Van ventilator naar vloeistof

Wordt liquid cooling strategische factor voor Nederlandse ai-datacenters? De opmars van generatieve ai en high-performance computing vergroot niet alleen de vraag naar rekenkracht, maar ook naar efficiënte koeling. Vooral in Nederland, waar ruimte en netcapaciteit schaars zijn, heeft liquid cooling de potentie om te promoveren van nichetechnologie naar een strategische bouwsteen voor nieuwe datacenters. Die ontwikkeling stond centraal tijdens een internationaal persevenement van Schneider Electric in Buffalo, in de Amerikaanse staat New York (en op ongeveer dertig kilometer vanaf de Niagara Falls die met donderend geweld grote hoeveelheden energie opwekken). Volgens het bedrijf produceren moderne ai-workloads twintig tot vijftig keer meer warmte dan traditionele serveromgevingen. Daarmee komt de klassieke luchtgekoelde serverruimte steeds verder onder druk te staan. Voor Nederland is dat geen louter technisch vraagstuk meer. Het raakt direct aan de groei van datacenters, de energietransitie, netcongestie en de ambitie om een rol te blijven spelen in de Europese ai-infrastructuur. In die context ontwikkelt liquid cooling zich snel van nichetoepassing tot strategische infrastructuur. Om dat belang te begrijpen, moet duidelijk zijn wat er in moderne ai-datacenters verandert. Traditionele datacenters draaien vooral op cpu-servers: systemen met een beperkt aantal krachtige rekenkernen voor algemene it-taken, zoals databases, cloudtoepassingen en bedrijfssoftware. Ai-toepassingen gebruiken steeds vaker gpu-servers. Deze processoren, oorspronkelijk ontwikkeld voor grafische berekeningen, bevatten duizenden kleinere rekenkernen die gelijktijdig grote aantallen berekeningen kunnen uitvoeren. Dat maakt ze geschikt voor machine learning, ai-training, inferencing en high-performance computing (hpc). Prijs Die parallelle rekenkracht heeft wel een prijs: een fors hoger energieverbruik. Moderne ai-chips, zoals Nvidia H100- en Blackwell-gpu’s, kunnen honderden tot meer dan duizend watt per chip verbruiken. Een ai-server met meerdere gpu’s komt daardoor gemakkelijk boven de tien tot twintig kilowatt uit, terwijl complete racks inmiddels richting 150 tot 250 kilowatt bewegen. Dat is een vermogensdichtheid die traditionele luchtkoeling nauwelijks nog aankan. Volgens Schneider Electric ligt de praktische grens van luchtkoeling inmiddels rond tachtig kilowatt per rack. Daarboven wordt vloeistofkoeling feitelijk noodzakelijk. ‘De hoeveelheid lucht en luchtsnelheid die nodig zijn om zulke racks te koelen, zitten nu al aan hun maximum,’ zegt Hoang. Jarenlang was luchtkoeling voldoende. Koele lucht werd via serverruimtes, gangen en ventilatoren langs servers geleid om warmte af te voeren. Die techniek werd steeds verder verfijnd met containment-systemen, rijkoeling en high-density air cooling. Maar ai verandert de spelregels. Waar traditionele racks vaak tussen drie en twintig kilowatt verbruiken, zitten moderne ai-racks daar ver boven. Volgens Schneider Electric beperkt luchtkoeling inmiddels letterlijk het aantal gpu’s dat in een rack is te plaatsen. De reden is dat lucht warmte relatief inefficiënt afvoert, terwijl vloeistoffen daar veel beter in zijn. Schneider Electric stelt dat directe vloeistofkoeling tot drieduizend keer effectiever kan zijn in warmteafvoer dan luchtkoeling. Daarom verschuift de sector snel richting liquid cooling. Volgens het bedrijf zal uiteindelijk circa driekwart van de ai-deployments op vloeistofkoeling uitkomen. Direct-to-chip De belangrijkste vorm van liquid cooling in moderne ai-datacenters is direct-to-chip cooling. Daarbij stroomt koelvloeistof — meestal water in een gesloten systeem — direct langs de heetste onderdelen van een server: de cpu’s en gpu’s. Op die chips worden metalen cold plates geplaatst. De vloeistof neemt de warmte bij de bron op en transporteert die via leidingen naar een coolant distribution unit (cdu), die temperatuur, druk en doorstroming regelt. Het grote voordeel is dat warmte niet eerst via lucht uit de serverruimte hoeft te worden verwijderd. Daardoor zijn veel minder ventilatoren nodig en zijn racks veel dichter te bouwen. Luchtkoeling verdwijnt daarmee niet volledig. Ook in direct-to-chip-systemen blijft ongeveer tien tot dertig procent van de warmtebelasting afhankelijk van luchtkoeling, bijvoorbeeld voor geheugenmodules, netwerkcomponenten en andere elektronica. Dat maakt liquid cooling relevant voor hybride omgevingen waarin bestaande datacenters stapsgewijs worden aangepast aan ai-workloads. Ruimtedruk Tuan Hoang, head of cooling technology and product development bij Schneider Electric, legt uit dat liquid cooling juist voor Nederland een antwoord kan zijn op de groeiende ruimtedruk rond datacenters. ‘Liquid cooling kan veel meer warmte afvoeren dan traditionele luchtkoeling. Daardoor is minder ruimte nodig voor luchtstromen en luchtbeheer in een datacenter. En dat maakt de totale ruimtebehoefte kleiner, wat interessant is voor landen zoals Nederland, waar ruimte schaars is.’ Tuan Hoang, head of cooling technology and product development Schneider Electric. Volgens Hoang leidt de groei van ai normaal gesproken tot steeds grotere ondersteunende infrastructuren voor koeling en ventilatie. ‘Alle energie wordt uiteindelijk warmte. Traditionele luchtkoeling vraagt daarom grote ventilatoren, luchtkanalen en koelsystemen.’ Bij vloeistofkoeling verandert dat fundamenteel. Een cdu — de installatie die de koelvloeistof beheert — neemt volgens hem relatief weinig ruimte in beslag. ‘Een cdu voor één megawatt heeft ongeveer het formaat van een kast. In traditionele datacenters zou je daarvoor complete fan walls of grote luchtkoelsystemen nodig hebben.’ Volgens Hoang kan liquid cooling daardoor meer dan tachtig procent ruimte besparen ten opzichte van klassieke luchtkoeling. Dat komt doordat vloeistof warmte veel efficiënter transporteert dan lucht. ‘Vloeistof voert warmte ongeveer drieduizend keer efficiënter af’, aldus de koelingsexpert. Netcongestie Voor Nederland is vooral de mogelijke impact op netcongestie relevant. Nieuwe datacenters lopen tegen beperkingen van het elektriciteitsnet aan. Volgens Hoang kan liquid cooling helpen om beschikbare netcapaciteit efficiënter te benutten, omdat minder energie nodig is voor koeling en dus meer vermogen beschikbaar blijft voor it-apparatuur. Hij schetst een voorbeeld van een datacenter met een aansluiting van vijftig megawatt. Bij een traditionele Power Usage Effectiveness (PUE; internationale maatstaf om de energie-efficiëntie van datacenters en serverruimtes te meten) van 1,2 gaat ongeveer tien megawatt naar ondersteunende systemen zoals koeling, terwijl veertig megawatt beschikbaar blijft voor servers. ‘Als je met liquid cooling de benodigde koelenergie kunt terugbrengen naar bijvoorbeeld vijf megawatt, dan komt die extra vijf megawatt beschikbaar voor rekencapaciteit. Je benut de beschikbare stroom dus veel efficiënter voor het daadwerkelijke doel van het datacenter.’ Dat, zo stelt Hoang in het vooruitzicht, kan in een land met beperkte netcapaciteit een belangrijk economisch voordeel worden. Immersion cooling Naast direct-to-chip bestaat ook immersion cooling. Daarbij worden volledige servers ondergedompeld in een niet-geleidende vloeistof. Hierdoor is vrijwel alle warmte direct af te voeren zonder ventilatoren. Immersion cooling biedt maximale thermische efficiëntie en is geschikt voor extreme hpc-omgevingen en supercomputers. Tegelijk vraagt het om ingrijpende aanpassingen aan infrastructuur en hardware. Daarom lijkt direct-to-chip voorlopig de dominante route voor commerciële ai-datacenters. Immersion cooling blijft waarschijnlijk vooral relevant voor nichetoepassingen met extreme vermogensdichtheden. Wisselstroom De volgende ontwikkeling dient zich inmiddels ook al aan: 800 volt gelijkstroomarchitecturen (800 VDC). Traditionele datacenters gebruiken wisselstroom (AC), waarbij elektriciteit meerdere keren wordt omgezet voordat servers ermee kunnen werken. Dat veroorzaakt energieverlies en extra warmte. Bij 800 VDC wordt elektriciteit efficiënter verdeeld via gelijkstroom. Daardoor zijn minder omzettingen nodig, dalen verliezen en kunnen veel hogere vermogens per rack worden ondersteund. Voor ai-datacenters is dat essentieel. Nieuwe gpu-clusters verbruiken inmiddels zoveel stroom dat traditionele AC-architecturen steeds minder schaalbaar worden. Liquid cooling en 800 VDC versterken elkaar daarbij. Hogere elektrische dichtheid leidt immers direct tot hogere warmtedichtheid. Zonder geavanceerde koeling worden zulke vermogens praktisch onhaalbaar. Voor een land als Nederland, waar ruimte schaars en netcapaciteit beperkt zijn, kan deze combinatie bijzonder interessant worden. Compactere, efficiëntere ai-infrastructuur maakt het mogelijk om meer rekenkracht te leveren binnen dezelfde fysieke en energetische grenzen. Duurzaamheid Volgens Hoang wordt duurzaamheid een kernonderdeel van de ontwikkeling van nieuwe datacentertechnologie. ‘Alles wat we ontwikkelen, is erop gericht klanten te helpen hun duurzaamheidsdoelen te behalen,’ zegt hij. Watergebruik speelt daarin een belangrijke rol. Hoewel liquid cooling vaak met water wordt geassocieerd, benadrukt Schneider Electric dat ook waterloze of gesloten systemen mogelijk zijn. Het bedrijf ontwikkelt onder meer luchtgekoelde chillers die zonder waterverbruik functioneren. Belangrijker nog is volgens hem dat de sector meer keuzemogelijkheden krijgt. ‘Het belangrijkste is dat klanten zien dat er alternatieven zijn en dat duurzame groei van datacenters mogelijk is.’ Grotere vragen Liquid cooling lijkt op het eerste gezicht een technische optimalisatie van serverkoeling. In de praktijk raakt de technologie aan grotere vragen over energie, economie en digitale autonomie. Zonder efficiëntere koeling wordt verdere groei van ai-infrastructuur steeds moeilijker — technisch, financieel en maatschappelijk. Dat geldt wereldwijd, maar zeker voor een dichtbevolkt land als Nederland waar de keuze voor koeling kan uitgroeien tot een strategische factor in de verdere ontwikkeling van datacenters. Dat allemaal maakt dat de ai-economie van de toekomst niet alleen draait om chips en algoritmen, maar ook om iets fundamenteler: hoe houden we de enorme warmte van die digitale revolutie beheersbaar?