Gehäuse und Schaltschränke Passende Kühlkonzepte für steigende Rechnerleistungen

Verbesserung der Energieeffizienz bei Rechnersystemen geben den Takt vor
Verbesserung der Energieeffizienz bei Rechnersystemen geben den Takt vor

Die steigende Leistungsdichte und die Verbesserung der Energieeffizienz geben bei aktuellen Rechnersystemen den Takt vor. Diese müssen gekühlt werden - beispielsweise mit Konzepten, wie sie Pentair bei Schroff-VME-, CompactPCI-, CompactPCI-Serial-, MicroTCA- und AdvancedTCA-Systemen verwendet.

Über Jahrzehnte hinweg haben sich die Rechenleistungen der Prozessoren kontinuierlich erhöht; gleichzeitig ist auch die Leistungsdichte im Chassis exponentiell angestiegen. Das wirkt sich natürlich auch auf die Verlustleistungen aus. Bei VME- oder CompactPCI-Systemen waren vor einigen Jahren noch 20 bis 30 W Verlustleistung typisch, heute liegen sie üblicherweise bei 40 bis 50 W. Bei AdvancedTCA-Systemen ist die Zunahme noch deutlicher. Hier wurden 2002 in der Spezifikation 200 W Verlustleistung pro Front Board und 15 W pro Rear Board definiert, schon im Hinblick auf zukünftige Verlustleistungen. Heute sind das im Feldeinsatz bereits 300 W, und die nächste Generation an AdvancedTCA Blades, die auch schon am Markt verfügbar ist, liegt bei 400 W pro Front Board und 50 W pro Rear Board. Zukünftige Anforderungen des Telekommunikationsmarktes lassen für die nahe Zukunft bis zu 2 kW pro Board erwarten. Allerdings wären die Boards dann auch doppelt so groß wie heute.

Bei CompactPCI- und CompactPCI-Serial-Systemen ist diese Entwicklung zwar auch vorhanden, aber nicht so extrem. Bei MicroTCA-Systemen mit ihren relativ kleinen Formfaktoren liegen die Verlustleistungen pro Board inzwischen auch schon bei 50 W im Single-Formfaktor und 80 W bei den Double-Modulen. Betrachtet man aktuelle VPX-Systeme, so können dort laut Spezifikation theoretisch bis zu 450 W oder mehr an Verlustleistung pro Slot anfallen.

Kühlung wird zum wichtigen Faktor

Bei geringeren Verlustleistungen ist eine Lüftungsoptimierung nicht zwingend notwendig. Luftkurzschlüsse, Lecks oder schlecht ausgelegte Lüftungskonzepte können hier oft einfach durch die Auswahl von stärkeren Lüftern kaschiert werden.

Selbst entgegenwirkende Lüftungskonzepte sind teilweise in einem Schrank anzutreffen. So kühlt das eine System von links nach rechts und das direkt darüber eingebaute von rechts nach links, saugt somit die Wärme des unteren Systems ein. Bei geringen Verlustleistungen ist dies wenig problematisch, bei den aktuell umgesetzten Leistungen führen solche Konfigurationen jedoch sofort zur Überhitzung und zum Abschalten des Systems.

Luftführung optimieren

Heute muss man bereits bei der Planung des Systems die notwendige Kühlung im Auge behalten (Bild 1). Denn große Kühlkörper zum Abführen der Wärme oder sehr dicht bestückte Boards bedeuten einen höheren Luftwiderstand für die Kühlung. Kombiniert man einfach IO-Karten mit wenig Leistung und wenig Luftwiderstand mit Hochleistungs-Boards mit großem Luftwiderstand, so ist es ganz wichtig, auf eine optimale Luftführung im Chassis zu achten.

Die kalte Luft geht natürlich den Weg des geringsten Widerstands und nicht dahin, wo sie am ehesten gebraucht wird. Die Luft strömt durch ungenutzte Slots oder es entstehen Kurzschlüsse oder Bypässe durch unbestückte Steckplätze, die durch die sinnvolle Anordnung der Boards und eine entsprechende Luftführung vermieden werden können. Pentair bietet z.B. Air Baffles an, um leere Slots abzudecken und somit mehr Luft zu den bestückten Steckplätzen zu leiten.

Bei Systemen mit immer gleicher Konfiguration wird z.B. ein sogenanntes Slot Balancing (Bild 2) integriert – ein Gitter, das unter dem Kartenkorb eingebaut wird und bestimmte Slots mehr oder weniger blockiert und die Luft zu anderen Slots umleitet.

Durch thermische Messungen und Simulationen im Pentair-eigenen Klimalabor wird die Luftführung in den Systemen für die Kunden optimiert. Diese Tests und Luftmessungen werden auch mit Kunden-Boards bestückt durchgeführt, um realistische Ergebnisse zu erhalten.

Anwender sollten bei der Angabe solcher Luftmessungen durch die Hersteller immer auch die angegebenen Randbedingungen beachten, unter denen die Messung stattgefunden hat. Nur bei gleichen Rahmenbedingungen sind auch die Ergebnisse vergleichbar. Manche Hersteller führen eine sogenannte CPTA-Messung mit definierten Randbedingungen durch oder sie geben alle Randbedingungen der Messung extra an. Nur so können Messungen auch von Anwendern nachvollzogen und mit anderen Produkten verglichen werden. Die CPTA, die inzwischen in die PICMG integriert wurde, hat ein standardisiertes Messverfahren für Ad­vancedTCA entwickelt, das eine Leiterkarte mit einem spezifischen Luftwiderstand und vier Luftstrom-Sensoren in den einzelnen Zonen, verteilt über die Tiefe der Karte, definiert. Für andere Bustechnologien gibt es noch keine offiziellen, standardisierten Messverfahren. Daher hat Pentair für MicroTCA eigene Referenzkarten mit einem typischen Luftwiderstand und dem größten Widerstandswert von am Markt vorhandenen Leiterkarten definiert. Auch für CompactPCI, CompactPCI Serial und VME sind entsprechende Referenzkarten in Arbeit

Lüftungs-/Kühlungsarten für normale Systeme

Die Nutzung der natürlichen Konvektion (von lat. convehere = mittragen, mitnehmen) ist die einfachste und preiswerteste Methode, um Wärme abzuführen. Sie kann aber nur dann effektiv eingesetzt werden, wenn die Umgebungstemperatur deutlich unter der geforderten Innentemperatur liegt. Bei einer Raumtemperatur von 20 oder 25 °C können so etwa 10 W pro Steckplatz abgeführt werden.

Die am weitesten verbreitete Lösung ist die forcierte Luftkühlung, die in sehr vielen Fällen ausreichend ist – selbst bei aktuellen Hochleistungssystemen. Lüfter oder Lüftereinschübe unterstützen hier die natürliche Konvektion oder ermöglichen diese, wenn der Luftwiderstand der eingebauten Komponenten für die natürliche Konvektion zu groß ist. Auch hier muss die Umgebungstemperatur deutlich unter der geforderten Innentemperatur liegen. Typische Werte sind zum Beispiel 10 K Temperaturerhöhung im Slot oder im Chassis. Einzelne Komponenten auf den Steckkarten, z.B. Prozessoren, können dabei jedoch deutlich wärmer werden.

Bei der forcierten Luftkühlung unterscheidet man zwei grundsätzlich verschiedene Ansätze: Push-Kühlung und Pull-Kühlung (Bild 3). Bei der Push-Kühlung sitzen die Ventilatoren unter den zu kühlenden Boards und drücken (Push) die Luft an den heißen Bauteilen vorbei. Im Gegensatz dazu sind bei der Pull-Kühlung die Ventilatoren oberhalb der Boards angeordnet. Die Luft wird durch den Kartenkorb gesaugt (Pull). Beide Lösungen haben Vor- und Nachteile, die z.B. die Lüfterlebensdauer, den Volumenstrom, die Luftverteilung oder die Bauhöhe der AdvancedTCA-Systeme beeinflussen.

Bei der Push-Lösung sitzen die Lüfter im kühlen Luftstrom und werden so niedrigeren Temperaturen ausgesetzt, was sich positiv auf die Lebensdauer der Lüfter auswirkt. Bei der Pull-Version sitzen die Lüfter im heißen Abluftstrom. Dieser beeinträchtigt sowohl die Mechanik der Ventilatoren als auch die Elektronik im Lüfter und verringert die Lebensdauer. Dieser Effekt kann durch geeignete Maßnahmen im Lüfter verringert – aber nicht ganz eliminiert – werden. Die Lüfter selbst haben eine nicht zu vernachlässigende Leistung. Bei einem Push-System wird schon vom Lüfter vorgewärmte Luft an die Karten abgegeben. Bei einem Pull-System wird diese zusätzliche Wärme erst im Abluftstrom zugeführt und hat dadurch keine hohe Relevanz.

Bei Pull-Systemen ist es generell einfacher, eine gleichmäßige Verteilung der Luft in allen Karten und allen Tiefenpositionen der jeweiligen Karten zu erreichen. Bei Push-Systemen zeigt sich häufig in den Luftgeschwindigkeiten ein exaktes Abbild der Lüftergeometrie. Bei Pull-Systemen werden häufig sogenannte Radialventilatoren eingesetzt. Diese Ventilatoren saugen die Luft von unten an und blasen sie horizontal (nach hinten) aus. Durch den Einsatz dieser Lüfter entfällt praktisch eine Luftumlenkung, die beim Push-System notwendig ist. Dies bedeutet einen geringeren Druckverlust im System und damit einen höheren Luftdurchsatz.

Radialventilatoren bringen generell einen höheren statischen Druck. Durch die hohen Gegendrücke der bestückten Boards und voll bestückten Systeme ist dieser Vorteil sehr hoch einzuschätzen. Die Push-Lösung erzeugt einen Überdruck im System. Durch immer vorhandene kleine Öffnungen für Stecker oder Öffnungen zwischen den EMC-Dichtungen entweicht durch diesen Überdruck Luft – was aber völlig unproblematisch ist. Beim Pull-System wird in den Karten ein Unterdruck erzeugt, durch den an diesen Stellen Staub in das System eindringen kann.

Je höher der Widerstand im Chassis, umso mehr Sinn macht das Hintereinanderschalten von Lüftern. Bei dieser Push-Pull-Lüftung werden blasende und saugende Lüfter hintereinander geschaltet. Damit kann der Luftdruck, nicht aber die Luftmenge, durch das Chassis erhöht werden. Gerade bei sehr hohem Luftwiderstand im Chassis ist das ein adäquates Mittel, um die Kühlung zu optimieren.