Der Stolz war den beteiligten Forschern von ETH und IBM anzusehen, als die Anlage, die versteckt in einem engen Labor des Departements Maschinenbau steht, von ETH-Präsident Ralph Eichler und John Kelly, Senior-Vice-President von IBM Research, enthüllt wurde. Was vor einem Jahr angekündigt wurde, ist nun Realität: Die ETH Zürich hat den in Zusammenarbeit mit IBM gebauten neuen Supercomputer Aquasar in Betrieb genommen.

Er sei stolz darauf, eine Break-through-Technologie auf dem Weg zum Nullemissions-Rechenzentrum präsentieren zu dürfen, sagte Kelly. Aquasar verbraucht bis zu 40% weniger Energie als ein vergleichbarer luftgekühlter Rechner. Und auch die CO₂-Bilanz des Rechners kann deutlich verbessert werden: Durch die direkte Abwärmenutzung kann das System die Emissionen um bis zu 85% reduzieren.

Heisswasserkühlung realisiert

Der Energieverbrauch ist ein zentrales Thema in der Computerentwicklung. Laut den Marktanalysten von IDC wurden 2009 weltweit geschätzte 330 Terawattstunden Energie für den Betrieb von Rechenzentren aufgewendet. Das entspricht etwa 2 Prozent des weltweiten Ennergieverbrauchs insgesamt. Auf die Luftkühlung, die heute typischerweise in Rechenzentren eingesetzt wird, entfällt dabei bis zu 50 Prozent des gesamten Strombedarfs. Flüssigkühlung dagegen ist weitaus wirksamer: Wasser etwa hat eine rund 4000-mal höhere Wärmekapazität als Luft und kann Wärme daher sehr effizient transportieren. Dies erlaubt neue Kühlkonzepte – wie etwa das Kühlen direkt am Prozessor, und zwar mit heissem Wasser. Eine solche Heisswasserkühlung, die sowohl aus ökonomischer als auch aus ökologischer Sicht nachhaltig ist, wurde nun mit dem Supercomputer Aquasar erstmalig realisiert.

Mit bis zu 60°C heissem Wasser werden die Prozessoren und weitere Komponenten in dem neuen Hochleistungsrechner gekühlt. Möglich wird dies durch ein innovatives Kühlsystem, dass direkt dort ansetzt, wo am meisten Wärme entsteht: beim Prozessor. Leistungsfähige Mikrokanalkühler sind auf der Rückseite des Chips angebracht. Dank der Kühler können die Chips, die zehnmal mehr Wärmedichte als eine Kochplatte entwickeln, selbst mit bis zu 60°C heissem Wasser noch auf ihre maximal erlaubte Betriebstemperatur von 80° – 85°C gekühlt werden. Dabei wird wertvolle Abwärme gewonnen. Das gesamte Kühlsystem des Rechners ist ein geschlossener, hermetisch abgedichteter Kreislauf. Mit Hilfe einer Pumpe wird das Wasser im System mit einer Rate von 30 Litern pro Minute durch den Hochleistungsrechner gepumpt. Die Abwärme wird durch einen Wärmetauscher an einen externen, zweiten Wärmekreislauf weitergegeben, im Fall von Aquasar an das Gebäudeheizsystem der ETH Zürich.

Bis zu 75 Prozent der Energie lassen sich so wieder verwerten. Im Vergleich zu ähnlichen Systemen reduziert sich die CO₂-Bilanz dadurch erheblich. Bruno Michel, Manager Advanced Thermal Packaging bei IBM Research Zürich, erklärt: «Mit der Inbetriebnahme von Aquasar haben wir einen wichtigen Meilenstein auf dem Weg zu energiearmen und CO₂-neutralen Rechenzentren erreicht. Dies ist ein wichtiges Signal für die Industrie.»

Weiter forschen mit Aquasar

Insgesamt erreicht Aquasar eine Leistung von etwa 6 Billionen Rechenschritten pro Sekunde und verbraucht ungefähr 20 Kilowatt. Die Kühltechnologie ist direkt skalierbar und kann unverändert auch für die Kühlung von Petaflop-Computern (1000 Billionen Rechenschritte pro Sekunde) verwendet werden. (Zum Vergleich: Der schnellste Rechner der Schweiz, Monte Rosa am CSCS in Manno, startete 2009 mit 141 Billionen Rechenschritten.)

Der neue Rechner an der ETH soll vor allem genutzt werden, um die Technologie für energiearme und CO2-neutrale Rechenzentren weiter zu entwickeln. Die Forscher konzentrieren sich als nächstes auf genaue Untersuchungen über die Leistungsfähigkeit und Eigenschaften des Kühlsystems, um es weiter zu optimieren. Zu diesem Zweck ist der ETH-Rechner sowohl mit luftgekühlten als auch mit wassergekühlten Elementen ausgestattet. Eine umfassende Sensorik wird für vergleichende Messungen eingesetzt.

Ausserdem möchte man überprüfen, wie leistungsfähig Aquasar ist. Das «Computational Science and Engineering»-Labor des Lehrstuhls für Computerwissenschaften der ETH Zürich verwendet Aquasar für komplexe Simulationen. Wissenschaftler dieses Labors optimieren in Zusammenarbeit mit dem IBM Forschungszentrum und anderen Partnerinstitutionen auch die Effizienz, mit der die Algorithmen berechnet werden.

Aquasar ist nach dem Willen der Forscher erst der Beginn. Ziel müsse sein, in Zukunft 10 oder 100mal grössere und leistungsfähigere Systeme realisieren zu können, so IBM-Forscher Michel. Professor Dimos Poulikakos, Projektleiter und Leiter des Laboratoriums für Thermodynamik in neuen Technologien der ETH Zürich, möchte das Kühlsystem weiter optimieren. Er und weitere Forscher setzen dabei auf Inspirationen aus der Biologie. Das Kühlsystem soll in Zukunft noch stärker an sein biologisches Vorbild, den Blutkreislauf, angepasst werden. Ein gut verzweigtes System von Mikrokanälen nach dem Vorbild der Adern war die erste Inspiration. Nun gelte es, den Durchfluss des Kühlmittels so reibungslos und mit so wenig Energieaufwand wie möglich zu gestalten. Statt Wasser könne in Zukunft beispielsweise ein Mischung aus Wasser und Mikro-Öltropfen vielversprechend sein, entsprechend der Zusammensetzung des Blutes aus Plasmaflüssigkeit und roten Blutkörperchen. Um energiefressende Reibung an den Oberflächen zu vermindern, plane man, die Oberflächen der Mikrokanäle mit speziellen Nanopartikeln auszustatten. Sie werden dadurch hydrophobisch, also flüssigkeitsabstossend. Auch dafür gibt es natürliche Vorbilder, etwa die wasserabstossenden Blattoberflächen der Lotuspflanzen.

Erfolgreiche Forschungspartnerschaft

«Aquasar ist nicht nur ein grossartiges Stück Ingenieurskunst, sondern auch das Resultat erfolgreicher Zusammenarbeit», sagt ETH-Präsident Ralph Eichler. «Kooperationen mit der Industrie sind ein Schlüssel zur Innovation.» Der Bau des Computers bettet sich ein in das dreijährige, gemeinschaftliche Forschungsprogramm «Direkte Abwärmenutzung von flüssiggekühlten Supercomputern: Der Weg zu energiesparenden, emissionsfreien Hochleistungsrechnern und Rechenzentren». An diesem Projekt ist neben der ETH Zürich und IBM Research Zürich auch die ETH Lausanne beteiligt. Es wird durch das Förderprogramm Schweizer Kompetenzzentrum für Energie und Mobilität (CCEM) unterstützt.