Az energiatakarékos feldolgozási módszerek jegyében a zürichi Swiss Federal Institute of Technology (ETH, a világ egyik legrangosabb egyeteme) és az IBM (NYSE: IBM) egy újfajta vízhűtéses szuperszámítógép építését tervezi, amelynek hulladékhőjét közvetlenül újrahasznosítják majd az egyetemi épületek fűtésénél.

Az innovatív - egyelőre Aquasar néven emlegetett - rendszer várhatóan akár 85 százalékkal - a számítások szerint akár 30 tonnával - is csökkentheti a rendszer teljes CO2-kibocsátását a mai hűtési technológiát használó hasonló eszközöket alapul véve.

Energiatakarékossá tenni a számítógépes rendszereket és az adatközpontokat nem kis vállalkozás. Az átlagos légkondicionált adatközpontok széndioxid-kibocsátásáról és energiafelhasználásáról akár 50 százalékban is a processzorok túlmelegedését megakadályozó hűtőrendszer energiaigénye tehet, nem pedig maga a számítási tevékenység – ez pedig messze van az ideálistól.

„Az energiaválság talán a legfontosabb probléma, amellyel az emberiségnek a XXI. században szembe kell néznie. Már nem engedhetjük meg magunknak, hogy kizárólag a feldolgozási sebesség és a teljesítmény szempontjai alapján tervezzünk számítógépes rendszereket” – magyarázta Prof. D. Poulikakos, az ETH Zurich Laboratory of Thermodynamics in Emerging Technologies vezetője, aki a több tudományágat is összefogó projektben vezető kutatóként vesz részt. „Az új cél az, hogy a szuperszámítógépeknél és az adatközpontokban a kiemelkedő teljesítményt és alacsony áramfogyasztást egyszerre érjük el - erre a megoldást pedig a folyadékhűtés jelenti.”

Egy innovatív vízhűtő rendszerrel és a keletkező hő közvetlen újrahasznosításával az Aquasar – az ETH Zurichnél a tervek szerint 2010-ben üzembe helyezendő új szuperszámítógép – akár negyven százalékkal is csökkentheti a teljes energiafogyasztást.

A rendszer kidolgozásához kiváló alapot ad az ETH és az IBM tudósai között régóta fennálló együttműködés, amelynek során a lapkaszintű vízhűtés lehetőségeit kutatják, valamint az IBM zürichi laboratóriumának tudósai által folytatott a vízhűtéses, közvetlen hulladékhő-felhasználással rendelkező adatközpontokkal kapcsolatos kutatások alapelveire is támaszkodhatnak.

A vízhűtéses szuperszámítógép két IBM BladeCenter® szervert fog tartalmazni egy rackben, csúcsteljesítménye 10 teraflops körül lesz2.

A pengeszerverekben minden processzor külön mikroméretű, nagy teljesítményű folyadékhűtővel, bemeneti és kimeneti csővezeték-hálózattal és kapcsolatokkal fog rendelkezni, így az egyes szerverek könnyen csatlakoztathatók lesznek a rendszerhez, illetve eltávolíthatók onnan (lásd a képet).

A hűtőfolyadékként használt víz körülbelül négyezerszer hatékonyabban nyeli el a hőt, mint a levegő, és hőátadási tulajdonságai is sokkal jobbak. A lapkaszintű, kb. 60°C-os vízhőmérsékletű hűtőrendszer sikeresen tartja a lapkát üzemi hőmérsékleten, vagyis jóval a maximálisan engedélyezett 85°C alatt.

A magas bemeneti hőmérsékletű hűtőfolyadék azt jelenti, hogy a kimeneti hőmérséklet még magasabb, ebben az esetben kb. 65°C. A bemeneti 60°C-kal szemben a hűtőfolyadék kimeneti hőmérséklete 65°C.

Az egyes pengeszerverektől induló csövek bekapcsolódnak a szerverrack nagyobb hálózatába, ami pedig a fő vízszállító hálózathoz csatlakozik. A vízzel hűtött szuperszámítógép körülbelül 10 liter vizet igényel, és egy szivattyú gondoskodik a körülbelül 30 liter/perces áramlási sebességről.

A teljes hűtési rendszer zárt kört alkot: a hűtővizet a lapkák folyamatosan melegítik, majd az passzív hőcserélőkben hűl vissza a kívánt hőmérsékletre, amelyek a meleget ebben a kísérleti szakaszban közvetlenül az egyetem fűtőrendszerébe vezetik el. Ezzel a módszerrel kiküszöbölhetők a mai energiaigényes hűtők.

„A meleg értékes árucikk, amiért sokat fizetünk és fontos része mindennapi életünknek. Ha a számítógépes rendszer aktív elemeinek hulladékhőjét a lehető leghatékonyabban gyűjtjük be és vezetjük el, akkor erőforrásként használhatjuk – ezzel egyrészt energiatakarékosabbá tehetjük a működést, másrészt csökkenthetjük a széndioxid-kibocsátást. A projekt jelentős lépés a tudatos energiagazdálkodású, károsanyagok kibocsátásától mentes számítástechnika és adatközpontok irányába” – mondta Dr. Bruno Michel, az IBM zürichi kutatólaboratóriumában működő Advanced Thermal Packaging csapat vezetője.

Háromévnyi kutatási együttműködés a kibocsátásmentes nagy teljesítményű számítástechnikai rendszerekért

Iparági oldalról a projekt az IBM „First-Of-A-Kind” („az első ilyen”, FOAK) programjának része, amely az IBM tudósait és ügyfeleit összekapcsolva a valós üzleti problémák megoldása érdekében végez kutatásokat a fejlődő technológiák területén, illetve hajt végre mintaprojekteket. Mindez az IBM Svájc és a németországi Böblingenben működő IBM Research and Development Laboratory támogatásával válhat valóra.

A folyadékhűtésű szuperszámítógépekkel kapcsolatos kutatást hároméves programnak tervezték. A program neve: „Direct Re-Use of Waste Heat from Liquid-Cooled Supercomputers: Towards Low Power, High Performance, Zero-Emission Computing and Datacenters” – „A folyadékhűtésű szuperszámítógépek hulladékhőjének közvetlen újrahasznosítása: irány az alacsony energiaigényű, nagy teljesítményű, széndioxid-kibocsátás nélkül működő számítástechnikai rendszerek és adatközpontok”.

A programot közösen finanszírozza az IBM, az ETH Zurich és a Swiss Competence Center for Energy and Mobility (CCEM), azaz a Svájci Energia es Mobilitási Kompetencia Központ. A rendszer egy részét a hűtési és hatékonyságnövelő technológiákkal foglalkozó további kutatásokra szánják, amelyeket a tervek szerint az ETH Zurich, az ETH Lausanne, a CCEM és az IBM Zurich Research Lab tudósai végeznek majd.

Az Aquasar számítási teljesítménye a kutatás rendkívül fontos része. Az Aquasart az ETH Zurich Számítástechnikai Tanszékének Számítástechnikai és Tervezési Laboratóriuma (Computational Science and Engineering Lab of the Computer Science Department) fogja használni többléptékű áramlástani szimulációkra a nanotechnológiai határfelületi és folyadékdinamikai területek problémáival kapcsolatban.

A laboratórium kutatói a rendszerben használt megfelelő algoritmusok hatékonyságát is optimalizálni fogják az IBM Zurich Research Lab közreműködésével. Ezeket a tevékenységeket a projektben részt vevő más kutatólaboratóriumok algoritmusaival fogják kiegészíteni.

A szuperszámítógéppel a tudósok bizonyítani szeretnék, hogy a fontos tudományos problémák megoldásának van hatékony lehetősége, az ilyen munkának nem kell feltétlenül káros hatással lennie a környezetre és az energiagazdálkodásra.