Science
10.11.2014

“Gestapelte Prozessoren können 5000 mal effizienter sein”

Bruno Michel hat im IBM-Forschungszentrum in Zürich ein Heißwasser-Kühlsystem entwickelt, das Supercomputer und Photovoltaikanlagen effizienter macht.

Michel und sein Team setzen auf die Heißwasser-Kühlung, um Chips, wie sie in Rechnern oder Solarkonzentrator-Anlagen zum Einsatz kommen, vor dem Verdampfen zu bewahren. Im Optimalfall lässt sich die abgeführte Wärme nutzen, um Wasser zu entsalzen oder Gebäude zu heizen. Die Technik ermöglicht es so, sehr effiziente Systeme zu errichten. Die futurezone hat Michel zu seiner Arbeit befragt.

futurezone: Von welchen Temperaturen reden wir bei der Heißwasser-Kühlung?
Bruno Michel: In Rechenzentren kühlen wir mit 65 Grad heißem Wasser, mit weiterer Forschung sollten auch 75 Grad möglich sein. Bei Solarflower (die futurezone berichtete) arbeiten wir mit etwa 95 Grad.

Was sind die Vorteile der Heißwasser-Kühlung gegenüber Alternativen, wie der Öl-Kühlung?
Der Wärmetransport in Luft funktioniert grundsätzlich schlecht, Luftkühlung ist daher ineffizient. Ölkühlung halte ich für ein konservatives Konzept. Das sieht zwar interessant aus, aber alle dielektrischen Kühlmittel (zu denen Mineralöl gehört, Anm. d. Red.) sind schlechter als Wasser, was den Wärmeabtransport angeht. Zudem ist Öl nur umständlich tauschbar und erschwert Reparaturen.

Warum hat sich die Idee noch nicht in allen Rechnern durchgesetzt?
Durch die Kühlung durch Wasser in Mikrokanälen erreichen wir fünf bis zehn mal bessere Ergebnisse als mit heutiger Technik. Dazu müssen wir aber investieren. Die Platinen etwa müssen umgebaut werden. Trotzdem rechnet sich eine Umstellung. Beim SuperMUC (einem von IBM konstruierten Hochleistungsrechner in München, Anm. d. Red.) rechnet sich der Aufwand schon nach fünf Jahren. Es würde sich also lohnen, alle Rechner so zu betreiben.
Kann sich das auch auf die Leistungsfähigkeit der Rechner auswirken?
In weiterer Konsequenz könnte das Volumen der Chips durch die bessere Kühlung höher werden. Wir sollten die Transistoren in drei Dimensionen anordnen. Ein 3D-Stapel aus Chips könnte zwischen den Lagen mit Wasser gekühlt werden. Ein solcher Computer ist effizienter, da weniger Energie für den Transport von Daten verwendet werden muss, wenn die Wege möglichst kurz gehalten werden können. Solche ultradichten Computer könnten eine 5000-fach höhere Energieeffizienz haben, als heutige, zweidimensionale Systeme. Das ist der nächste Schritt in der Computer-Architektur. Bis in zehn Jahren werden die Computer eine Million mal dichter sein als heute.
Welche Probleme müssen dafür gelöst werden?
Es ist schwierig, dreidimensional angeordnete Transistoren mit Strom zu versorgen. Hier kann das Hirn als Vorbild dienen. Sogenanntes “elektronisches Blut” könnte sowohl für die Energieversorgung als auch für die Kühlung sorgen. Mit Redox-Flux-Batterien kann das klappen. Dann wären die Drähte nur noch zur Kommunikation notwendig, während Stromversorgung und Kühlung durch eine Flüssigkeit erfgolgen. Bislang brauchen wir für ein Milligramm Transistoren ein Kilogramm Kühlung. Dieses Verhältnis kann mit neuen Konzepten deutlich verbessert werden.
Was hat IBM dazu bewogen, die Kühltechnik für Solarflower zu verwenden?
Der Stern-Report (eine von der britischen Regierung in Auftrag gegebene Studie über die wirtschaftlichen Folgen des Klimawandels, Anm. d. Red.) hat uns veranlasst, neue Konzepte zu entwickeln. Wärme wurde bislang oft kein Wert zugeschrieben. Bei der Heißwasserkühlung wird viel Wärme ungenutzt verworfen. Dabei ist der Wert der Wärme gerade in unseren Breiten, wo das halbe Jahr geheizt werden muss, riesig. Nutzt man diese Abfall-Wärme, wird das System dadurch viel effizienter.

Was passiert in wärmeren Regionen der Welt?
In heißem Klima gilt das natürlich nicht in dem Ausmaß. Deshalb haben wir uns überlegt, was mit der Abwärme sonst noch gemacht werden kann. Ab 70 Grad kann etwa Meerwasser entsalzt werden. Um die Wärme zur Kühlung zu verwenden - mit sogenannter Adsorptionskühlung - brauchen wir mindesten 90 Grad.

Wie steht es um die Finanzierung?
Mit Adsorptionskühlung und Entsalzung stoßen wir etwa im mittleren Osten auf großes Interesse, was auch die Finanzierung vereinfacht. IBM Ägypten finanziert große Teile der Entsalzungs-Forschung, die saudische King Abdulaziz City for Science and Technology ist bei der Adsorptionsforschung beteiligt. Dadurch wird das ganze erst machbar.

Ist die Wärmenutzung überhaupt rentabel?
Durch die Kombination von Solar-Konzentratoren, Adsorptionskühlung, Desalination und Dampfturbinen geht das. Es gibt bei vielen Systemen Aballwärme, aber oft in einem Ausmaß, für das wir keine vernünftige Wärmekraftmaschinen haben. Unser Know-how kann nutzbringend im Energiesektor sein. Der Stern-Report, Fukushima und der Atom-Ausstieg machen unsere Arbeit noch aktueller.

Warum ist die Kühlung im Solar-Bereich von Nutzen?
Durch die Kühlung verbessern wir die Effizienz deutlich. Gängige Photovoltaikanlagen verschlechtern die Albedo der Erdoberfläche. Für ein Gigawatt muss etwa ein Quadratkilometer Erde mit schwarzen PV-Modulen gepflastert werden. Das führt zum Hitzeinseleffekt. Wenn wir das in der Gesamtenergiebilanz berücksichtigen, sehen wir, dass nur eine möglichst flächeneffiziente Nutzung von Sonnenenergie nachhaltig sein kann. Mit Solarflower brauchen wir nur eine winzige Kollektorenfläche, weil wir das Sonnenlicht zehntausendfach konzentrieren können, ohne dass die Chips verdampfen.

Was muss noch passieren, bevor Solarflower in den Handel kommt?
Bei Solarflower sind die Parameter noch offen. Die Temperatur etwa ist noch nicht genau festgelegt. Das können wir je nach Schwerpunkt auf thermischen oder elektrischen Output noch anpassen. Die Kostenoptimierung für verschiedenen Use-Cases steht ebenfalls noch an.

Wird es eine Möglichkeit geben, die thermische Energie zu speichern?
Das ist eine Option, die wir prüfen.

Strom bleibt aber das wichtigste Produkt der Sonnenblume?
Elektrische Energie ist sehr wertvoll, weil sie leicht transportierbar ist. Wasser und Kühlung sind daher eher Zweitprodukte.

Ist ein Betrieb in Europa, wo die Sonneneinstrahlung weniger stark ist, überhaupt sinnvoll?
In der Schweiz haben wir die Versuchsanlage im Tessin, die sie sich durchaus schon effizient betreiben lässt. Allerdings könnten Projekte in Regionen mit mehr Sonnenenergie, wie etwa Nordafrika, Energie für Europa liefern und gleichzeitig die lokale Wirtschaft beleben, indem die Systeme vor Ort gebaut werden. Dadurch würde ein neuer Energiezweig entstehen.

Dieses Interview entstand im Rahmen einer Reise nach Zürich auf Einladung von IBM.