Können KI-Rechenzentren nachhaltiger werden? Schweizer Forschende arbeiten daran

Die nachhaltige Kühlung von Rechenzentren ist die grösste Herausforderung der Zukunft. Keystone

Der KI-Boom zwingt die Branche dazu, die Kühlung von Rechenzentren neu zu überdenken. Schweizer Forschende entwickeln Technologien, die eine Senkung des Energie- und Wasserverbrauchs versprechen. Kann eine bessere Kühlung den wachsenden ökologischen Fussabdruck der KI wirklich verringern?

Im Rechenzentrum der Eidgenössischen Technischen Hochschule Lausanne (EPFL) blasen kräftige Ventilatoren kalte Luft durch die Serverreihen. Ein beständiges Summen erfüllt den Raum. Und dennoch sagt Remco van Erp, Mitbegründer und CEO des Schweizer Start-ups Corintis: Diese Anlage sei noch relativ leise.

«In einem grossen Rechenzentrum braucht man einen Gehörschutz», sagt van Erp. Hier ist das nicht der Fall. Der Lärmpegel sei tiefer, weil die Anlage weniger auf Hochgeschwindigkeitsbelüftung setzt als herkömmliche Rechenzentren, so van Erp.

Es war gerade die Suche nach Alternativen zu traditionellen Kühlmethoden, die Corintis an die EPFL führte. Denn der Boom Künstlicher Intelligenz (KI) hat zu einem massiven Ausbau von Rechenzentren weltweit geführt. Deswegen arbeitet das Schweizer Start-up gemeinsam mit der Universität daran, den Strom- und Wasserverbrauch für den Betrieb der Anlagen zu senken.

«Die Leute glauben, KI sei ein kostenloser Dienst mit relativ geringem ökologischem Fussabdruck», sagt Mario Paolone, Professor an der EPFL. «Doch in Wirklichkeit ist er beträchtlich.»

Rechenzentren machen derzeit rund 1,5% des weltweiten Stromverbrauchs aus, und laut der Internationalen EnergieagenturExterner Link wird der Bedarf bis 2030 voraussichtlich auf knapp 3% ansteigen. Eine aktuelle Studie der Vereinten NationenExterner Link prognostiziert zudem, dass sich der Wasserverbrauch für den Betrieb von Rechenzentren im gleichen Zeitraum mehr als verdoppeln wird.

Ein Rechenzentrum, so Paolone, sei wie eine riesige Maschine, die Strom in Wärme umwandelt. Jedes Mal, wenn wir der KI eine Frage stellen, wird Strom verbraucht – und fast der gesamte Strom wird letztendlich zu Wärme, die mit Luft oder – zunehmend – mit wasserbasierten Kühlsystemen abgeführt werden muss.

Der steigende Bedarf an Strom und Wasser hat weltweit – und auch in der Schweiz – den Widerstand gegen neue Rechenzentren befeuert. In der Folge hat New York als erster US-Bundesstaat ein einjähriges BauverbotExterner Link für neue grosse Rechenzentren verhängt.

«Ohne Rechenzentren können wir nicht leben. Sie sind die Grundlage für fast jede digitale Dienstleistung, die wir nutzen», sagt van Erp. «Die Herausforderung besteht darin, sie wesentlich effizienter zu gestalten.»

Die Forscher:innen von Corintis und EPFL versuchen nun, für die Senkung des Strom- und Wasserverbrauchs bei einer der kleinsten, aber heissesten Komponenten in einem Rechenzentrum anzusetzen: dem Computerchip. Ihr Ziel ist es, Prozessoren effizienter zu kühlen und die dabei entstehende Restwärme anschliessend zur Beheizung von Gebäuden oder zur Stromerzeugung zu nutzen.

Mario Paolone (EPFL) und Remco van Erp (Corintis) erläutern, wie sie versuchen, Rechenzentren nachhaltiger zu gestalten:

Angefangen beim Chip

Um eine Überhitzung der Prozessoren zu verhindern, ist es seit Jahrzehnten gängige Praxis, grosse Mengen kalter Luft durch Server zu leiten. Doch mittlerweile vereinen KI-Server eine beispiellose Rechenleistung in immer dichter bestückten Racks und erzeugen dabei weitaus mehr Wärme als herkömmliche Systeme.

Weil Wasser Wärme effizienter überträgt als Luft, stellt die Branche bei ihren Servern zunehmend auf Flüssigkeitskühlung um.

Van Erp war Teil dieses Wandels; vor etwa zehn Jahren begann er, im Bereich der Chipkühlung zu arbeiten.

«Ich war im Grunde genommen ein Sanitärinstallateur, der mit Chip-Entwickler:innen zusammenarbeitete», sagt er. «Als die Chips immer leistungsfähiger wurden, versuchte ich zu verstehen, was ihre Kühlung einschränkte.»

«Jeder Chip ist wie eine einzigartige Stadtlandschaft.» Remco van Erp, Mitbegründer und CEO von Corintis, versucht, die Direktkühlung jedes einzelnen Chips effizienter zu gestalten. EPFL

Ein einschränkender Faktor, sagt van Erp, sei der Einheitsansatz bei Chips.

«Jeder Chip gleicht einer einzigartigen Stadtlandschaft», so van Erp. Je nach Prozessorarchitektur und Auslastung werden manche Bereiche deutlich heisser als andere. Anstatt für jeden Prozessor identische Kühlkanäle zu verwenden, entwickelt Corintis Kühlsysteme, die auf den thermischen «Fingerabdruck» eines Chips zugeschnitten sind. Dadurch lässt sich der Stromverbrauch für die Kühlung mit Kältemaschinen laut Van Erp um rund 20% senken.

Das 2022 gegründete Start-up mit Sitz in Lausanne testet seine Technologie an der EPFL und in Zusammenarbeit mit einigen der weltweit grössten Technologieunternehmen. Microsoft ist der einzige öffentlich bekannte Partner.

Auf eine Million Kühlplatten pro Jahr will Corintis die Produktion hochfahren, so van Erp. Ab 2027 rechnet er mit gross angelegten Einsätzen. Die Lösung des Unternehmens, sagt er, würde weniger als 1% des Preises eines hochmodernen KI-Chips kosten.

Fünf Grafiken zeigen, warum Rechenzentren auch in der Schweiz so umstritten sind:

Abwärme in eine Ressource verwandeln

Die Kühlung der Chips, die Temperaturen von bis zu 100°C erreichen können, ist nur der erste Schritt. Die nächste Frage ist, wie die Wärme aus dem Rechenzentrum abgeführt wird.

In den heutigen flüssigkeitsgekühlten Rechenzentren zirkuliert das Wasser in der Regel in geschlossenen Kreisläufen bei Temperaturen zwischen etwa 20°C und 30°C. Die in den Servern aufgenommene Wärme muss anschliessend aus dem Gebäude abgeführt werden. In vielen Rechenzentren wird sie über Wärmetauscher an Verdunstungskühltürme weitergeleitet. Dort wird ein separater Wasserstrom – nicht derjenige, der in den Servern zirkuliert – verdunstet, um die Wärme an die Atmosphäre abzugeben.

Wie kühlt die EPFL ihr Rechenzentrum?

Das Kühlsystem der EPFL nutzt mehrere miteinander verbundene Flüssigkeitskreisläufe.

Das aus dem Genfer See gepumpte Wasser versorgt das Kühlnetz des Campus. Es kommt dabei nie mit den Servern in Berührung, sondern tauscht über Wärmetauscher Wärme mit dem Kühlsystem des Rechenzentrums aus. Das Seewasser wird anschliessend in den Sorge-Bach eingeleitet, der schliesslich wieder in den See mündet. Seine Durchflussmenge und Temperatur werden über ein öffentlich zugängliches Online-PortalExterner Link kontinuierlich überwacht.

Im Rechenzentrum zirkulieren Wasser oder andere Kühlmittel durch geschlossene Kreisläufe, leiten die Wärme von den Chips ab und kehren anschliessend zurück, um den Kreislauf zu wiederholen. Im Normalbetrieb werden diese Flüssigkeiten weder verbraucht noch abgeleitet, erklärt Xavier Ouvrard, IT-Systemspezialist am EcoCloud-Forschungszentrum der EPFL.

Da die Verdunstungskühlung sehr wasserintensiv ist, tendiert die Branche zunehmend zu höheren Kühltemperaturen (etwa 45°C). Dies ermöglicht einen besseren Einsatz der Trockenkühlung, bei der die Umgebungsluft zur Kühlung von Flüssigkeiten genutzt wird.

Doch Paolone und van Erp wollen noch einen Schritt weiter gehen. «Wir steuern die direkte Kühlung der Chips gezielt so, dass die Wärme bei etwa 70 bis 75 Grad abgeführt wird», sagt Paolone. Durch die höhere Temperatur lasse sich die Wärme leichter wiederverwenden oder umwandeln.

«Viele Menschen glauben, dass KI praktisch ein kostenloser Dienst mit geringen Auswirkungen auf die Umwelt ist. Tatsächlich ist ihr ökologischer Fussabdruck jedoch beträchtlich», erklärt Mario Paolone, Professor an der EPFL. EPFL / Alain Herzog

Einen Prozessor mit warmem Wasser zu kühlen, klingt zunächst widersinnig. Doch laut van Erp gilt: Je effizienter die Wärme vom Chip abgeführt wird, desto wärmer kann die Kühlflüssigkeit sein.

Anstatt als Abfall in die Atmosphäre abgegeben zu werden, kann diese Wärme anderweitig genutzt werden. Das ist die Idee hinter «Heating Bits», einem von Paolone geleiteten Projekt der EPFL, bei dem Möglichkeiten getestet werden, den CO₂-Fussabdruck von Rechenzentren zu verringern, während die Server weiterhin echte Rechenaufgaben für Forscher:innen auf dem Campus ausführen.

Im Winter kann die zurückgewonnene Wärme in das Fernwärmenetz der EPFL eingespeist werden. Im Sommer, wenn der Heizbedarf sinkt, kann ein Teil dieser Wärme mithilfe einer speziellen Technologie, die als «Organic Rankine Cycle» bezeichnet wird und die Erzeugung von Strom aus Wärme ermöglicht, wieder in Strom umgewandelt werden.

So könnte der KI-Boom die Wasserreserven der Schweiz unter Druck setzen:

Flüssigkeitskühlung: unvermeidlich, aber nicht ausreichend

Die an der EPFL entwickelten Technologien scheinen vielversprechend zu sein. Aber lassen sie sich in grossem Massstab einsetzen? Und sind sie in der Lage, den globalen ökologischen Fussabdruck von KI-Rechenzentren merklich zu verringern?

Tatsächlich sei Flüssigkeitskühlung für KI unvermeidlich, sagt Jonathan Koomey, ein unabhängiger Wissenschaftler aus den USA, der sich seit Jahrzehnten mit dem Energieverbrauch von Rechenzentren beschäftigt. «Sobald man die Leistungsdichten aktueller KI-Knoten erreicht, reicht Luft einfach nicht mehr aus, um die Wärme abzuführen.»

Doch die Kühlung der Chips sei nur die halbe Miete, so Koomey. Ein Rechenzentrum kann zwar hocheffiziente Flüssigkeitskühlung in den Servern einsetzen – für die Anlage selbst ist es aber weiterhin auf wasserintensive Kühlsysteme angewiesen.

Zwischen verschiedenen Rechenzentren kann der Wasserverbrauch enorm variieren. Laut einer aktuellen StudieExterner Link kann der jährliche Wasserverbrauch einer Anlage, je nach Auslegung, Standort, Auslastung und Betriebsbedingungen, um den Faktor 10’000 schwanken kann. «Es ist ein komplexes Gebiet mit vielen Abwägungen», sagt Koomey.

Shaolei Ren, Professor an der University of California in Riverside, kommt zu einem ähnlichen Schluss. Die Direktkühlung der Chips könne zwar den Energie- und Wasserbedarf senken, sagt Ren. Allerdings nur, wenn die gesamte Anlage auf ein effizientes Wärmemanagement ausgelegt sei. «Die Direktkühlung der Chips allein führt nicht zwangsläufig zu einer Senkung des Energie- und Wasserverbrauchs.»

Koomey warnt zudem vor einem weiteren Problem, das die Effizienzgewinne überschatten könnte. Denn KI-Unternehmen investieren noch immer in leistungsfähigere Modelle und höhere Rechenleistung zu günstigeren Preisen, was wiederum die Nachfrage nach KI-Dienstleistungen weiter ankurbelt.

«Wir beobachten derzeit, dass die Nachfrage nach KI-Rechenleistungen massiv ansteigt. Das macht die Einsparungen bei der Energieeffizienz zunichte», sagt er. «Kann das so weitergehen? Niemand weiss es.»

Selbst wenn jedes Rechenzentrum effizienter wird, kann keine Technologie steuern, wie schnell die Nachfrage nach KI-Rechenleistungen wachsen wird.

Die viel grundlegendere Frage, so Paolone, die wir uns stellen müssten: «Können wir uns das derzeitige Wachstum von KI und Rechenzentren während der Energiewende leisten?»

Editiert von Gabe Bullard/vm