Com a carga de trabalho dos centros de dados aumentando cada vez mais devido à análise avançada, IA e a digitalização de cada processo, o consumo médio de energia das prateleiras (racks) aumentou consideravelmente. E, como sabemos, quanto maior o consumo de energia, mais calor é gerado e precisa ser removido da prateleira e, eventualmente, do espaço branco.
No passado recente, quando as prateleiras consumiam até 20 kW, as metodologias de refrigeração baseadas em ar eram confiáveis para manter o hardware de TI funcionando com segurança e eficiência. Mas à medida que algumas prateleiras começam a exceder 30 kW ou mais, novas abordagens de refrigeração precisam ser usadas.
Isso se deve em parte à densificação do hardware de TI em geral, com cada nova geração de CPU empacotando mais capacidade de processamento em tamanhos de matriz decrescentes. Cargas de trabalho como inteligência artificial (IA) e aprendizado de máquina (ML) requerem operações de ponto flutuantes geralmente entregues por meio de uma unidade de processamento gráfico. Essas GPUs são projetadas para ter uma temperatura normal de operação acima de 80°C quando totalmente utilizadas para uma determinada carga de trabalho.
Embora existam opções de refrigeração baseadas em ar para prateleiras que consomem mais de 20 kW, elas costumam ser difíceis de instalar e manter eficazmente, essencialmente ultrapassando o ponto de retornos decrescentes em termos de capacidade de refrigeração. Como tal, proprietários e operadores de centros de dados agora estão cautelosamente procurando soluções de refrigeração líquida para seus novos projetos de instalações.
Uma breve história da refrigeração líquida
A refrigeração líquida de equipamentos de TI parece ser uma nova tecnologia, mas isso está longe da verdade.
Líquidos em geral podem ser um ótimo meio de transferência de calor e, com um pouco de engenharia química, os pontos de ebulição e condensação podem ser ajustados precisamente, melhorando a transferência de calor usando fluidos dielétricos.
Várias formas de refrigeração líquida existem desde o final de 1800, quando foram usadas para isolar e resfriar transformadores de alta voltagem. A indústria automotiva é outro ecossistema que contou e ainda conta com a refrigeração líquida — a água em um radiador típico de automóvel.
A refrigeração líquida entrou no setor de computação no início de sua história, quando a IBM lançou uma série de computadores empresariais chamados System/360, no início dos anos 1960.
O System/360 tem sido uma das linhas mais duradouras de computadores disponíveis comercialmente. Embora o hardware original esteja agora aposentado, códigos do S/360 escritos no início dos anos 1960 ainda são encontrados em novos mainframes hoje em dia. Foi também o primeiro computador a ter um conjunto de instruções unificado, tornando as atualizações ou alterações no mainframe mais fáceis do que nunca.
O System/360 também era resfriado com uma abordagem híbrida usando refrigeração a ar e líquido. Isso era bastante grande e difícil de instalar, mas a IBM desenvolveu o modelo híbrido para acomodar cargas térmicas aumentadas. Com esses sistemas, até 50% do calor dissipado era removido do ar de resfriamento por meio de trocadores de calor refrigerados a água.
Hoje em dia, a refrigeração líquida está presente muitos desktops - e o conceito essencialmente permanece o mesmo. O processo de refrigeração é composto por três partes distintas: a placa de calor, os tubos de fornecimento e retorno, e os radiadores e ventiladores.
A placa de calor é basicamente uma placa de metal que cobre todo o die da CPU com um pequeno reservatório em cima. A placa é projetada para ser o mais condutiva possível em termos de calor. Qualquer calor gerado pelo chip será transferido para o reservatório no topo.
O líquido neste circuito fechado viajará através dos tubos de fornecimento e retorno para os radiadores, onde o calor será expelido da caixa do PC através das aletas do radiador - essas aletas são ativamente resfriadas por ventiladores.
As opções de refrigeração líquida para consumidores lidavam originalmente apenas com o calor da CPU, mas agora quase todos os componentes de um PC moderno podem ser refrigerados a líquido.
Essa é a opção de refrigeração líquida para consumidores - mas e quanto a implantações em larga escala e soluções corporativas? Veremos isso a seguir no contexto do data center.
Soluções de Resfriamento Líquido para Empresas de Grande Porte
Ao analisar as opções de resfriamento líquido para hardware de TI de nível empresarial, há essencialmente duas principais categorias de resfriamento líquido - Resfriamento Líquido Direto ao Chip (às vezes chamado de resfriamento líquido condutivo ou com placa fria) e resfriamento líquido imersivo.
Ao considerar as fases (em que estado o fluido está - líquido ou gás) que o refrigerante passa, temos cinco tipos distintos de resfriamento líquido.
Resfriamento Líquido Direto ao Chip de Fase Única
Este método de resfriamento requer a entrega do refrigerante líquido diretamente aos componentes mais quentes de um servidor - CPU ou GPU - com uma placa fria colocada diretamente no chip. Os componentes elétricos nunca estão em contato direto com o refrigerante.
Com este método, ainda são necessários ventiladores para fornecer fluxo de ar através do servidor para remover o calor residual. Embora a infraestrutura de resfriamento a ar seja muito reduzida, ela ainda é necessária para a operação correta deste método de resfriamento líquido.
Os refrigerantes podem ser água ou fluidos dielétricos, mas a água apresentará risco de tempo de inatividade devido a vazamentos, no entanto, Sistemas de Prevenção de Vazamentos (LPS) estão disponíveis. Fase única refere-se ao fato de que o refrigerante não muda de estado - ou seja, de um líquido para um gás.
Este é também o mesmo método usado no exemplo anterior do PC desktop.
Direto ao Chip - Método de Refrigeração Líquida de Duas Fases
O método de refrigeração líquida de duas fases direto ao chip funciona como o método de uma única fase mencionado anteriormente, sendo a única diferença que o líquido refrigerante muda de estado - de gás para líquido e vice-versa - ao completar o ciclo de refrigeração. Esses sistemas sempre usarão um fluido dielétrico projetado.
Em termos de rejeição de calor, os sistemas de duas fases são melhores do que os sistemas de uma única fase e apresentam um menor risco de vazamento devido à natureza de mudança de estado do líquido refrigerante. No entanto, eles exigem controles adicionais, o que aumentará os custos de manutenção ao longo da vida útil do sistema.
Refrigeração Líquida Imersiva - IT-Chassis de Uma Fase
Esta abordagem de refrigeração utiliza um fluido dielétrico de uma única fase e está em contato direto com os componentes de TI. Os servidores são total ou parcialmente imersos neste líquido não condutor dentro do chassi, removendo efetivamente todas as fontes de calor.
A refrigeração pode ocorrer passivamente via condução ou ativamente por bombeamento. Tanto os trocadores de calor quanto as bombas podem ser encontrados dentro do chassi ou em um arranjo lateral onde o calor é transferido do líquido para um circuito de água.
Esta abordagem também não envolve ventiladores, tornando sua operação quase silenciosa (0 dB). Em contraste, algumas instalações refrigeradas a ar podem atingir mais de 80 dB na sala de dados, exigindo proteção auditiva para exposições mais longas.
Refrigeração Líquida por Imersão - Banho Aberto - Uma Fase
Às vezes referido como um "banho aberto", este método de refrigeração líquida imersiva envolve o equipamento de TI sendo completamente submerso em fluido.
Essencialmente, é um rack virado de costas, cheio de fluido dielétrico - em vez de montar servidores horizontalmente, eles agora são montados verticalmente.
Esses sistemas são geralmente equipados com fontes de alimentação centralizadas e o fluido dielétrico natural é resfriado por um trocador de calor usando uma bomba que pode ser instalada dentro ou fora do banho, ou por convecção.
Refrigeração Líquida por Imersão - Banho Aberto - Duas Fases
Como no método de uma fase, neste método, o equipamento de TI é completamente submerso verticalmente em um tanque de fluido. Mas, importante neste método, o fluido dielétrico deve poder mudar de estado de líquido para gás conforme aquece.
Em tal sistema, as partes submersas e expostas criarão calor, transformando o líquido em gás, que sobe para a superfície e se condensa em uma bobina, caindo naturalmente de volta uma vez que esfria o suficiente para voltar ao estado líquido.
O que são fluidos dielétricos?
Líquidos dielétricos são usados como isolantes elétricos em aplicações de alta voltagem, como transformadores, capacitores, cabos de alta voltagem e equipamentos de comutação (nomeadamente equipamentos de comutação de alta voltagem).
Suas funções são fornecer isolamento elétrico, suprimir coroa e arco elétrico e servir como refrigerante. Geralmente, são divididos em duas categorias, fluoroquímicos e hidrocarbonetos.
Fluidos fluoroquímicos, geralmente com um ponto de ebulição mais baixo, são predominantemente usados para refrigeração líquida por imersão em duas fases.
Hidrocarbonetos geralmente não são usados em sistemas de refrigeração líquida por imersão em duas fases, pois a maioria dos hidrocarbonetos é combustível e/ou inflamável. Portanto, os hidrocarbonetos são tipicamente usados apenas em aplicações de uma fase.
Tanto fluoroquímicos (ou fluorocarbonetos) quanto hidrocarbonetos (por exemplo, óleos minerais, óleos sintéticos, óleos naturais) podem ser usados para refrigeração líquida por imersão em uma fase. Fluidos com um ponto de ebulição mais alto (acima da temperatura máxima do sistema) são necessários para garantir que o fluido permaneça na fase líquida.
Considerações ao decidir entre vários fluoroquímicos e hidrocarbonetos incluem desempenho de transferência de calor (estabilidade e confiabilidade ao longo do tempo, etc.), facilidade de manutenção de hardware de TI, higiene do fluido e necessidades de substituição, compatibilidade de materiais, propriedades elétricas, inflamabilidade ou combustibilidade, impacto ambiental, questões relacionadas à segurança e custo total do fluido ao longo da vida útil do tanque ou dos centros de dados.
Adoção Atual
Embora esteja longe de ser convencional, a refrigeração líquida está se posicionando como a solução de resfriamento para computação de alto desempenho. No entanto, sua adoção convencional dependerá dos avanços na tecnologia e no design dos chips.
A atualização de centros de dados já existentes é cara para algumas formas de refrigeração líquida, enquanto o peso dos tanques de imersão torna impraticável para muitas instalações de piso elevado atuais.
