Was versteht man unter der Leistungsdichte in Rechenzentren und wie wirkt sich KI darauf aus?

Vergleicht man ein Rechenzentrum aus dem Jahr 2019 mit einem aus dem Jahr 2026, fallen die unterschiedliche Kühlarchitektur, die neuen Modellbezeichnungen der Server sowie die überquellenden Stromkabel und Stromschienen auf. All diese Veränderungen stehen in direktem Zusammenhang mit der steigenden Leistungsdichte in Rechenzentren. 

Ältere Anlagen, die sich keine Gedanken über KI-Workloads machen müssen, können ihre Kapazität und Leistungsdichte bei steigendem Bedarf schrittweise erhöhen. Hyperscaler müssen die Grenzen dessen ausreizen, wie viel Strom eine Anlage realistisch gesehen beziehen kann.

Die Nachfrage nach Workloads mit hoher Leistungsdichte in Rechenzentren hat nicht nachgelassen, weshalb Betreiber von Rechenzentren eine Steigerung der Leistungsdichte einplanen müssen. In welchem Umfang sie eine Erweiterung einplanen müssen, hängt von den ausgeführten Workloads, den vorhandenen Kühlsystemen und dem Zugang zu ausreichender Netzstromversorgung ab. 

Kurzinfo: Was Sie über die Leistungsdichte in Rechenzentren wissen müssen

• Der sprunghafte Anstieg der Leistungsdichte in Rechenzentren wird vorangetrieben durch GPU-basiert KI-Rechenleistung, bei der die Leistungsaufnahme auf Chip-Ebene die Annahmen bei der Anlagenplanung übertroffen hat.
• Laut der „Global Data Center Survey“ des Uptime Institute ist die durchschnittliche Rack-Dichte in Rechenzentren von etwa 4–5 kW vor zehn Jahren auf heute 8–9 kW gestiegen.
• Laut Schneider Electric arbeiten KI-Racks mit hoher Dichte bereits mit einer Leistung von über 130 kW, wobei für Systeme der nächsten Generation eine Leistung von 240 kW und mehr prognostiziert wird.
• Ab einer Leistung von etwa 30 kW pro Rack reicht die Luftkühlung nicht mehr aus. Die Einführung der Direkt-auf-Chip-Flüssigkeitskühlung stagniert seit zwei Jahren in Folge bei 22%, obwohl die Nachfrage danach steigt.
• Trotz des Booms bei Racks mit hoher Leistungsdichte verfügen 82% der Rechenzentren über keine Racks mit einer Leistung von etwa 30 kW, gemäß dem Uptime Institute.
  

Was versteht man unter der Leistungsdichte eines Rechenzentrums?

Die Leistungsdichte ist die Leistungsaufnahme eines vollständig bestückten Racks, gemessen in Kilowatt pro Rack. Sie gibt an, wie viel Wärme und elektrische Last auf einer bestimmten physischen Fläche konzentriert ist. Sie misst weder die Fläche in Quadratfuß noch die Anzahl der Server, doch wenn man die Leistungsdichte mit diesen Faktoren kombiniert, ergibt sich ein umfassendes Bild des Stromverbrauchs im Rechenzentrum. 

Ein 10-kW-Rack und ein 130-kW-Rack können dieselbe Bodenfliese einnehmen. Der Unterschied liegt ausschließlich darin, was rund um diese Fliese geschehen muss: 

• Wie viel Strom wird ihm zugeführt? 
• Wie viel Kühlleistung wird benötigt, um die erzeugte Wärme abzuführen?
• Wie viel baulichen und elektrischen Spielraum die umgebende Anlage benötigt, um dies zu unterstützen.
  

Warum die Leistungsdichte wichtiger ist als die Gesamtleistung einer Anlage

Zwei Anlagen können zwar die gleiche Gesamtleistung in Megawatt beziehen, stehen jedoch vor völlig unterschiedlichen technischen Problemen, je nachdem, wie sich diese Leistung auf die Racks verteilt.

Eine Anlage mit 200 Racks à 5 kW hat eine IT-Gesamtlast von 1 MW. Würde man dieselbe Last auf 20 Racks konzentrieren, wären 50 kW pro Rack erforderlich, wodurch die gleiche Leistungsaufnahme auf ein Zehntel der Rack-Positionen entfallen würde und eine wesentlich größere Herausforderung für die Kühlung entstünde.  Die Wärme muss schnell abgeführt werden, und herkömmliche Randluftkühlung war nie dafür ausgelegt, diese Wärme abzuleiten.

Eine deutliche Mehrheit der Rechenzentren muss sich keine Gedanken über Racks mit einer Leistung von über 50 kW machen, doch die Neubauten der Hyperscaler weisen fast ausschließlich eine hohe Leistungsdichte auf. Das Uptime Institute schätzt, dass etwa ein Drittel der Betreiber bereits neue Kapazitäten speziell für Schränke mit hoher Dichte aufbaut – was deutlich macht, in welche Richtung sich der Markt entwickelt, auch wenn die derzeitige installierte Basis noch nicht ganz auf dem neuesten Stand ist.

Warum steigt die Leistungsdichte?

Die kurze Antwort: Nicht Allzweckserver, sondern GPUs geben derzeit das Tempo vor.

Traditionell Unternehmens-Computing ist stetig, aber vorhersehbar gewachsen. Bei der Hardware für KI-Training und -Inferenz war dies nicht der Fall.

Die Rack-Scale-Systeme von NVIDIA bündeln Dutzende von GPUs in einer einzigen, miteinander verbundenen Einheit, gerade weil eine engere Integration die Trainingsleistung verbessert – und genau diese Integration ist es, die den Stromverbrauch so deutlich in die Höhe treibt. Die 132 kW des NVL72 sind ein Feature, kein Fehler. Sie ist das direkte Ergebnis der Unterbringung von 72 GPUs (neben anderen Komponenten) in einem Rack, um die Latenz zwischen ihnen zu minimieren.

Vertiv geht davon aus, dass die KI-Dichte auf Rack-Ebene zwischen 2024 und 2029 von rund 50 kW auf 1 Megawatt steigen wird. Ob jeder Betreiber ein 1-Megawatt-Rack benötigt, ist eine andere Frage.

Eines steht außer Frage: die Entwicklung. Jede GPU-Generation von NVIDIA wurde mit einer höheren Leistungsaufnahme pro Rack ausgeliefert als die vorherige, und die Planung der Anlagen muss dieser Roadmap Rechnung tragen. 

Das Ergebnis ist eine Zweiteilung des Marktes in zwei Ebenen. 

Auf der einen Seite gibt es Hyperscaler und auf KI spezialisierte Colocation-Anbieter, die mit voller Kraft auf Racks mit dreistelligen Kilowattzahlen zusteuern. Auf der anderen Seite stehen traditionelle Unternehmensrechenzentren, die nach wie vor im Bereich von 8 bis 9 kW verharren und für die es keinen Grund gibt, dies in naher Zukunft zu ändern.

Was bedeutet eine zunehmende Dichte für die Infrastruktur von Rechenzentren?

Die Luftkühlung stößt an ihre Grenzen, und die meisten Betreiber haben diese bereits fast erreicht.

Luftkühlungssysteme am Rand und innerhalb der Reihen verlieren in der Regel ab etwa 30 kW pro Rack an Wirksamkeit. Ab diesem Punkt ist es physikalisch nicht mehr machbar, genügend Luft schnell genug zu bewegen, um die Wärme aus dem Schrank abzuführen. 

Aus diesem Grund hat sich die Direkt-auf-Chip-Flüssigkeitskühlung von einer Nischenlösung zum Standardthema bei jeder Leistungsdichte über 30 kW entwickelt. Derzeit macht sie bei den befragten Betreibern etwa 22% der Kühlungslösungen aus – eine Zahl, die seit zwei Jahren in Folge unverändert geblieben ist, obwohl 61% der Betreiber angeben, dass sie den Einsatz dieser Technologie in Betracht ziehen würden.

Diese Kluft zwischen steigender Nachfrage und stagnierender Verbreitung ist das eigentliche Problem in Bezug auf Infrastruktur und Leistungsdichte. Die Technologie hat sich bewährt, doch die Nachrüstung bestehender Anlagen mit Stromverteilung, Rohrleitungen und tragenden Konstruktionen ist zeitaufwendig und kostspielig.

Beachten Sie, dass die Hybridkühlung, bei dem in Bereichen mit geringer Leistungsdichte Luftkühlung und in Bereichen mit hoher Leistungsdichte Flüssigkeitskühlung zum Einsatz kommt, ist der vorherrschende Ansatz. Dadurch wird es umso wichtiger, die Leistungsdichte Ihres Rechenzentrums genau zu kennen, damit Sie Ihr Rechenzentrum mit dem optimalen Kühlkonzept planen können. 

Eine höhere Dichte verkürzt zudem die Nutzungsdauer der umgebenden Infrastruktur. Stromverteilereinheiten, Stromschienen und Kühlsysteme, die für einen Durchschnittsbedarf von 10 kW ausgelegt sind, können ein 130-kW-Rack nicht problemlos bewältigen. Sie werden ersetzt und nicht aufgerüstet.

Das hat direkte Auswirkungen auf die Erneuerungszyklen: Die Hardware, die auf den Dichteannahmen von gestern basiert, wird schneller veraltet, als es der Abschreibungsplan vorsieht, und wird in großem Umfang außer Betrieb genommen, wenn eine Einrichtung schließlich den Umstieg auf Racks der nächsten Generation vollzieht.

Wenn eine Einrichtung modernisiert wird, um Racks mit höherer Dichte zu unterstützen, werden die Server, PDUs und Kühlgeräte, die für die alte Dichte ausgelegt waren, nicht umfunktioniert. Sie werden außer Betrieb genommen – meist in großer Stückzahl und meist innerhalb eines Zeitrahmens, der enger ist, als ursprünglich veranschlagt. Falls dieser Übergang auf Ihrer Roadmap steht, Die Dienstleistungen von exIT zur Stilllegung von Rechenzentren die Logistik, die Nachverfolgbarkeit und die Datenlöschung genau für diese Art von großangelegter Infrastrukturumstellung zu übernehmen.