gemeinsamen Aufgabe von IT und Facility Management

Mit Flüssigkeitskühlung verschmelzen IT- und Gebäudetechnik stärker miteinander. Cold Plates, Rohrleitungen, CDUs, Wärmeübertragung und Gebäudekühlung bilden ein zusammenhängendes System. Das verändert auch den Betrieb. Temperatur, Druck und Durchfluss müssen überwacht werden. Kühlmittelqualität und Leckageerkennung gewinnen an Bedeutung. Gleichzeitig müssen Stromversorgung und Kühlung auf dynamische KI-Lasten abgestimmt werden, denn Leistungsaufnahme und Wärmeentwicklung können sich abhängig von der Auslastung kurzfristig verändern.

Für IT-Entscheider bedeutet das: Die Integration von KI endet nicht beim Server. Stromversorgung, Kühlung, IT-Hardware und Gebäudetechnik müssen als Gesamtsystem geplant und betrieben werden. Monitoring- und DCIM-Lösungen können dabei Transparenz schaffen. Werden Daten zu Energieverbrauch, Temperaturen, Kühlleistung und Gerätezuständen zentral zusammengeführt, lassen sich Abweichungen frühzeitig erkennen und Kapazitäten gezielter planen.

Heute investieren, ohne morgen an Grenzen zu stossen

Eine zusätzliche Herausforderung ist die Geschwindigkeit der KI-Entwicklung. Neue Generationen von Prozessoren und Beschleunigern können höhere Leistungsdichten und veränderte Kühlungsanforderungen mitbringen. Die In­frastruktur sollte deshalb Erweiterungen ermöglichen, ohne überdimensioniert zu werden. Zu knapp ausgelegte Leitungen, Anschlüsse oder CDUs können spätere Upgrades erschweren. Eine grosszügige Auslegung auf Verdacht bindet dagegen Kapital in Kapazitäten, die möglicherweise lange nicht benötigt werden.

Auch hier können modulare Architekturen helfen. Unterschiedliche Leistungszonen ermöglichen es, besonders dichte KI-Systeme mit Flüssigkeitskühlung auszustatten, während klassische Unternehmens-IT auf der bestehenden Infrastruktur weiterläuft. So kann die Infrastruktur Schritt für Schritt mit dem tatsächlichen Bedarf wachsen.

Abwärme: vom Nebenprodukt zum Standortfaktor

Mit steigenden IT-Lasten gewinnt eine weitere Frage an Bedeutung: Was geschieht mit der Wärme? Bei geeigneten Temperaturen und entsprechender Infrastruktur kann Abwärme perspektivisch etwa zur Beheizung von Gebäuden oder zur Einspeisung in Wärmenetze genutzt werden. Ob sich ein solches Konzept technisch und wirtschaftlich lohnt, hängt von den Bedingungen vor Ort ab, etwa vom Temperaturniveau, der Entfernung zu potenziellen Abnehmern und der vorhandenen Infrastruktur.

Damit erweitert sich die Standortplanung von Rechenzentren. Neben Stromversorgung, Netzanschluss, Fläche und Kühlung kann künftig auch relevant werden, wie sich die entstehende Wärme in ein lokales Energiekonzept integrieren lässt.

Hybride Kühlung schafft Spielraum für KI

Die Kühlung von KI-Rechenzentren ist keine Entweder-oder-Entscheidung. Luft- und Flüssigkeitskühlung werden auf absehbare Zeit nebeneinander bestehen – und zunehmend gemeinsam eingesetzt werden. Für bestehende Rechenzentren eröffnet das die Möglichkeit, KI-Kapazitäten schrittweise aufzubauen, ohne die gesamte Infrastruktur ersetzen zu müssen. Für neue Standorte bietet ein hybrider Ansatz die Chance, unterschiedliche Leistungsdichten und künftige Hardwaregenerationen mitzudenken.

Für IT-Entscheider wird damit ein ganzheitlicher Blick entscheidend: Wer IT, Energieversorgung, Kühlung und Gebäudetechnik als ein System plant, schafft die Grundlage für skalierbare KI-Infrastrukturen und bewahrt zugleich die Flexibilität für die nächste Generation von Hardware und Anwendungen.

Bastian Schammann, Head of Sales Data Center Segment DACH, Schneider Electric