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Wärme-Management Diagonallüfter kühlen Superrechner in Jülich

Autor / Redakteur: Dr. Walter Angelis, Entwicklungsleiter ebm-papst St. Georgen / Wolfgang Leppert

Höchstleistungsrechner erlauben heute Simulationen von komplexen Abläufen in Biologie, Chemie, Physik und Klimaforschung. Mit dem Supercomputer JUBL stellt das Forschungszentrum Jülich der Wissenschaft seit März 2006 den deutschlandweit schnellsten Rechner zur Verfügung.Die hohe Rechenleistung ermöglicht bessere Einblicke in die Materialforschung, Nanotechnologie und Erkundung neuer Energiequellen. Schon die Energieversorgung des Rechners stellt hohe Ansprüche, und da auch für ihn der Energie-Erhaltungssatz gilt, muss die Abwärme Tausender von Prozessoren gezielt abgeführt werden. Ein spezielles Lüftungskonzept, in dem elektronisch gesteuerte Diagonallüfter die nötige Kühlluft fördern, sorgt für den problemlosen Betrieb.

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Zuverlässiges Wärme-Management baut auf moderne Lüfterracks
Zuverlässiges Wärme-Management baut auf moderne Lüfterracks
( Archiv: Vogel Business Media )

Das Forschungszentrum Jülich ist eine weltweit renommierte Forschungseinrichtung und die größte multidisziplinäre Einrichtung ihrer Art in Europa. Sie ist mit anderen Forschungszentren in Deutschland per Rechnervernetzung verbunden. Um die eigenen Rechenkapazitäten, die vor Ort, aber auch europaweit 200 Forschergruppen zur Verfügung stehen, weiter auszubauen, wurde mit JUBL (Juelich Blue Gene/L von IBM) ein neuer Supercomputer installiert. Der Höchstleistungsrechner kann bis zu 46 Terra-Flop/s verarbeiten und untermauert so die Spitzenposition des Forschungszentrums in der rechenintensiven Forschung. In der Chemie und Medizin (z.B. zur Entwicklung neuer Moleküle und Medikamente), der Umweltsimulation (z.B. Ausbreitung von Schadstoffen im Grundwasser) oder auch der Nano-Elektronik (z.B. Entwicklung dünnster magnetischer Schichten für Hochleistungs-Festplatten) sind hohe Rechenleistungen für die Forscher unabdingbar. Spitzenforschung auf praktisch jedem Gebiet ist ohne massive Rechenleistung und der dazu nötigen Infrastruktur für den Betrieb der Rechner unmöglich. Mit JUBL baut das Forschungszentrum deshalb seine Aktivitäten im Bereich des wissenschaftlichen Rechnens konsequent weiter aus.

Tausende von Prozessoren arbeiten parallel

Um eine derart hohe Rechenleistung preiswert sowie mit vertretbarem und noch beherrschbarem Energieaufwand zu erreichen, setzen die Hersteller heute auf so genannte Parallelrechner. Bei diesen arbeiten Tausende von Einzelprozessoren simultan an derselben Aufgabenstellung. Im Fall von JUBL verrichten insgesamt 16 384 Prozessoren gleichzeitig ihre Arbeit. Trotz stromsparender Chips summiert sich bei solchen Mengen natürlich die Abwärme der Prozessoren. Um die Prozessor-Vernetzung und das Wärme-Management zu optimieren, ist der Rechner daher aus modularen Komponenten aufgebaut. Je zwei Prozessoren sitzen auf einem Chip, und diese wiederum zu jeweils acht auf einem Board. Je 128 Boards ergeben ein Rack. Das Rack sitzt in einem Schrank, der auch die Lüftungskanäle und Lüfter enthält. Die Hochleistung auf engstem Raum bedeutet, dass eine große Abwärmemenge sicher abgeführt werden muss.

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Kombi-Lösung mit optimaler Aerodynamik

Im Supercomputer arbeiten daher 144 Einschubmodule mit integrierter Temperatur-Überwachung über einen NTC-Sensor. In jedem Modul sorgen drei Lüfter von ebm-papst aus St. Georgen für die nötige Luftförderung. Das Kühlsystem überwacht und steuert über einen I²C-Bus und eine Reglerkarte die Einschübe. Die Reglerkarte steuert dann über ein PWM-Signal die drei Lüfter an. Die Module können für Servicearbeiten im Betrieb gewechselt werden – eine Forderung, die mit der entsprechenden Bauteildichte im Schrank besondere Ansprüche an die Lüfter stellt. Hohe Bauteildichte bedeutet nämlich einen hohen Gegendruck im Gerät. Normale Axiallüfter sind da überfordert. Die platzsparende Anordnung der Lüfter in den Modulen erlaubt aber auch keine Radiallüfter. Und genau für solche Fälle hat der Schwarzwälder Lüfterspezialist seine Diagonallüfter-Reihe entwickelt, welche die Eigenschaften von Radial- und Axiallüftern kombinieren: Der Luftförderstrom entspricht weitgehend dem des Axiallüfters, sie können jedoch wie Radiallüfter eine größere Druckerhöhung der geförderten Luft sicherstellen. Damit eignet sich das Prinzip besonders für die Kühlluft-Zuführung bei hochintegrierten komplexen elektronischen Geräten.

Modul-Austuasch bei laufendem Betrieb

Die Forderung nach jederzeit austauschbaren Modulen stellt weitere Ansprüche: Wird ein Kühl-Modul entfernt, arbeiten alle anderen Module weiter. Auf der Elektronikseite herrscht daher ein Überdruck gegenüber der Saugseite. Wird nun das neue Modul eingeschoben, so treibt der durch den Überdruck erzeugte Luftstrom die noch nicht mit der Versorgungsspannung verbundenen Lüfter entgegengesetzt zur Förderrichtung an. Die Lüfternabe muss also erst abgebremst und dann in Förderrichtung auf Nenndrehzahl beschleunigt werden, um den Förderbetrieb aufzunehmen. Herkömmliche Lüfterantriebe sind damit überfordert. Der Einsatz des Diagonallüfters DV 4100 mit VarioPro-Elektronik erfüllt auch diese Anforderung.

Das bei Diagonallüftern sich prinzipbedingt kegelförmig nach hinten verbreiternde Lüfterrad erlaubt den Einsatz größerer Steuerungsplatinen. Damit stehen die vielfältigen Eigenschaften, die der VarioPro-Antrieb mit seiner integrierten programmierbaren Steuerelektronik bietet, auch dem Lüfter zur Verfügung. Die integrierte Steuerzentrale aus Microcontroller und EPROM bremst nach dem Modulwechsel in der Startphase das Lüfterrad motorisch bis zum Stillstand ab. Danach wird es mit höherem Anlaufdrehmoment (um die Systemströmung zu überwinden) beschleunigt. Das verkürzt die Anlaufphase erheblich. Im Druckbereich von 90 bis 160 Pa liefert der Lüfter dann zwischen 260 und 130 m3/h, die Lebensdauer liegt bei 40 000 h (60°C) bis 70 000 h (20°C). Im Betrieb überwacht der Controller den Lüfter ständig auf Abweichungen und übernimmt die Kommunikation mit der Reglerkarte.Die Reglerplatine und die übergeordnete Rechnereinheit sind so von der eigentlichen Lüfterregelung entlastet. Da jeder Lüfter seinen eigenen Controller enthält, ist die Redundanz im System sehr hoch – ein wichtiger zusätzlicher Sicherheitsvorteil.

Problemlose Nachrüstung bei erhöhtem Kühlbedarf

Diagonallüfter erlauben eine problemlose und platzsparende Nachrüstung bei schwierigen Kühlaufgaben mit erhöhtem Strömungswiderstand im Gerät. Der gegenüber Axiallüftern höhere Druck bei praktisch gleichen Montage-Abmessungen erlaubt eine leichte Um- oder Nachrüstung bei gestiegenem Kühlungsbedarf (z.B. durch Nach- oder Aufrüstung). Mit dem integrierten VarioPro-Antrieb überwacht sich der Lüfter selbst, die besseren motorischen Möglichkeiten wie Bremsbetrieb und Schwerlastanlauf erweitern das Einsatzspektrum zusätzlich. Damit verringern sich die Konstruktions- sowie die Lagerhaltungs-Kosten drastisch.

ebm-papst St. Georgen

Tel. +49(0)7724 810

Diagonallüfter: das Prinzip

Ein Diagonallüfter nutzt sowohl den von Axiallüftern bekannten „Schaufeleffekt“ der Lüfterflügel wie auch das Prinzip der Zentrifugal-Beschleunigung der Radiallüfter. Vorteil ist ein dem Axiallüfter weitgehend entsprechender Volumenstrom bei gleichzeitig höherem Druckaufbau. So lassen sich auf einfache Weise ohne Änderungen im Gerätedesign höhere Gegendrücke überwinden. Wichtigstes Merkmal des Diagonallüfters ist seine konische Läufernabe. Der Lüfter saugt die Luft weitgehend axial an. Die als Kegelmantel ausgebildete Nabe hat im Einzugsbereich einen kleinen Querschnitt, zur Förderseite hin steigt der Durchmesser an. Die damit verbundene höhere Umfangsgeschwindigkeit der Schaufelspitzen am Auslass bedeutet auch eine höhere Zentrifugal-Beschleunigung der Luft. Der Strömungsweg wird so den aerodynamischen Vorgängen angepasst. Bei identischer Baugröße wird mehr Energie in die Luft übertragen, der erreichbare Druck steigt an. Die Wirbelbildung ist durch die Kegelform des Lüfterrades minimiert. Auch bei hoher Drehzahl bzw. hohem Druckaufbau arbeitet der Lüfter daher sehr leise. Dazu ist allerdings Feinarbeit nötig: Denn mit steigendem Lüfterrad-Durchmesser wächst die Umfangsgeschwindigkeit nach außen hin an. Bei der geringeren Umfangsgeschwindigkeit an der Nabe müssen die Schaufeln stärker gekrümmt sein, um die Luft ausreichend beschleunigen zu können. Diese Krümmung muss nach außen hin immer weiter abnehmen, um Luftablösungen und Wirbelbildung zu vermeiden. Die so über Schaufelprofil und Zentrifugalbeschleunigung geförderte Luft verlässt den Lüfter dann auf diagonalem Weg schräg nach außen. Auf diese Weise erhält man einen kompakten Lüfter mit vergleichsweise hoher Fördermenge bei großem Druckaufbau. Dank der aerodynamischen Optimierung arbeitet er trotzdem sehr leise.

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