Künstliche Intelligenz
Neue Kühltechnologie bekämpft den steigenden Energiebedarf der KI
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Eine neue Kühltechnologie wurde von Ingenieuren der University of California, San Diego entwickelt, die die Energieeffizienz von Rechenzentren drastisch verbessern kann, welche für die Entwicklung und den Einsatz von KI entscheidend sind.
Rechenzentren sind Einrichtungen, die die Infrastruktur beherbergen, die zum Trainieren und Bereitstellen von KI‑Modellen erforderlich ist. Dazu gehören fortschrittliche Compute‑, Netzwerk‑ und Speicherarchitekturen sowie Energie‑ und Kühlkapazitäten, um den massiven Datenverarbeitungsanforderungen von KI‑Workloads gerecht zu werden.
Während traditionelle Rechenzentren viele der gleichen Komponenten wie ein KI‑Rechenzentrum besitzen, einschließlich Server, Speichersysteme und Netzwerkausrüstung, variiert ihre Rechenleistung stark. Dies liegt an den außergewöhnlichen Anforderungen hochintensiver KI‑Workloads, die Hochleistungs‑Grafikprozessoren (GPUs) erfordern.
Nicht nur die sehr große Anzahl von GPUs, die für KI‑Anwendungen nötig ist, erfordert viel mehr Fläche, sondern sie benötigen auch fortschrittliche Energie‑ und Kühlkapazitäten.
Tatsächlich lässt die explosive Nutzung von KI und ihre fortlaufende Expansion die Nachfrage nach Datenverarbeitung in die Höhe schnellen.
Rechenzentren werden voraussichtlich zu den größten Energieverbrauchern weltweit gehören. Schätzungen deuten darauf hin, dass der Energieverbrauch von Rechenzentren bis 2030 um bis zu 160 % auf über 1.000 Terawatt‑Stunden (TWh) steigen könnte, was 3 % bis 4 % des weltweiten Stromverbrauchs ausmachen würde.
Dieser Anstieg wird durch die steigenden Rechenanforderungen fortschrittlicher KI‑Anwendungen getrieben, die zu erheblicher Wärmeentwicklung führen und effektive Kühllösungen erforderlich machen.
Tatsächlich entfallen 40 % des gesamten Energieverbrauchs eines Rechenzentrums allein auf die Kühlung der Hochleistungs‑Computing‑Hardware, insbesondere GPUs und Beschleuniger.
Diese Komponenten erzeugen deutlich mehr Wärme als herkömmliche CPUs, besonders während des KI‑Trainings und der Verarbeitung großer Sprachmodelle. Zudem führt die erhöhte Dichte der Rechenleistung in modernen KI‑Servern zu einer höheren Wärmekonzentration, was effizientere Kühllösungen erfordert.
„Kühlkosten sind ein signifikanter Overhead, dem Betreiber gegenüberstehen“, sagte Rithika Thomas, Senior Analyst für nachhaltige Technologien bei ABI Research, deren Bericht „Chilling Out: Cooling Systems for Data Centres“ Betreiber dazu aufruft, effektive Strategien zu übernehmen, um Leistung, Stabilität und Lebensdauer der Geräte zu erhalten.
Wenn dieser Trend anhält, könnte der globale Energieverbrauch für Kühlung bis zum Ende dieses Jahrzehnts mehr als das Doppelte betragen, was die Suche nach einer Lösung dieses Problems entscheidend macht.
„Effektive Kühlstrategien erfordern einen ganzheitlichen, technologie‑agnostischen Ansatz, um Power Usage Effectiveness (PUE), Water Usage Effectiveness (WUE) und das thermische Management zu optimieren und Betriebskosten zu senken.“
– Thomas
KI‑s unersättlicher Wärmebedarf erfordert intelligentere Kühllösungen
Das Problem ist, dass herkömmliche luftbasierte Kühlmethoden zunehmend ungeeignet werden, um die Wärmebelastungen moderner Server zu bewältigen. Diese Methoden verbrauchen bereits bis zu 45 % der gesamten Energie eines Rechenzentrums.
Bei der maximalen Wärmeflussdichte moderner CPU‑ und GPU‑Chips liegt dieser Wert derzeit deutlich über 50 W/cm². Wärmefluss (oder thermischer Fluss) ist einfach die Rate, mit der Energie von einem Ort zum anderen in Form von Wärme übertragen wird.
Zum Beispiel hat NVIDIAs Hopper, ein KI‑Liebling und eine GPU‑Mikroarchitektur, die speziell für Rechenzentren zur Beschleunigung von KI‑ und Hochleistungs‑Computing‑Workloads (HPC) entwickelt wurde, eine thermische Designleistung (TDP) von 700 W bei einer Chipgröße von 814 mm² (86 W/cm² Wärmefluss) für KI‑Anwendungen.
Hopper ist NVIDIAs Nachfolger der Ampere‑Architektur und wurde mit über 80 Milliarden Transistoren im TSMC‑4N‑Prozess gebaut.
Dann gibt es die Miniaturisierung der Transistoren, die bis 2030 zu etwa zehnmal höherer Transistordichte im 1‑nm‑Knoten führen kann. Das kann zu über 200 W cm⁻² Wärmefluss führen, ein Niveau, das mit Luftkühlung nicht effizient und kostengünstig entfernt werden kann. Dadurch entsteht ein Bedarf an Flüssigkühlung.
Flüssigkühltechnologien sind nichts Neues. Die Branche hat sie bereits für ihre nächste Generation von Systemen übernommen, um das thermische Management und die Energieeffizienz zu verbessern.
Diese Kühlmethode überträgt die Wärme tatsächlich effektiver von den Servern weg als luftbasierte Systeme, wodurch Kühlkosten und Energieverschwendung reduziert werden.
Fortschrittliche Flüssigkühltechniken umfassen Mikrokanal‑Kaltplatten und Immersionskühlung mit dielektrischen Flüssigkeiten. Traditionelle Kühltechniken, wie einphasige oder kochende Wärmeübertragung, sind jedoch meist auf Wärmeflussdichten im Bereich von 100 W/cm² begrenzt.
Was wir also benötigen, sind Hochleistung‑Wärmeabfuhrstrategien. Sie sollten passiv sein, da sie keine zusätzliche Leistung benötigen würden. Obwohl wünschenswert, bleiben diese Strategien schwer fassbar.
Außerdem ist Kühlung nicht nur für CPU‑ und GPU‑Geräte wichtig, die für Computing und KI verwendet werden, sondern auch für Leistungselektronik wie Leuchtdioden‑Chips (LED), Hochleistungs‑Radio‑Frequenz‑Komponenten (RF), Galliumnitrid‑(GaN) Hoch‑Electron‑Mobility‑Transistoren (HEMTs) und Pump‑Laser.
Viele dieser Elektronikbauteile haben eine Leistungsabgabe von über 100 W/cm². Hier bietet die Verdampfungs‑Wärmeübertragung eine vielversprechende Technologie zur Kühlung von Hochleistungs‑Elektronik, mit mehreren bedeutenden Vorteilen gegenüber traditionellen Kühlmethoden.
Im Vergleich zu einphasigen Kühlsystemen ermöglicht die große latente Wärme des Flüssig‑Dampf‑Phasenwechsels eine effiziente Wärmeabfuhr bei gleichzeitig besserer Stabilität und ohne Hysterese (die Abhängigkeit des Systemzustands von seiner Geschichte). Außerdem sinken die Pumpleistungsanforderungen, wenn ein passiver kapillargetriebener Fluss genutzt wird.
Verdampfungsbasierte Systeme bieten tatsächlich einen effizienten und stärker kontrollierten Wärmeübertragungsmechanismus, besonders für Hochleistungs‑Anwendungen, im Gegensatz zum Kochen.
Angesichts der Notwendigkeit eines energieeffizienten thermischen Managements, das für Rechenzentren entscheidend ist, stellt die kapillargetriebene Dünnschicht‑Verdampfung in Membranen mit extrem kleinen Poren einen vielversprechenden Ansatz zur Ableitung hoher Wärmeflussdichten dar.
Neue Kühltechnologie zur Eindämmung steigender Energiebedarfe
Angesichts des kritischen Bedarfs an fortschrittlichen Kühlstrategien, um den Trend des rapide steigenden Energieverbrauchs bei der Kühlung von Rechenzentren zu bremsen, Betriebskosten zu senken und CO₂‑Reduktionsziele zu unterstützen, haben Ingenieure eine neue Verdunstungskühltechnologie für Rechenzentren und Hochleistungs‑Elektronik entwickelt.
Unterstützt von der National Science Foundation bietet diese neue Technik eine vielversprechende Alternative zu herkömmlichen Kühlsystemen wie Lüftern, Flüssigkeitspumpen und Kühlkörpern, wie im Fachjournal detailliert1 beschrieben. Sie könnte zudem den Wasserverbrauch vieler aktueller Kühlsysteme reduzieren.
Die neue Technologie verfügt über eine speziell entwickelte Faser‑Membran, die passiv Wärme durch Verdunstung entfernt. Die hier verwendete Niedrig‑Filter‑Membran besteht aus einem Netzwerk winziger, miteinander verbundener Poren, die mittels Kapillarwirkung Kühlflüssigkeit über ihre Oberfläche ziehen.
Während die Flüssigkeit verdunstet, wird die Wärme effizient von der darunter liegenden Elektronik abgeführt, ohne dass zusätzliche Energie nötig ist. Die Membran wird über Mikrokanälen oberhalb der Elektronik platziert, zieht die Flüssigkeit, die durch die Kanäle fließt, und dissipiert die Wärme effizient.
According to the study’s co-leader, Renkun Chen, professor in the Department of Mechanical and Aerospace Engineering at the UC San Diego Jacobs School of Engineering:
„Im Vergleich zu herkömmlicher Luft‑ oder Flüssigkühlung kann Verdunstung höhere Wärmeflussdichten dissipieren und dabei weniger Energie verbrauchen.“
Verdunstung zur Kühlung ist nichts Neues, da viele Anwendungen wie Verdampfer in Klimaanlagen und Heat‑Pipes in Laptops sie bereits nutzen. Die Anwendung der Methode auf Hochleistungs‑Elektronik war jedoch eine Herausforderung.
Versuche, poröse Membranen zu verwenden, waren erfolglos. Poröse Membranen besitzen große Oberflächen, die ideal für Verdunstung sind, aber frühere Versuche hatten entweder zu kleine Poren, die verstopften, oder zu große, die unerwünschtes Kochen auslösten, was zum Scheitern führte.
„Hier verwenden wir poröse Faser‑Membranen mit miteinander verbundenen Poren in der richtigen Größe“, sagte Chen. Auf diese Weise konnten die Ingenieure eine effiziente Verdunstung ohne diese Nachteile erreichen.
Bei Tests der Technologie über verschiedene Wärmeflussdichten hinweg stellten die Forscher fest, dass ihre Membran funktionierte und rekordverdächtige Leistungen erzielte.
Die Membran bewältigte Wärmeflussdichten von über 800 W pro Quadratzentimeter (W/cm²). Das ist einer der höchsten jemals für dieses Kühlsystem gemessenen Werte. Darüber hinaus erwies sie sich über mehrere Stunden hinweg als stabil, was einen skalierbaren und energieeffizienten Ansatz für die nächste Generation der Elektronik‑Kühlung hervorhebt.
„Dieser Erfolg zeigt das Potenzial, Materialien für völlig neue Anwendungen neu zu denken.“
– Chen
Er erklärte, dass die Faser‑Mitglieder ursprünglich für die Filtration entwickelt wurden. „Niemand hatte zuvor ihre Nutzung zur Verdunstung untersucht“, fügte er hinzu. Das Team erkannte jedoch die besonderen strukturellen Merkmale – miteinander verbundene Poren in der richtigen Größe – die sie perfekt für effiziente Verdunstungskühlung machten. Chen erklärte:
„Was uns überraschte, war, dass sie mit der richtigen mechanischen Verstärkung nicht nur den hohen Wärmefluss standhielten, sondern unter diesen Bedingungen außergewöhnlich gut funktionierten.“
Neben ihrer thermischen Leistung sind die Faser‑Membranen kostengünstig, skalierbar für die Fertigung und zeigen sowohl mechanische Flexibilität als auch Stärke, was ihr Potenzial für Dünnschicht‑Verdampfung unterstreicht und ihre Nützlichkeit für den Einsatz in Hoch‑Flux‑Elektronik‑Kühlsystemen anzeigt, wodurch sie eine robuste Lösung für das thermische Management der nächsten Generation darstellen.
Die Ergebnisse sind zwar vielversprechend, aber die Technologie arbeitet noch deutlich unter ihrer theoretischen Grenze. Das Team arbeitet nun daran, die Membran zu verfeinern und ihre Leistung zu optimieren.
In der nächsten Phase wird das Team seine Technologie in Prototypen von Kaltplatten integrieren, den flachen Bauteilen, die an GPUs und CPUs angebracht werden, um Wärme abzuleiten. Zur Kommerzialisierung wird ein Startup gegründet, das die Technologie auf den Markt bringen soll. Die Regents der University of California haben ebenfalls ein Patent zu dieser Arbeit eingereicht.
Innovationen der nächsten Generation im Kühlbereich
Angesichts der breiten Nutzung von KI, die voraussichtlich Billionen Dollar zur Weltwirtschaft beitragen wird, liegt nun ein wachsender Fokus darauf, ihren Energieverbrauch durch verschiedene Mittel zu reduzieren.
Im Mai 2025 veröffentlichte der Technologieriese Microsoft (MSFT ) ein Papier, das den Energie‑ und Wasserverbrauch sowie die Treibhausgas‑Emissionen (GHG), die durch Kühltechniken von Rechenzentren über deren gesamten Lebenszyklus entstehen, quantifiziert.
Diese Lebenszyklus‑Analyse bewertet nicht nur die während des Betriebs von Rechenzentren verbrauchten Ressourcen, sondern untersucht auch die Ressourcen, die zur Herstellung aller virtuellen Maschinen, Server, Chips, Kühlanlagen und anderer Ausrüstung nötig sind. Laut Microsoft können diese Daten Unternehmen dabei helfen, Rechenzentren zu entwerfen, die weniger Wasser, Energie und CO₂ verbrauchen.
According to the study lead Husam Alissa, who is a director of systems technology in Cloud Operations and Innovation at Microsoft:
„In diesem Papier setzen wir uns für den Einsatz von Lebenszyklus‑Analyse‑Tools ein, um frühe Engineering‑Entscheidungen zu leiten, und teilen das Tool mit der Branche, um die Einführung zu erleichtern.“
Zum Zweck der Studie sagte Alissa:
„Wir wollen der Branche sagen: ‚Hier ist, wie man eine End‑to‑End‑Lebenszyklus‑Analyse erstellt, die die Kühlung berücksichtigt. Und hier ist ein Tool, das Sie an Ihre spezifischen Bedürfnisse anpassen können, um eine Entscheidung zu treffen.‘“
Ihre Studie dauerte tatsächlich zwei Jahre, in denen sie vier Kühltechnologien evaluierten, nämlich Kaltplatten, Luftkühlung, einphasige Immersion und zweiphasige Immersion für Server.
Das Team erwartet, dass flüssige Ansätze bei den CO₂‑Emissionen sowie beim Energie‑ und Wasserverbrauch besser abschneiden als die Luftkühlung, die derzeit Industriestandard ist.
Während Microsoft Kaltplatten in seinen Rechenzentren installiert hat, untersucht es auch andere Kühltechniken, wie die rack‑scale Kaltplatten‑Kühltechnik, die Wärmetauscher‑Einheiten nutzt. Der Technologieriese entwickelt zudem eine neue Technologie, die den Wasserverbrauch um 30 % bis 50 % senken und den Energiebedarf sowie die GHG‑Emissionen um etwa 15 % über die gesamte Lebensdauer von Rechenzentren reduzieren soll.
Kürzlich hat das MIT Lincoln Laboratory ebenfalls einen speziellen Chip entwickelt, um Kühloptionen für verpackte Chip‑Stacks zu bewerten. Dieser einzigartige Chip dissipiert sehr hohe Leistungen, erzeugt Wärme über die Siliziumschicht und in spezifischen Hot‑Spots. Anschließend werden Kühltechnologien auf den Stack angewendet, wobei der Chip Temperaturänderungen misst.
Wird er in einen Stack eingebaut, ermöglicht er Forschern, genau zu untersuchen, wie Wärme durch die Schichten des Stacks wandert, und den Fortschritt zu messen, um sie kühl zu halten.
„Wenn Sie nur einen einzelnen Chip haben, können Sie ihn von oben oder unten kühlen. Aber wenn Sie mehrere Chips übereinander stapeln, hat die Wärme keinen Fluchtweg. Heute gibt es keine Kühlmethoden, die es der Industrie ermöglichen, mehrere dieser Hochleistungs‑Chips zu stapeln.“
– Der Studienleiter, Chenson Chen von der Advanced Materials and Microsystems Group des Labors
Investitionen in den KI‑Sektor
Ein globaler Marktführer für KI‑fokussierte GPUs, Nvidia (NVDA ) ist ein Full‑Stack‑Computing‑Infrastrukturunternehmen, das über die Segmente Compute & Networking und Graphics operiert.
Nvidia hat Partnerschaften mit Schlüsselakteuren in den Bereichen Halbleiter, Serverherstellung, Datenspeicherung und Unternehmenssoftware geschlossen, um die Bereitstellung von KI‑Anwendungen zu beschleunigen. Der Chiphersteller ist zudem stark in die Finanzierung von Start‑ups involviert, insbesondere KI‑Firmen wie OpenAI, xAI, Inflection, Mistral AI, Perplexity, Lambda, Scale AI und andere, um den Sektor voranzubringen.
NVIDIA Corporation (NVDA )
Was die Marktperformance von Nvidia angeht, ist sie eine der am besten performenden Aktien und verzeichnet in den letzten fünf Jahren einen atemberaubenden Anstieg von 1.350 %. Zum Zeitpunkt dieses Schreibens werden die Aktien des weltweit zweitgrößten Unternehmens mit einer Marktkapitalisierung von 3,5 Billionen $ über 145 $ gehandelt, ein Anstieg von 8,33 % im Jahresverlauf und nur 3 % unter dem Höchststand von fast 150 $, der im November 2024 erreicht wurde.
NVDA Preisdiagramm
Sie hat ein EPS (TTM) von 3,10, ein KGV (TTM) von 46,86 und eine Eigenkapitalrendite (ROE) (TTM) von 115,46 %, bei einer Dividendenrendite von 0,03 %.
Im Mai 2025 meldete Nvidia die Finanzergebnisse für das erste Quartal des Geschäftsjahres 2026, in dem der Umsatz 44,1 Milliarden $ betrug.
Im Bereich Rechenzentren betrug der Umsatz des Unternehmens 39,1 Milliarden $. Für diesen Sektor kündigte Nvidia den Bau von Fabriken in den USA an, stellte Blackwell Ultra und Dynamo zur Skalierung von KI‑Reasoning‑Modellen vor und plant, die IT‑Infrastruktur‑Umstellung auf Unternehmens‑KI‑Fabriken mit RTX PRO™‑Servern zu beschleunigen. Unter mehreren anderen Initiativen wurde auch die NVIDIA AI Data Platform als anpassbares Referenzdesign für KI‑Inference‑Workloads eingeführt.
Eine weitere große Entwicklung beinhaltet den Einsatz von 100.000 Nvidia‑Chips zum Bau eines neuen KI‑Rechenzentrums in den VAE, das im nächsten Jahr in Betrieb gehen soll.
In einer weiteren spannenden Neuigkeit arbeitet Nvidia berichten zufolge mit Taiwans Foxconn zusammen, um humanoide Roboter in einer neuen Foxconn‑Fabrik zu einsetzen, die Nvidia‑KI‑Server produzieren wird. Die Fertigstellung wird in den kommenden Monaten erwartet und würde einen Meilenstein bei der Einführung menschenähnlicher Roboter zur Transformation von Fertigungsprozessen markieren.
Neueste NVIDIA Corporation (NVDA) Aktiennachrichten und Entwicklungen
Abschließende Gedanken zur KI‑Kühlungsinnovation
Während KI weiterhin Branchen umgestaltet, treiben ihre enormen Rechenbedürfnisse einen beispiellosen Energieverbrauch und Wärmeentwicklung voran. Hier stellt die vielversprechende Forschung zur kapillargetriebenen Dünnschicht‑Verdampfung einen entscheidenden Schritt dar, um künftig energieeffizientere, nachhaltigere und skalierbare KI‑Infrastrukturen zu schaffen.
Mit ihrer hohen theoretischen kritischen Wärmeflussdichte (CHF) bietet die kapillargetriebene Dünnschicht‑Verdampfung in nanoporen‑Membranen eine vielversprechende thermische Management‑Strategie für Hochleistungs‑Elektronikgeräte. Die neueste Studie ergab, dass Faser‑Membranen offene, miteinander verbundene Poren besitzen, die als effiziente Verdampfer fungieren, einen schnellen und gleichmäßigen Flüssigkeitstransport über mehrere Wege ermöglichen und gleichzeitig Verstopfungen reduzieren sowie eine gleichmäßige Benetzung der Oberfläche sicherstellen.
Durch die nachgewiesene Langzeit‑Stabilität bieten die 3‑D‑Faser‑Membran‑Verdampfer eine äußerst vielversprechende Lösung für fortschrittliches thermisches Management und liefern effiziente Kühlungen, um den Anforderungen moderner elektronischer Systeme gerecht zu werden.
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Studien zitiert:
1. Feng, T.; Pei, Y.; Zhang, H.; Asai, B.; Dong, G.; Joshi, A.; Saha, A.; Cai, S.; Chen, R. High-Flux and Stable Thin-Film Evaporation from Fiber Membranes with Interconnected Pores. Joule 2025, 9 (6), 101975. https://doi.org/10.1016/j.joule.2025.101975
