Thermal Management

Next-Generation-Kühlung für Rechenzentren

Mit der zunehmenden Verbreitung von KI-Anwendungen und Cloud-Workloads steigen Wärmelasten und Energiebedarf in Rechenzentren. Dieser Wandel verläuft nicht mehr schrittweise: GPU-Cluster treiben die Leistungsdichte auf über 50 kW pro Rack, wodurch klassische Luftkühlung an physikalische Grenzen stößt. Fortschrittliches Thermal Management wird damit zur Voraussetzung für skalierbare KI-Infrastrukturen.

Lange galten Rechenzentren vor allem als technische Infrastruktur im Hintergrund. Mit der wachsenden Bedeutung digitaler Souveränität hat sich diese Rolle jedoch spürbar verschoben: Jetzt sind sie zentraler Baustein, um Daten und digitale Anwendungen innerhalb des eigenen Rechts- und Wirtschaftsraums zu betreiben.

Der flächendeckende Einsatz von Künstlicher Intelligenz und das anhaltende Wachstum von Cloud-Anwendungen beschleunigen diese Entwicklung. Der Bedarf an Rechenleistung steigt und treibt den Ausbau der Kapazitäten an traditionellen Standorten weiter an. Im Jahr 2025 erhöhten sich laut einer Studie des Bitkom e.V. die installierten Kapazitäten aller Rechenzentren und kleineren IT-Installationen um rund 250 Megawatt auf insgesamt 2.980 Megawatt.

Dieses dynamische Wachstum trifft nun auf neue strukturelle Herausforderungen. Auf der einen Seite gilt es, ambitionierte Nachhaltigkeitsziele und regulatorische Auflagen zu erfüllen. Auf der anderen Seite bilden die Verfügbarkeit elektrischer Leistung und steigende thermische Leistungsdichten Engpassfaktoren. Ohne effizientes Power Management und fortschrittliche Lösungen im Thermal Management ist ein zuverlässiger und nachhaltiger Betrieb von Rechenzentren im industriellen Maßstab künftig nicht mehr realisierbar.

Die Evolution des Energie- und Wärmemanagements

Laut der Internationalen Energieagentur (IEA) stieg die weltweite Stromnachfrage im Jahr 2024 um 4,3 Prozent – der höchste jemals verzeichnete absolute Zuwachs.  Das Wachstum wurde 2024 vor allem von einem kräftigen Anstieg der Stromnachfrage in den USA getragen. Der energieintensive KI-Boom trifft hier auf langwierige Genehmigungsverfahren für den Ausbau neuer Energieinfrastruktur. In vielen Regionen sind die bestehenden Stromnetze nicht für diese Lastzuwächse ausgelegt. Einzelne Bundesstaaten wie Texas verfolgen daher schon länger eine unabhängige Strategie. Der Bundesstaat betreibt mit ERCOT (Electric Reliability Council of Texas) einen weitgehend eigenständigen Strommarkt und verzichtet in vielen Fällen auf föderale Genehmigungsverfahren.

Auch in Europa markiert das Jahr 2024 einen Wendepunkt. Nachdem der Stromverbrauch zwischen 2003 und 2023 nahezu stagniert, wuchs er im Folgejahr um rund 1,5 Prozent. Die Energiekrise infolge des Ukrainekriegs führte zu einer verstärkten Verlagerung des Energieverbrauchs von fossilen Energieträgern hin zu elektrischer Energie. Unternehmen stehen zudem vor einem Berg an Compliance-Zielen.

Der Climate Neutral Data Centre Pact beispielsweise spornt die Branche dazu an, ihre Rechenzentren in Europa schrittweise klimaneutral zu gestalten. Gleichzeitig verpflichtet die EU-Energieeffizienzrichtlinie Betreiber zur Messung, Offenlegung und Reduktion ihres Energieverbrauchs und schreibt für Rechenzentren ab 500 kW eine Berichtspflicht zur Power Usage Effectiveness (PUE) vor. Dadurch steigt auch der Druck auf Hersteller, ihre Systeme konsequent auf maximale Energieeffizienz auszulegen, um marktfähig zu bleiben.

Best Practices im Thermal Management

Die Richtung ist klar: Energiemanagement in Rechenzentren darf nicht bei der Stromversorgung enden, sondern muss die thermische Ebene einschließen. Im Fokus stehen drei Handlungsfelder: eine präzise Wärme- und Strömungsführung, die Optimierung bestehender Luftkühlkonzepte und der Übergang zu Flüssigkühlung bei steigenden Leistungsdichten. Doch wie können Hersteller Wärme, Strömung und Kühlung unter realen Betriebsbedingungen zuverlässig beherrschen?

Wärmefluss und präzises Engineering

Hersteller steuern den Erfolg des Thermal Managements heute nicht mehr allein über die Wahl der Kühltechnologie. Mit steigenden Leistungsdichten moderner Serverarchitekturen wird vielmehr entscheidend, wie Wärme und Strömungen durch das gesamte System geführt werden. Dabei müssen Entwickler komplexe Wechselwirkungen zwischen mechanischem Design, Leistungselektronik und Kühlkonzepten beherrschen.

Temperaturverteilungen, Druckverluste und Strömungspfade verändern sich dynamisch und können lokale Hotspots oder ineffiziente Kühlstrukturen verursachen. Besonders kritisch sind dabei Übergänge im System, etwa an Busbars, Kühlkörpern, Gehäusestrukturen oder bei der Führung von Luft- und Flüssigkeitsströmen. An diesen Stellen treffen unterschiedliche Materialien, Leistungsdichten und Strömungsregime aufeinander, was die thermische Stabilität und Zuverlässigkeit des Gesamtsystems maßgeblich beeinflussen kann.

Um diese Wechselwirkungen frühzeitig zu verstehen und gezielt zu kontrollieren, müssen Unternehmen thermische Effekte entlang der gesamten Systemarchitektur analysieren:

• Hersteller sollten auf Komponentenebene kompakte thermische Modelle wie Delphi-Compact-Modelle einsetzen, um die Wärmeabfuhr einzelner Halbleiter und Leistungsbauteile realistisch abzubilden und frühzeitig zu optimieren.

• Für die Leiterplatte gilt es, die Verlustleistungsverteilung im PCB-Layout gezielt zu analysieren und zu steuern sowie Strömungswiderstände zu minimieren, die die Kühlung einzelner Bereiche beeinträchtigen können.

• Auf Systemebene müssen Unternehmen das Zusammenspiel aller Komponenten ganzheitlich betrachten. Entscheidend ist dabei die systematische Analyse von Temperaturanstiegen im Gesamtsystem sowie von Druckverlusten in Luft- und Flüssigkeitsströmen. Auf dieser Basis sollten Hersteller Lüfter, Kühlkörper und Luftführungen gezielt auslegen, um eine gleichmäßige und effiziente Wärmeabfuhr sicherzustellen.

Durch diesen mehrstufigen Analyseansatz können Entwickler thermische Probleme bereits früh in der Designphase erkennen: Konzentrieren sich wärmeerzeugende Komponenten in Bereichen mit geringer Luftströmung? Werden nachgelagerte Bauteile thermisch abgeschattet?

Luftkühlung: Konzept unter Leistungsdruck

In der praktischen Umsetzung des Wärme- und Strömungsmanagements dominiert nach wie vor die Luftkühlung. Sie wird in der Regel in Form von Kalt- und Warmgang-Einhausungen, Computer Room Air-Conditioning-(CRAC)- oder Computer Room Air-Handling-(CRAH)-Systemen sowie freier Kühlung eingesetzt. Auch hybride Ansätze wie Rear Door Heat Exchangers (RDHx), bei denen eine flüssigkeitsgekühlte Wärmetauscherspule die Abwärme der Serverabluft direkt am Rack aufnimmt, gewinnen zunehmend an Bedeutung.

Mit dem stetigen Wachstum von Datenmengen und Leistungsdichten geraten diese Konzepte jedoch zunehmend unter Druck. Die geringe Wärmekapazität der Luft erfordert hohe Volumenströme und treibt den Energiebedarf in die Höhe. Dadurch verschärfen sich Probleme wie lokale Hotspots, ungleichmäßige Temperaturverteilungen und steigende Lärmemissionen.

Unternehmen können diesen Herausforderungen begegnen, indem sie Gehäusekonstruktionen und Belüftungskonzepte gezielt auf eine möglichst effiziente Wärmeabfuhr auslegen. Entscheidend ist dabei eine frühzeitige thermische Optimierung auf Systemebene, bei der Experten Luftströmung, Komponentenplatzierung und Geometrie des Gehäuses gemeinsam betrachten. Hier besonders wichtig: optimierte Lüftersteuerungen, energieeffiziente Fan-Controller sowie eine abgestimmte Stromverteilung über Power Distribution Units (PDUs). Sie ermöglichen es, den Luftvolumenstrom, also die durch das System strömende Luftmenge, bedarfsgerecht zu regulieren.

In der Praxis umfasst dies beispielsweise Luftstromanalysen für rackmontierte Server in komplexen High-Performance-Computing-Systemen. Dabei untersuchen Experten Strömungswege, die Bildung von Hotspots sowie die Effizienz der Luftführung im Rack. Hersteller sollten ergänzend thermische Simulationen von Chassis-Designs, also der strukturellen Auslegung von Servergehäusen, einsetzen. So lassen sich Temperaturverteilungen und Kühlreserven in Umgebungen mit hoher Leistungsdichte gezielt analysieren und durch Layout- oder Kühlkörperanpassungen optimieren.

Zuletzt spielt auch die thermische Optimierung von Breitband-Multimedia-Gateways, also netzwerknahen Geräten wie Routern oder Glasfaserterminals, eine wichtige Rolle. Ziel ist es, Luftzirkulation gezielt zu steuern, Wärmestau zu vermeiden und ungünstige Strömungspfade im Gehäuse zu verhindern, damit kritische Komponenten auch unter Dauerlast zuverlässig arbeiten.

Flüssigkühlung: Enabler für Hochleistungs-Rechenzentren

Liquid Cooling gilt als Schlüsseltechnologie, um die stark steigenden Wärmelasten moderner Serverarchitekturen auch in Zukunft effizient zu bewältigen. Flüssigkeiten können Wärme direkt an der Quelle abführen und die hohe Wärmekapazität dadurch deutlich besser nutzen als Luft.

Technologisch setzen sich vor allem Direct-to-Chip-Konzepte durch, bei denen Kühlplatten direkt auf Prozessoren und Beschleunigern sitzen. Auch die Immersionskühlung gewinnt zunehmend an Bedeutung, bei der Hardware vollständig in eine dielektrische Flüssigkeit eingetaucht wird.

Für Hersteller bedeutet das vor allem eine präzise Abstimmung von Kühlplatten, Materialien, Fluiden, Dichtkonzepten und der gesamten Systemintegration. Aufgrund des Ineinandergreifens mechanischer und hydraulischer Aspekte steigen die Anforderungen an Leckagesicherheit, Materialkompatibilität sowie Wartung und Service jedoch enorm.

Entwicklerteams müssen insbesondere Coolant Distribution Units (CDUs) präzise auslegen, das Herzstück eines Flüssigkühlsystems. Diese zentralen Verteil- und Regelmodule sorgen dafür, dass Pumpen, Wärmetauscher, Ventile und Steuerungssysteme stabil zusammenarbeiten und einen zuverlässigen Kühlbetrieb ermöglichen. Die integrierte Steuerung überwacht und regelt dabei kontinuierlich Durchfluss, Druck und Temperatur im gesamten Flüssigkeitskreislauf.

Auf Komponentenebene rückt gleichzeitig die Auslegung der Kühlplatten in den Fokus. Direct-to-Chip-Kühlplatten werden direkt auf Prozessoren und Beschleunigern integriert und gezielt auf hohe Leistungsdichten ausgelegt. Entscheidend ist dabei eine präzise Abstimmung von Materialien, mechanischen Schnittstellen und Strömungskanälen, damit die entstehende Wärme auch unter Dauerlast gleichmäßig abgeführt wird. Eine zentrale Rolle spielen dabei hochwertige thermische Kontaktflächen, geeignete Wärmeleitmaterialien sowie präzise Fertigungstoleranzen.

Entscheidend ist letztlich eine frühzeitige Risikoanalyse und systematische Prüfung kritischer Betriebszustände. Entwickler analysieren dabei bereits in der Designphase, wie sich Temperaturverteilungen, Strömungspfade und Druckverhältnisse im Kühlsystem unter realen und extremen Lastbedingungen verändern. Thermische Simulationen und Failure-Analysen helfen Ingenieurteams, potenzielle Schwachstellen frühzeitig zu identifizieren.

Die Rolle von EMS-Partnern

Mit steigenden Leistungsdichten und zunehmend komplexen Kühlarchitekturen wächst der Aufwand für die Entwicklung, Integration und Industrialisierung solcher Systeme erheblich. In diesem Zusammenhang können EMS-Unternehmen Hersteller bei der Bewältigung von Herausforderungen im thermischen Management in Rechenzentren auf zwei unterschiedliche Arten unterstützen.

Einige Anbieter entwickeln und bieten eigene Lösungen für das thermische Management an. Andere konzentrieren sich darauf, Kunden bei der Entwicklung, Integration und Industrialisierung ihrer eigenen Kühllösungen zu unterstützen. Dies ermöglicht nicht nur die Auslegung komplexer Systeme, sondern auch deren Überführung in skalierbare Produktionsprozesse.

Ein zentraler Aspekt ist dabei die zuverlässige Beschaffung kritischer Komponenten wie Pumpen, Manifolds und Schnelltrennkupplungen sowie die Koordination globaler Lieferketten für großskalige Rechenzentrumsinfrastrukturen.

EMS-Partner, die kundenspezifische Lösungen unterstützen, können zudem die vollständige Integration modularer Kühleinheiten im sogenannten Box-Build übernehmen. Darunter versteht man die Montage und Inbetriebnahme vollständig integrierter Kühlsysteme. Dabei werden mechanische Komponenten, Elektronik und Flüssigkeitskreisläufe zu einer einsatzbereiten Einheit zusammengeführt.

Gerade im Umfeld wachsender KI-Infrastrukturen wird diese industrielle Integration zum entscheidenden Faktor: Sie verkürzt Entwicklungszyklen, reduziert Integrationsrisiken und ermöglicht es Herstellern, neue Kühlkonzepte schneller und zuverlässiger in die Serienproduktion zu bringen.

Fazit

Die Entwicklung, Industrialisierung und der Betrieb neuer Thermal-Management-Lösungen werden zunehmend mehr Zeit, Kapital und spezialisiertes Know-how erfordern. Viele Unternehmen sind nicht in der Lage, diese Anforderungen allein zu erfüllen. Hier kommen Fertigungsdienstleister ins Spiel. Durch die enge Zusammenarbeit entlang der gesamten Wertschöpfungskette entstehen robuste und skalierbare Lösungen, die den Weg für die nächste Generation von Kühltechnologien ebnen.