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Computing Server Architecture with Joint Power and Cooling Integration at the Nanoscale

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Mehr Rechenleistung, weniger Energieverbrauch

Die heutigen Rechenzentren leiden unter einem Effizienzproblem: Ein Großteil der Energie wird nicht für die Datenverarbeitung, sondern für die Kühlung der Server verbraucht. Im EU-finanzierten Projekt COMPUSAPIEN wird eine neue Serverarchitektur ausgearbeitet, die dieses Problem lösen könnte.

Digitale Wirtschaft

Mit der voranschreitenden digitalen Revolution steigt auch die Nachfrage nach mehr Rechenleistung. Leider ist die derzeitige Halbleitertechnologie nicht besonders energieeffizient, was bedeutet, dass auch die Server und Cloud-Technologien, die von ihnen abhängen, ineffizient sind. Tatsächlich werden bis zu 40 % der Energie eines Servers nur für seine Kühlung verbraucht. „Diese Problematik wird durch die Tatsache verschärft, dass die komplexe Konstruktion eines modernen Servers zu einer hohen Betriebstemperatur führt“, erklärt David Atienza Alonso, Leiter des Embedded Systems Laboratory (ESL) an der Eidgenössischen Technischen Hochschule Lausanne (EPFL). „Das hat zur Folge, dass Server nicht ohne eine Gefahr von Überhitzung und Systemausfällen ihr volles Potenzial ausschöpfen können.“ Die Europäische Union (EU) hat zur Bewältigung dieses Problems mehrere Maßnahmen zur Bekämpfung des steigenden Energieverbrauchs von Rechenzentren ergriffen, darunter den EU-Verhaltenskodex für die Energieeffizienz von Datenzentren der Gemeinsamen Forschungsstelle. Laut Atienza Alonso erfordert die Erreichung der Ziele dieser Richtlinien eine Überarbeitung der Serverarchitektur für die Datenverarbeitung und der Kennzahlen zur Messung ihrer Effizienz – genau das strebt das Projekt COMPUSAPIEN (Computing Server Architecture with Joint Power and Cooling Integration at the Nanoscale) an. „Das Projekt zielt darauf ab, die derzeitige Serverarchitektur für die Datenverarbeitung vollständig zu überarbeiten, um ihre Energieeffizienz und die der von ihnen versorgten Rechenzentren drastisch zu verbessern“, erklärt Atienza Alonso, der als Hauptforscher des Projekts fungiert.

Das Rätsel der Kühlung

Im Mittelpunkt des vom Europäischen Forschungsrat finanzierten Projekts steht eine bahnbrechende 3D-Architektur, mit der die größten bei Servern auftretenden Strom- und Kühlungsprobleme überwunden werden können. Was diese geänderte Konstruktion so einzigartig macht, ist die Verwendung einer heterogenen Architekturvorlage mit mehreren Kernen und einem integrierten mikrofluidischen Brennstoffzellennetzwerk auf dem Chip, das es dem Server ermöglicht, gleichzeitig Kühlung und Strom bereitzustellen. Nach Ansicht von Atienza Alonso stellt diese Konstruktion die ultimative Lösung für das Problem der Serverkühlung dar. „Dieser integrierte 3D-Kühlungsansatz, bei dem winzige mikrofluidische Kanäle zur Kühlung von Servern und zur Umwandlung von Wärme in Strom verwendet werden, hat sich als sehr wirksam erwiesen“, sagt er. „Damit wird garantiert, dass 3D-Serverchips mit mehreren Kernen, die mit den neuesten Prozesstechnologien im Nanometerbereich hergestellt werden, nicht überhitzen und daraufhin nicht mehr funktionieren.“

Eine grünere Cloud

Atienza Alonso schätzt, dass die neue Vorlage für eine heterogene 3D-Rechenarchitektur, bei der die für die Kühlung aufgewendete Energie durch die integrierten mikrofluidischen Zell-Array-Kanäle wiederverwertet wird, 30-40 % der Energie zurückgewinnen könnte, die normalerweise in Rechenzentren verbraucht wird. Da in der Zukunft mit weiteren Verbesserungen dieser Technologie zu rechnen ist, werden der Energieverbrauch (und die Umweltauswirkungen) eines Rechenzentrums deutlich sinken, da mit der gleichen Energiemenge mehr Rechenarbeit geleistet werden kann. „Dank der Integration neuer optimierter Rechenarchitekturen und Beschleuniger kann die nächste Generation von Arbeitslasten in der Cloud (z. B. Deep Learning) viel effizienter ausgeführt werden“, fügt Atienza Alonso hinzu. „Infolgedessen können die Server in den Rechenzentren mit viel weniger Energie viel mehr Anwendungen versorgen, wodurch sich der CO2-Fußabdruck des IT- und Cloud-Computing-Sektors erheblich verringert.“

Schlüsselbegriffe

COMPUSAPIEN, Server, Computing, Rechenleistung, Halbleiter, Energieeffizienz, Deep Learning, Cloud-Computing

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