Chipkühlung am Limit: was Zweiphasensysteme leisten und was sie fordern

Wer heute einen Prüfstand für flüssigkeitsgekühlte Elektronik auslegt, bekommt zwei Zahlen auf den Tisch: die Verlustleistung eines Beschleunigers und die Anschlussleistung eines Racks. Beide sind groß. Beide sagen wenig darüber, welches Kühlverfahren gebraucht wird. Die interessante Größe steht selten im Lastenheft — sie ist die Wärmestromdichte an der Kontaktfläche, und die entscheidet, ob ein einphasiger Wasserkreis genügt oder ob das Kühlmittel im Kanal sieden muss.

Dieser Beitrag ordnet den Stand ein: was belegbar erreicht wird, welche Regelwerke gelten, wo die Physik Grenzen setzt, und welche davon für einen Prüfstand zu Messaufgaben werden. Wir bauen Prüfstände, wir betreiben keine Rechenzentren — die Perspektive ist deshalb durchgehend die des Prüffelds, nicht die des Betreibers.

01 · Die Ausgangslage: Leistung, Dichte und der Bestand

Beginnen wir mit dem, was öffentlich belegt ist. NVIDIA gibt für ein GB200-NVL72-Rack eine Aufnahmeleistung von rund 120 kW an, verteilt auf acht Netzteilschienen zu je 33 kW.^[1] Für die Nachfolgegeneration GB300 NVL72 nennt die Referenzarchitektur „up to 142 kW" je Rack^[2], ein Systemhersteller beziffert den Betriebsbereich mit 132 bis 140 kW und bietet dazu In-Rack-Kühlverteiler bis 250 kW an.^[3]

Dem steht der Bestand gegenüber, und diese Diskrepanz ist die eigentliche Nachricht. Das Uptime Institute misst für 2025 eine durchschnittliche Rack-Dichte von knapp 9 kW, gegenüber 8,3 kW im Vorjahr; ohne Ausreißer sind es 7,5 kW. Mehr als 80 % der befragten Betreiber geben an, in ihrer Anlage kein einziges Rack über 30 kW zu haben.^[4]

Der Übergang ist auch luftseitig markiert: Konventionelle Luftsysteme tragen nach einer aktuellen Fachdarstellung etwa 25 bis 30 kW je Rack, während neue Lasten regelmäßig über 100 kW liegen.^[7] ASHRAE hatte bereits 2021 auf die Grenze der Kaltplatten-Wasserkühlung bei etwa 500 W je Prozessor hingewiesen und ein 50-kW-Rack als Hochdichtefall geführt.^[5]

Warum die Rack-Zahl die falsche Größe ist

Für die Auslegung eines Kühlverfahrens ist die Rack-Leistung ungeeignet. Entscheidend ist die Wärmestromdichte an der Fläche, über die die Wärme austritt — in W/cm². Genau hier endet aber die belegbare Datenlage: NVIDIA veröffentlicht keine Die-Flächen, und ohne Fläche ist jede Umrechnung von TDP auf W/cm² eine Schätzung. Wir führen deshalb im Folgenden nur Wärmestromdichten, die in einer Veröffentlichung an einer definierten Heizfläche gemessen wurden.

02 · Was die Regelwerke festlegen

ASHRAE: die Wasserklassen

Die maßgebliche Einteilung der Vorlauftemperaturen steht in ASHRAE Datacom Book 1.^[6] Das begleitende Whitepaper von TC 9.9 beschreibt die 2021 eingeführte Umbenennung wörtlich: aus W1 wurde W17, aus W2 wurde W27, aus W3 wurde W32, neu hinzu kam W40, aus W4 wurde W45, und W5 heißt jetzt W+.^[5] Die Zahl im Klassennamen ist die höchste zulässige Vorlauftemperatur zur IT in Grad Celsius; die untere Grenze liegt bei allen Klassen bei 2 °C.^[7]

Die letzte Zeile der Tabelle ist die, die am häufigsten übersehen wird. Ein Prüfstand für W40 braucht eine belastbare Heizung im Vorlauf, weil er das Fluid an einem kalten Wintertag aktiv auf Temperatur bringen muss. Wer nur die Kälteleistung auslegt, hat die halbe Anlage.

Open Compute Project: die Prüfvorschriften

Für die Prüfung selbst ist das Open Compute Project ergiebiger als ASHRAE, weil es Abnahmekriterien nennt. Die Anforderungsspezifikation für Kaltplatten aus 2019 verweist auf zwei Druckprüfregime: IEC 62368-1 verlangt Dichtheitsprüfungen bei dreifachem Normalbetriebsdruck und zweifachem Druck im Fehlerfall, ASME B31.3 bei 1,5-fachem Auslegungsdruck. Als typischer Betriebsdruckbereich sind 140 bis 450 kPa genannt, als Strömungsgeschwindigkeit im Rohr 1,5 bis 2,1 m/s zur Erosionsvermeidung.^[8]

Deutlich konkreter ist das Qualifizierungs-Whitepaper.^[9] Es ist für einen Prüfstandsbauer das nützlichste öffentlich zugängliche OCP-Dokument, weil es Prüfungen mit Akzeptanzkriterien beschreibt:

Zwei Beobachtungen dazu. Erstens: OCP arbeitet ausschließlich mit einem relativen Druckabfallkriterium und der Blasenprüfung. Eine quantitative Leckrate in mbar·l/s — etwa aus einer Helium-Prüfung — ist in den öffentlich zugänglichen Dokumenten nicht vorgegeben. Wer eine solche Zahl in ein Lastenheft schreibt, muss sie selbst begründen. Zweitens: Die Fluidanalytik nach ASTM steht gleichberechtigt neben der Thermik. Der Zustand des Kühlmittels über die Lebensdauer ist ein Prüfgegenstand, kein Betriebsdetail.

JEDEC: die thermische Messung

Für die Bestimmung des Wärmewiderstands zwischen Sperrschicht und Gehäuse ist JESD51-14 maßgeblich — die transiente Zweischnittstellenmessung, aus der sich über die Strukturfunktion der konduktive Anteil abtrennen lässt.^[11] Die elektrische Temperaturmessung an der Sperrschicht und die Kalibrierung des temperaturempfindlichen Parameters regelt JESD51-1.^[12] Für den Chip-Emulator selbst gilt JESD51-4A.^[13]

03 · Die Physik des Strömungssiedens

Der Reiz der Zweiphasenkühlung liegt in der Verdampfungsenthalpie. Solange das Fluid siedet, nimmt es Wärme bei annähernd konstanter Temperatur auf; die Wandtemperatur folgt der Sättigungstemperatur statt dem aufintegrierten Temperaturhub des einphasigen Kreises. Das ist der Grund, warum ein Zweiphasenkreis über eine Kaltplattenreihe hinweg gleichmäßigere Gehäusetemperaturen liefert als ein Wasserkreis, bei dem der letzte Prüfling das aufgeheizte Fluid des ersten bekommt.

Beginn des Blasensiedens

Der Übergang beginnt nicht schlagartig. Der Punkt, an dem an der Wand die erste Dampfblase wachsen kann, hängt von der Wandüberhitzung, der Keimstellengröße und dem Kontaktwinkel ab. Eine offen zugängliche Arbeit mit Messdaten aus Mikrokanälen von 275 µm Breite und 636 µm Tiefe gibt für Wasser gemessene Wärmestromdichten am Siedebeginn zwischen 9,88 und 68,81 W/cm² an, über 23 Versuchsfälle; das zugehörige Modell trifft die Messung auf ±20 %.^[15]

Für den Prüfstand ist das eine gute Nachricht: Der Siedebeginn liegt weit unter den angestrebten Betriebspunkten und ist selbst eine messbare Größe. Er ist damit ein Prüfpunkt und keine Unsicherheit — vorausgesetzt, die Temperaturerfassung ist schnell genug, um die typische Wandüberhitzungsspitze beim Einsetzen des Siedens aufzulösen.

Kritische Wärmestromdichte

Die obere Grenze setzt die kritische Wärmestromdichte. Wird sie überschritten, bildet sich an der Wand ein zusammenhängender Dampffilm, der Wärmeübergang bricht ein und die Wandtemperatur springt — beim Behältersieden klassisch nach Zuber hydrodynamisch begründet^[21], für erzwungene Strömung in Rohren über die generalisierte Korrelation von Katto und Ohno beschrieben.^[20] Für den Wärmeübergang im Sättigungssieden sind die Ansätze von Chen^[19] und Kandlikar^[18] die gebräuchlichen Bezugspunkte.

In parallelen Mikrokanälen greift diese klassische Beschreibung allerdings zu kurz. Dort wird die praktisch erreichbare Grenze regelmäßig nicht durch das hydrodynamische Limit gesetzt, sondern durch eine Strömungsinstabilität, die einen einzelnen Kanal aushungern lässt, lange bevor die mittlere Wärmestromdichte kritisch wird. Das führt zum eigentlichen Kern dieses Beitrags.

04 · Ledinegg: warum parallele Kanäle gefährlich sind

Die Druckverlustkennlinie eines beheizten Kanals ist nicht monoton. Bei kleinem Massenstrom entsteht viel Dampf, der spezifische Volumenstrom steigt, der Druckverlust ist hoch. Steigt der Massenstrom, sinkt der Dampfgehalt und mit ihm der Druckverlust — die Kennlinie fällt. Erst bei hohem Massenstrom übernimmt die einphasige Reibung, und die Kennlinie steigt wieder. Zwischen beiden Ästen liegt ein Bereich negativer Steigung.

Wird über einer Gruppe paralleler Kanäle eine gemeinsame Druckdifferenz aufgeprägt — und genau das tut jeder Verteiler —, kann diese Druckdifferenz die Kennlinie an drei Stellen schneiden. Der mittlere Schnittpunkt ist instabil: Eine kleine Störung lässt den Betriebspunkt in einem Sprung auf den heißen Ast wandern. Diese statische Instabilität ist nach Ledinegg benannt; sie steht in der Systematik neben den dynamischen Formen wie Dichtewellen- und Druckverlustoszillation.^[17]

Wie groß der Effekt wird, zeigt eine Messung an thermisch entkoppelten parallelen Mikrokanälen: Bei einer Leistungsänderung von 2,6 auf 3,2 W — also 0,6 W — sprang die Wandtemperatur des verhungernden Kanals von 124 °C auf 219 °C. Der mittlere Massenstrom fiel dabei nur von 400 auf 368 kg/m²s, der Druckverlust stieg von rund 3,5 auf 11,7 kPa.^[16]

Die Gegenmaßnahme und ihr Preis

Das übliche Mittel ist die Eintrittsdrossel: eine Blende oder Kapillare vor jedem Kanal, deren einphasiger Druckverlust quadratisch mit dem Durchfluss wächst. Sie hebt den fallenden Teil der Kennlinie so weit an, dass die Gesamtkennlinie monoton steigt und nur noch ein Schnittpunkt bleibt.^[17][16] Der Preis ist Pumpleistung — und für den Prüfstand eine zusätzliche Unbekannte, denn der Druckverlust der Drossel liegt zwischen Messstelle und Kaltplatte.

Daraus folgt eine konkrete Konstruktionsregel für den Prüfstand: Die Druckmessstelle für die Kaltplatte gehört hinter die Drossel, nicht davor. Wer den Verteilerdruck misst und ihn als Kaltplatteneintrittsdruck protokolliert, misst den Drosselverlust mit — und bekommt einen Wärmewiderstand, der beim nächsten Blendenwechsel anders aussieht.

05 · Bauformen im belegten Vergleich

Die folgende Übersicht enthält ausschließlich Werte, die in der jeweils genannten Quelle an einer definierten Heizfläche gemessen wurden. Sie ist damit unvollständig — für Sprühkühlung und klassische Dampfkammern liegen die einschlägigen Arbeiten hinter Verlagssperren, und wir führen keine Zahl, die wir nicht bis zur Messbedingung zurückverfolgen konnten.

Aus dieser Tabelle lässt sich der eigentliche Vorteil des Zweiphasenbetriebs ablesen, und er ist nicht die Spitzenwärmestromdichte. Der einphasige Mikrokanal erreicht vergleichbare und höhere Werte — er bezahlt sie aber mit Druckverlusten bis 400 kPa. Der Zweiphasenkreis erreicht 250 W/cm² bei einem Wärmewiderstand von 0,017 K/W und einem Kreisdruckverlust in der Größenordnung von 11 psi über den gesamten Rack-Kreis.^[23] Die relevante Kennzahl ist nicht W/cm², sondern W/cm² je aufgewendetem Watt Pumpleistung.

Immersion: ein belegter Dämpfer

Die zweiphasige Immersionskühlung wird häufig als Endpunkt der Entwicklung genannt. Der Feldbericht eines US-Nationallabors zeichnet ein anderes Bild. Untersucht wurde eine Anlage mit einem Fluorketon, Phasenwechsel bei 49 °C. Die Kühlenergieeinsparung lag mit 72 % deutlich über dem Ziel von 50 %. Verfehlt wurden praktisch alle übrigen Ziele: Die Prozessortemperaturen lagen 20 °C über der konventionellen Kühlung, die Rechenleistung fiel um 5,6 %, die Fluidverluste kosteten 368 % der IT-Energiekosten, die Amortisation lag bei 33 Jahren, und der Wartungsaufwand stieg wegen Ausfällen um ein Vielfaches. Das Fazit des Berichts lautet, zweiphasige Immersion mit diesem Fluid sei „not viable at this time".^[26]

Der Bericht ist von 2016 und darf nicht als aktuelles Urteil gelesen werden. Er ist aber ein belastbarer Hinweis darauf, wo die Probleme liegen: nicht in der Thermik, sondern in Fluidverlust, Wartbarkeit und Kosten. Wer heute einen Immersionsprüfstand auslegt, sollte die Fluidbilanz als Messgröße mitführen und nicht als Verbrauchsposten.

Normativ ist die Immersion vergleichsweise gut abgedeckt. Die OCP-Anforderungen nennen unter anderem eine dielektrische Festigkeit von mindestens 6 kV/mm, einen Flammpunkt von mindestens 150 °C, eine Temperaturmessung an mindestens zwei Stellen mit ±1,0 °C, ein Auffangvolumen von 100 % des größten Systemvolumens — und für Zweiphasensysteme zwingend einen Druck- beziehungsweise Vakuumsensor.^[10]

06 · Das Fluidproblem: PFAS und die Folgen

Über der gesamten Zweiphasentechnik steht eine regulatorische Frage, die technisch nicht zu lösen ist. 3M kündigte im Dezember 2022 an, die PFAS-Fertigung bis Ende 2025 zu beenden und PFAS aus dem gesamten Produktportfolio zu nehmen.^[27] Der Ausstieg ist nach Unternehmensangabe zum Ende des Jahres 2025 vollzogen; Restbestände aus früherer Fertigung sind noch im Markt.^[28]

Parallel läuft das europäische Beschränkungsverfahren. Nach übereinstimmender Darstellung zweier unabhängiger Rechtsanalysen nahm der Ausschuss für Risikobeurteilung sein Endgutachten am 2. März 2026 an; der Entwurf des sozioökonomischen Gutachtens datiert vom 26. März 2026, die Konsultation lief bis zum 25. Mai 2026. Das abschließende Gutachten wird für Ende 2026 erwartet, die Verabschiedung einer Änderung von REACH Anhang XVII für 2027, mit einer Übergangsfrist von 18 Monaten.^[29][30]

Für Wärmeträgerfluide ist der Stand ausdrücklich offen: Der sozioökonomische Ausschuss hält die Datenlage für eine abschließende Beurteilung der beantragten Ausnahmen für Kältemittel, Wärmeträgerfluide und Elektronikanwendungen für unzureichend.^[29] Für Hochtechnologiesektoren stehen befristete Ausnahmen von bis zu zwölf Jahren im Raum, wo keine Alternativen verfügbar sind.^[30]

Was das für die Fluidwahl heißt

Die naheliegenden Ersatzstoffe lösen das Problem nicht. Ein als Ersatz für Perfluorpolyether, Hydrofluorether und Fluorketone positioniertes Entwicklungsprodukt siedet bei 49 °C, hat ein Treibhauspotenzial von 10, keinen Flammpunkt — und gehört chemisch zur Klasse der Hydrofluorolefine.^[31] Es ist damit selbst eine fluorierte Verbindung und fällt nach der breiten Definition, die dem europäischen Vorschlag zugrunde liegt, in dessen Anwendungsbereich. Dasselbe gilt für R1233zd(E), das in dem oben zitierten Prüfaufbau verwendet wurde.^[22]

Die praktische Folge für den Anlagenbau ist eindeutig: Die Fluidwahl muss reversibel bleiben. Konkret heißt das, den Kreis auf einen Sättigungsdruckbereich auszulegen, der mehrere Kandidaten zulässt, Werkstoffe und Dichtungen gegen die ganze Kandidatenliste zu prüfen statt gegen ein Fluid, und die Füllmenge so zu bemessen, dass ein Fluidwechsel eine Wartungsmaßnahme bleibt und kein Umbau wird.

07 · Was ein Prüfstand dafür können muss

Die Messgrößen

Aus den zitierten Prüfvorschriften und Veröffentlichungen ergibt sich ein Satz von Größen, den ein Zweiphasenprüfstand führen muss. Er ist länger als beim einphasigen Kreis, weil der Zustand des Fluids selbst zur Messgröße wird.

Der Chip-Emulator

Ein realer Prozessor ist als Prüfling ungeeignet: Seine Leistungsaufnahme hängt von der Last ab, seine Wärmeverteilung ist nicht bekannt, und er lässt sich nicht auf einen Punkt einstellen. Deshalb steht am Anfang jeder ernsthaften Kühlplattenprüfung ein Thermal Test Vehicle. JESD51-4A nennt dafür drei Zwecke: eine definierte Struktur zur Erzeugung von Wärmestrom mit eingebauten Temperatursensoren, die Validierung thermischer Simulationsmodelle und die Untersuchung komplexer Aufbauten.^[13]

Die konstruktiven Vorgaben der Norm sind für den Prüfstandsbau unmittelbar verwertbar: Metallfilmwiderstände werden wegen der gleichmäßigeren Erwärmung bevorzugt — unter 1 % Temperaturvariation über 100 °C —, während Transistoren eine engere Leistungsregelung erlauben, unter 0,5 %, aber in großen Zellen ungleichmäßig heizen. Die Heizfläche soll bei Zellen ab 2,5 mm Kantenlänge mindestens 85 % der Zellfläche einnehmen, bei kleineren Zellen mindestens 60 %. Als Temperatursensor dient eine vorwärtsgepolte Diode mit einem Kalibrierfaktor um −0,5 °C/mV bei etwa 1 mA Messstrom; ihre Verlustleistung soll unter 1 % der Heizerleistung bleiben, damit sie sich nicht selbst erwärmt. Die Geometrietoleranz gegenüber dem nachgebildeten Bauteil beträgt ±10 % in Dicke und Fläche.^[13]

In einem realen Prüfaufbau sah das so aus: vier Keramikheizer zu je 250 W auf je 1 cm² unter einem Kupfer-Wärmeverteiler, mit Thermoelementen direkt über den Heizern, als Nachbildung einer Serverprozessorgeneration.^[22]

Die Unsicherheit — und wo sie herkommt

Zwei veröffentlichte Unsicherheitsbudgets aus Zweiphasenprüfständen geben den realistischen Rahmen. Der eine Aufbau nennt ±0,5 °C für Thermoelemente vom Typ T, ±1 % für den Absolutdruck, 0,08 % für den Differenzdruck, 0,3 % Wiederholpräzision beim Volumenstrom und unter 10 W bei 1000 W Heizleistung.^[22] Der andere gibt bei 50 kW Racklast ±0,0002 °C/W für den Wärmewiderstand — bei einem Messwert von 0,012 °C/W also rund ±1,7 % — und ±1,83 % für den Austrittsdampfgehalt an.^[23] Die Fortpflanzung folgt üblicherweise dem GUM.^[32]

08 · Was wir daraus ableiten

Für die Auslegung eines Prüfstands, der Kühlplatten und Kühlverteiler für flüssigkeitsgekühlte Elektronik prüfen soll, ergeben sich aus dem Vorstehenden sieben Punkte. Sie sind unsere Schlussfolgerungen, nicht die der zitierten Quellen.

1. Der Chip-Emulator ist das Herz, nicht das Zubehör. Ohne definierte Heizfläche und kalibrierte Temperaturmessung im Emulator ist jede W/cm²-Angabe wertlos. JESD51-4A gibt die konstruktiven Grenzen vor.
2. Je Zweig messen, nicht summarisch. Ein Mittelwert über vier parallele Kaltplatten verdeckt genau den Vorgang, der die Anlage gefährdet. Die Ledinegg-Exkursion zeigt sich zuerst in einem einzelnen Zweig.
3. Schnell genug messen. Ein Temperatursprung von 95 K bei 0,6 W Laständerung ist mit einer Abtastung im Sekundenraster nicht auflösbar. Die Erfassung muss in den Zehntelsekundenbereich.
4. Die Eintrittsdrossel gehört ins Pflichtenheft. Sie ist wechselbar auszuführen und ihr Druckverlust getrennt zu erfassen, sonst wandert er in den Wärmewiderstand des Prüflings.
5. Der Sättigungsdruck ist eine Regelgröße. Er legt die Sättigungstemperatur und damit den gesamten thermischen Betriebspunkt fest. Ein Zweiphasenkreis ohne Druckregelung ist ein Kreis ohne Betriebspunkt.
6. Die Fluidwahl reversibel halten. Solange die europäische Beschränkung nicht abgeschlossen ist, ist jede Festlegung auf ein Fluid ein Risiko. Werkstoffe, Dichtungen und Druckbereich sind gegen eine Kandidatenliste auszulegen.
7. Dichtheit ist eine Stückprüfung. Das OCP-Kriterium — unter 0,5 % Druckabfall plus Blasenprüfung — ist eine Bauteilprüfung, keine Stichprobe. Bei einem Kreis, der ein dielektrisches Fluid über Elektronik führt, ist das die richtige Härte.

Was in diesem Beitrag bewusst fehlt: eine Empfehlung für oder gegen die Zweiphasenkühlung. Die Entscheidung hängt an der Wärmestromdichte des konkreten Bauteils, an der verfügbaren Rückkühlung und an der Frage, wie lange ein Fluid rechtssicher verfügbar bleibt. Was sich sagen lässt, ist: Ein Prüfstand, der beide Verfahren fahren kann, ist heute die risikoärmere Investition — und der Aufpreis liegt weniger in der Hardware als in der Messkette.

09 · Quellen

Alle Fundstellen wurden im August 2026 abgerufen. Wo eine Quelle nur über eine Spiegelung erreichbar war oder der Zugriff auf den Volltext beschränkt ist, sind die daraus abgeleiteten Zahlen in diesem Beitrag nicht verwendet worden.