Nachhaltigere Rechenzentren

Mit dem Aufkommen der generativen künstlichen Intelligenz (KI) haben sich Rechenzentren zu einem immer wichtigeren Teil der technologischen Infrastruktur der Welt entwickelt. Gleichzeitig verbrauchen sie jedoch auch immer mehr Strom.

Laut IEA entfielen im Jahr 2022 schätzungsweise 1,3 % des weltweiten Strombedarfs auf Rechenzentren. Fast allen Berichten nach wird erwartet, dass diese Zahl weiterhin schnell ansteigt, da die Menge an Daten und Berechnungen, die in der Cloud verarbeitet werden, weiter zunimmt. Das ist eine Herausforderung für eine Welt, in der das weltweite Wachstum des Strombedarfs bis 2026 bereits auf durchschnittlich mehr als 3 % pro Jahr geschätzt wird. Der wachsende Wettbewerb um Elektrizität durch die steigende Verbrauchernachfrage, die zunehmende Nutzung von Elektrofahrzeugen, das vermehrte Heizen und Kühlen aufgrund des globalen Klimawandels, Smart Cities und die Elektrifizierung von Industrieunternehmen bedeuten, dass Rechenzentren effizienter werden müssen, um ihr volles Potenzial auszuschöpfen.

Erfreulicherweise entwickeln Ingenieure bereits Innovationen, um die Nachhaltigkeit von Rechenzentren zu erhöhen. Das wachsende Datenvolumen und die zunehmende Geschwindigkeit, mit der Informationen übertragen werden, bedeuten, dass selbst scheinbar kleine Verbesserungen bei den Kabeln, Steckverbindern und Wärmeableitungsgeräten, die in den heutigen Rechenzentren verwendet werden, einen enormen Einfluss auf die Menge an Energie haben können, die sie verbrauchen. Insbesondere, wenn man bedenkt, dass sich dieser Effekt über Millionen – oder sogar Milliarden – von Verbindungen in einem modernen Rechenzentrum vervielfacht. 

Jedes Mal, wenn Strom fließt, müssen Widerstandsverluste überwunden werden. Je größer die Entfernung ist, über die der Strom bewegt wird, desto mehr Widerstand muss auch überwunden werden. Dadurch reduziert sich die Menge an nutzbarem Strom, die das endgültige Ziel erreicht.

Darüber hinaus erzeugt der „verschwendete“ Strom Wärme. Daher ist zusätzliche Energie erforderlich, um das Rechenzentrum zu kühlen, damit es innerhalb der vorgesehenen Spezifikationen arbeitet. Wenn man die Strommenge, die über einen einzigen Meter Kabel verloren geht, mit der Anzahl der Meter Kabel in einem Millionen Quadratmeter großen Rechenzentrum multipliziert, erhält man unweigerlich eine sehr große Zahl. Indem dieser Widerstandsverlusts reduziert wird, kann ein größerer Teil des Stroms, den Rechenzentren kaufen, tatsächlich für die Stromversorgung ihrer Geräte verwendet werden. Weniger verschwendeter Strom bedeutet einen niedrigeren Gesamtverbrauch.

Rechenzentren haben bereits erfolgreich Widerstandsverluste reduziert, indem sie Strom mit höherer Spannung übertragen. Dadurch sinkt der Strombedarf pro Energieeinheit und damit der beim Bewegen des Stroms erzeugte Widerstand. Ein Großteil der Branche hat auf 48-Volt-Verteilungssysteme umgestellt, und Rechenzentren setzen möglicherweise in Zukunft auf Verteilungssysteme mit höherer Spannung, um weitere Reduzierungen zu erzielen. Kabel mit größerem Durchmesser, die eine größere Strommenge aufnehmen können, können auch den Widerstandsverlust reduzieren.

Jede Verbindung zwischen Kabeln und Geräten stellt eine weitere Möglichkeit für Widerstandsverluste dar. Niederohmige Sammelschienen und Steckverbinder können dazu beitragen, diese Verluste zu reduzieren. Auch wenn diese Reduzierungen bei Betrachtung eines einzelnen Steckverbinders gering erscheinen, wächst die Gesamtauswirkung bei der hohen Anzahl von Verbindungen, die ein großes Rechenzentrum benötigt, schnell.

Die Fähigkeit, Daten schneller zu übertragen, ist für KI, Rechenzentren und die von ihnen unterstützten Aktivitäten von entscheidender Bedeutung. Je schneller jedoch große Datenmengen übertragen werden, desto schwieriger wird es für Verbindungen an den Enden des Kabels, diese Kapazität zu bewältigen. Passive Verbindungen verbrauchen keinen zusätzlichen Strom, um Daten vom Kabel zum Gerät zu übertragen. Es gibt allerdings eine Grenze für die Entfernung, über die passive Verbindungen Daten mit einer bestimmten Geschwindigkeit übertragen können, während gleichzeitig Signalverluste und -verschlechterungen minimiert werden. Aktive Verbindungen können mehr Daten weiter und schneller übertragen, allerdings mit erheblichem Stromverbrauch.

Bei TE Connectivity arbeiten wir daran, Kabel und Steckverbinder zu verbessern, um die Fähigkeiten passiver Verbindungen zu maximieren. Je länger die Kabel sein können, bevor sie aktive Verbindungen benötigen, um die Signalintegrität aufrechtzuerhalten, desto besser können sie Cloud- und KI-Gerätecluster bedienen. Lösungen, die externe Kabel oder eine Kombination aus externen und internen Kabeln anstelle von Leiterplatten verwenden, können die Strom- und Datenlatenz weiter reduzieren. Mit der richtigen Kombination dieser Faktoren können im Rechenzentrum passivere Verkabelung verwendet und gleichzeitig höhere Übertragungsgeschwindigkeiten beibehalten werden, wodurch der Energieverbrauch gesenkt wird.

Steckverbinder spielen auch eine wichtige strategische Rolle bei der Unterstützung künftiger Nachhaltigkeitsbemühungen. Die Möglichkeit, Designs rund um Standardsteckverbinder zu modularisieren, ermöglicht es Rechenzentren, ihre Geräte einfacher aufzurüsten, wenn Innovationen auf den Markt kommen, die eine schnellere Datenübertragung mit höherer Bandbreite bieten. Im Gegensatz dazu ist es bei festverdrahteten Lösungen ohne Steckverbinder viel schwieriger, ältere Geräte so aufzurüsten, dass ihre Funktionsfähigkeit oder Effizienz verbessert wird. Das Fehlen einer einfachen Upgrade-Möglichkeit führt dazu, dass mehr Geräte entsorgt werden müssen und verringert die Flexibilität eines Rechenzentrums, effizientere Elektronik oder Konfigurationen zu nutzen, sobald diese verfügbar sind. Steckverbinder sind ein Schlüsselelement für die Unterstützung eines zirkulären Ökosystems in großen Rechenzentren.

Alle Geräte in einem Rechenzentrum erzeugen Wärme  Erhöhte Betriebstemperaturen verringern die Zuverlässigkeit von Produkten und Komponenten, was wiederum das Potenzial für Ausfallzeiten erhöht.

Da die Übertragungsgeschwindigkeiten und -entfernungen die Grenzen der Kupferverkabelung überschreiten, wird bei der Umstellung auf optische Kabel die Wärme zu einem noch größeren Problem. Optische Komponenten reagieren wesentlich empfindlicher auf die Betriebstemperatur als passive Kupferkabel und -steckverbinder.

Ebenso wie Elektronen bei der Bewältigung von Widerstandsverlusten zur Nachhaltigkeit beitragen, zählt beim Umgang mit Wärme jede thermische Einheit. Die erhöhte Wärmelast durch „verschwendeten“ Strom zwingt Rechenzentren dazu, in noch größerem Maße Ventilatoren und Klimaanlagen einzusetzen, um die Geräte kühl zu halten – was den Energiebedarf noch weiter erhöht. Das bedeutet, dass Rechenzentren jeden Teil ihrer Infrastruktur genau unter die Lupe nehmen müssen, um Möglichkeiten zur Wärmereduzierung und Energieeinsparung zu finden.

Effiziente Wärmemanagementlösungen, unter anderem Kühlkörper, sind hierbei ein unverzichtbares Instrument. Um eine maximale Kühlleistung durch forcierte Luft- oder Flüssigkeitskühlung zu erzielen, muss der Durchgangswiderstand zwischen heißen elektrischen Komponenten und den Kühlflächen minimiert werden – vor allem, wenn diese Oberflächen nicht vollständig eben sind. Luftspalten zwischen den Oberflächen verringern die Effizienz der Wärmeübertragung, selbst auf der Ebene der Mikroschnittstellen. Das konforme Plattendesign von TE Connectivity für Kühlkörperverbindungen bietet eine bis zu zweimal bessere Wärmeübertragung als herkömmliche Lösungen wie Abstandspads und Wärmeleitpasten. Die Nähe dieser Verbindungen ist wichtig für die Nachhaltigkeit, da die von den Geräten erzeugte Wärme fast exponentiell ansteigt, je mehr der Stromverbrauch dieser Geräte zunimmt.

Rechenzentrumsbetreiber wissen, dass sie ihren Stromverbrauch senken müssen, um die Zukunft der Branche zu sichern, insbesondere angesichts der Weiterentwicklung der KI-Technologie. TE hilft seinen Kunden dabei, dieses Ziel mithilfe unserer Produktinnovationen zu erreichen. Außerdem liegt uns als Ingenieuren das Helfen sozusagen im Blut. Teil der Lösung zu sein, ist Teil des Ingenieursdaseins: 87 % der Ingenieure geben an, dass es ihnen persönlich
wichtig ist, Lösungen für den Klimawandel zu unterstützen, so der TE Connectivity Industrial Technology Index 2024. Jede inkrementelle Reduzierung des Widerstands oder der Wärme durch Innovationen in Rechenzentren mag für sich genommen nur eine kleine Auswirkung haben. Aber wenn sie in großen Mengen eingesetzt wird, vervielfacht sich die Wirkung. Diese Bemühungen werden entscheidend sein, um das Wachstum der Rechenzentrumstechnologie sowie der Branchen und Anwendungen, die darauf angewiesen sind, aufrechtzuerhalten.