Kupfer gegen Hitze: Neues Kühlverfahren könnte Rechenzentren 98 Prozent Kühlenergie sparen

Rechenzentren verbrauchen gigantische Mengen Strom, und ein überraschend großer Anteil davon fließt nicht ins Rechnen selbst, sondern in die Kühlung. Maschinenbauingenieur:innen der University of Illinois Urbana-Champaign haben nun Kupfer-Kühlplatten entwickelt, die diesen Anteil von über 30 Prozent auf rund 1,1 Prozent des Gesamtenergieverbrauchs senken könnten. Möglich macht das eine Kombination aus algorithmischer Formoptimierung und einem neuartigen 3D-Druckverfahren.

Bild: Cell Reports Physical Science, Bazmi et al.

Das Problem mit der Wärme

Moderne Chips erzeugen Wärme in einer Größenordnung, für die Luftkühlung schlicht nicht mehr ausreicht. Seit 40 bis 50 Jahren kühlen Rechenzentren ihre Prozessoren mit Luft, doch dieser Ansatz stößt bei heutiger Leistungsdichte an seine Grenzen. Flüssigkeitskühlung direkt am Chip gilt als vielversprechende Alternative. Dabei liegt eine Metallplatte auf dem Chip auf, durch die gekühltes Wasser fließt. Feine metallische Lamellen auf der Plattenoberfläche vergrößern die Kontaktfläche mit dem Kühlmittel. Bisher bestehen solche Platten meist aus Aluminiumlegierungen oder Edelstahl, weil reines Kupfer schwer zu fertigen ist, obwohl es Wärme deutlich besser leitet.

Algorithmus formt, Elektrochemie druckt

Das Team nutzte ein mathematisches Verfahren namens Topologieoptimierung, um die Form der Lamellen zu bestimmen. Ein Algorithmus veränderte das Design iterativ, schätzte bei jedem Schritt Kühlleistung und Pumpenenergie ab und konvergierte schließlich auf eine Geometrie mit spitzen Spitzen und gezackten Kanten, die sich mit konventionellen Fertigungsmethoden kaum herstellen lässt. Für die Produktion kooperierte das Team mit der Firma Fabric8 und setzte auf elektrochemische additive Fertigung (ECAM): Statt Kupfer zu schmelzen, scheidet dieses Verfahren es galvanisch Schicht für Schicht ab. Details von 30 bis 50 Mikrometern, weniger als ein Menschenhaar breit, sind so aus reinem Kupfer realisierbar.

Deutlich verbesserte Kühlleistung

Im direkten Vergleich mit konventionellen Rechtecklamellen erzielten die optimierten Platten bis zu 32 Prozent bessere Kühlleistung und reduzierten den Druckabfall, also den Widerstand, den die Pumpe überwinden muss, um das Kühlmittel durchzutreiben, um bis zu 68 Prozent bei gleicher Kühlleistung. Hochgerechnet auf ein Rechenzentrum mit einem Gigawatt Rechenleistung bedeutet das: Statt 550 Megawatt für die Kühlung würden nur noch elf Megawatt anfallen. Die Forscher:innen sehen ihr Verfahren als skalierbar, sowohl für andere Elektroniksysteme als auch für Anwendungen jenseits der Computertechnik.

Wachsender Druck auf das Stromnetz

Der Hintergrund macht die Dimension des Problems klar. Im Jahr 2025 verbrauchten Rechenzentren weltweit 485 Terawattstunden Strom. Bis 2028 könnten sie in den USA allein bis zu zwölf Prozent der nationalen Netzlast ausmachen. KI-Anwendungen treiben diese Entwicklung voran: Jede Abfrage, jedes Training erzeugt Wärme, und je leistungsstärker die Hardware, desto mehr. Effizientere Kühlung ist deshalb keine technische Randnotiz, sondern eine Voraussetzung dafür, dass das Wachstum der KI-Infrastruktur energetisch überhaupt tragbar bleibt.

via Cell Press via EurekAlert