O setor de data centers está passando por uma onda transformadora de inovação, impulsionada pela crescente demanda por cargas de trabalho com uso intensivo de computação.

Tarefas como computação de alto desempenho (HPC) e inteligência artificial (IA) - abrangendo treinamento, inferência em lote e inferência online - estão impulsionando o desenvolvimento de equipamentos avançados de TI adaptados a essas necessidades. Essa tendência está transformando o cenário do data center, com um aumento nas instalações dedicadas à IA ou fábricas de IA.

Isso criou uma demanda crescente por sistemas de TI com maior potência de design térmico (TDP), maiores densidades de energia do rack e requisitos de resfriamento mais rigorosos. Um dos principais desafios é navegar pelas crescentes demandas de carga de trabalho com soluções altamente eficientes e sustentáveis, reduzindo o risco operacional.

Visão geral da tecnologia

A convergência de IA e resfriamento de data center cria um dilema complicado, à medida que o poder computacional continua a aumentar, a necessidade de soluções avançadas de transferência de calor torna-se crucial, desafiando os métodos de resfriamento de ar existentes. Atualmente, os data centers de IA dedicados lidam com densidades de energia de aproximadamente 120 kW por rack. No entanto, prevê-se que esses limites aumentem substancialmente, podendo atingir 300 kW, 600 kW ou até 1 MW por rack. Para atender a essas demandas crescentes, o resfriamento líquido está solidificando seu papel como uma tecnologia essencial na próxima geração de data centers.

As tecnologias de refrigeração líquida podem ser amplamente categorizadas em abordagens Direct-to-chip (DtC), Imersão e Híbrida:

• Direto ao chip (DtC): Um fluido circula diretamente para o chip através de uma placa fria, visando efetivamente os componentes mais quentes, como CPUs e GPUs, para uma transferência de calor eficiente. O resfriamento a ar também é necessário para complementar o resfriamento dos componentes eletrônicos restantes.
• Imersão: O equipamento de TI é submerso em um fluido dielétrico, permitindo a transferência direta de calor de todos os componentes para o líquido.
• Híbrido: O resfriamento preciso do DtC é combinado com a abordagem abrangente de imersão, para obter um gerenciamento térmico superior. Vale ressaltar que as abordagens híbridas também podem se referir a uma combinação de soluções de ar e líquido, mas nos concentramos neste artigo em soluções de refrigeração líquida.

Essas tecnologias de resfriamento líquido são ainda mais diferenciadas com base no uso de fluidos monofásicos ou bifásicos para transferência de calor:

• Monofásico: Os fluidos permanecem em seu estado líquido durante todo o processo de resfriamento, absorvendo calor e transferindo-o para um trocador de calor sem qualquer mudança de fase. Os principais tipos de fluidos monofásicos para DtC são água (tratada) e água com propilenoglicol, e para imersão são fluidos minerais, sintéticos ou bio-óleo.
• Bifásico: Os fluidos fazem a transição de líquido para gás durante o processo de resfriamento, aproveitando essa mudança de fase para melhorar significativamente a eficiência da transferência de calor. Os fluidos bifásicos incluem fluidos de engenharia e refrigerantes.

Vale a pena mencionar os principais impulsionadores associados às tecnologias de refrigeração líquida. As crescentes demandas computacionais, como cargas de trabalho com uso intensivo de computação, servidores com coprocessadores e densidades térmicas e de energia mais altas, aceleraram a adoção de soluções de refrigeração líquida.

A inovação tecnológica também desempenhou um papel fundamental, promovendo maior eficiência energética, menor uso de água, redução das emissões de ruído, uso mais eficaz do espaço físico e melhor custo total de propriedade (TCO) ao longo de sua vida útil. A sustentabilidade continua sendo um aspecto fundamental, reduzindo as emissões de gases de efeito estufa (GEE), diminuindo o consumo de energia e água e permitindo a reutilização do calor residual.

Além disso, os esforços regulatórios visam soluções de resfriamento mais eficientes e sustentáveis, enquanto iniciativas governamentais, como o programa ARPA-E Coolerchips do Departamento de Energia dos EUA, continuam a apoiar os avanços.

No entanto, vários desafios permanecem. Os sistemas de resfriamento a ar continuam a dominar a indústria de data center como uma solução comprovada. A inovação tecnológica apresenta preocupações como maior CapEx, escassez de mão de obra qualificada, incertezas na rede de suprimentos, complexidades de manipulação de equipamentos de TI, restrições de carga e capacidade suspensa no chão e incógnitas de confiabilidade e sustentabilidade.

A falta de padrões e melhores práticas ressalta a necessidade de padronização, procedimentos operacionais, novas métricas e fluidos ecologicamente corretos. Além disso, os regulamentos que restringem refrigerantes com alto potencial de aquecimento global (GWP) e fluidos dielétricos contendo substâncias per e polifluoroalquil (PFAS) criam barreiras para adoção.

Roteiro

Com vasta experiência em projetos de data center, esperamos que a adoção de refrigeração líquida em data centers acelere nos próximos anos, especificamente para equipamentos de TI onde as soluções de refrigeração a ar se mostram ineficazes. Abaixo, descrevemos perspectivas sobre vários aspectos, incluindo considerações gerais, principais avanços tecnológicos e inovações emergentes.

As considerações gerais para o futuro da refrigeração líquida podem ser resumidas da seguinte forma:

• Impulsionando a inovação por meio de padrões: O desenvolvimento de padrões e melhores práticas do setor catalisará a inovação. À medida que os equipamentos e a tecnologia evoluem, os padrões se tornarão essenciais para o desenvolvimento de soluções de ponta, permitindo o crescimento do setor de data centers.
• Não existe um tamanho único: uma variedade de tecnologias de refrigeração líquida coexistirá, personalizadas para fatores como localização, aplicação e requisitos do projeto. A colaboração será essencial na identificação de estratégias eficazes de refrigeração líquida.
• Confiabilidade, modularidade e flexibilidade: essas qualidades serão fundamentais para a ampla adoção e implementação de sistemas de refrigeração líquida

Os principais avanços tecnológicos em refrigeração líquida em data centers incluem:

• DtC: Monofásico. A crescente demanda por soluções de placas frias capazes de gerenciar TDPs mais altos ressalta a importância dos avanços tecnológicos em DtC e especificamente na tecnologia de placas frias, incluindo a abordagem de duas fases. Atualmente, o DtC e os trocadores de calor da porta traseira (RDHx) dominam o cenário de refrigeração líquida em data centers.
• Unidades de distribuição de resfriamento (CDU) de maior capacidade: Novos projetos de CDU são projetados para evoluir ainda mais para atender à confiabilidade e flexibilidade para os crescentes requisitos térmicos no nível do rack e na escala de MW.
• Imersão: O resfriamento por imersão monofásico provavelmente continuará sendo a solução preferida para aplicações de criptomoeda, enquanto o resfriamento por imersão bifásico continuará a atender a requisitos específicos de nicho.
• Novos fluidos dielétricos: Os fabricantes estão enfrentando os desafios relacionados ao PFAS e ao GWP, desenvolvendo alternativas mais ecológicas. Prevê-se que os regulamentos geográficos sobre fluidos bifásicos e refrigerantes afetem sua adoção.

As inovações emergentes e abordagens promissoras em refrigeração líquida:

• Resfriamento líquido híbrido: A combinação de DtC de precisão e resfriamento líquido por imersão apresenta uma estratégia eficaz para gerenciar cargas térmicas mais altas e, ao mesmo tempo, promover a sustentabilidade. Essa abordagem combinada também pode aumentar a reutilização do calor e reduzir muito, ou mesmo eliminar, o uso de água.
• Integração microfluídica: A incorporação de canais microfluídicos diretamente nos designs de chips aproxima os fluidos de resfriamento dos processadores, revolucionando a eficiência da transferência de calor.
• Diamante: A alta condutividade térmica do diamante sintético pode melhorar o desempenho térmico e a confiabilidade no nível do chip, como em um dissipador de calor ou substrato.
• Nanofluidos: Nanofluidos infundidos com nanopartículas à base de silício estão ganhando força à medida que aumentam significativamente a transferência de calor.

Além disso, identificar os principais fornecedores é de suma importância. As listas a seguir, organizadas em ordem alfabética, destinam-se a servir como uma seleção representativa e não como uma compilação exaustiva.

• DtC: Accelsius, Advanced Cooling Technologies, Boyd, Chilldyne, CoolIT Systems, Danfoss, Dell, Delta, GF Piping Systems, Hewlett-Packard, Huawei, IBM, Inspur, Jetcool, Lenovo, Mikros Technologies (da Jabil), Motivair (da Schneider Electric), Supermicro, Wieland, Zutacore
• Imersão: Airedale (por Modine), Asperitas, Baltimore Aircoil Company, DCX Liquid Cooling Systems, Gigabyte, Green Revolution Cooling, Hypertec, Iceotope, LiquidCool Solutions, LiquidStack, Mara, Midas Immersion Cooling, Submer, Supermicro, Quanta, Wiwynn
• CDU: Accelsius, Airedale (Modine), Boyd, Chilldyne, CoolIT Systems, Delta, Envicool, Excool, FlatkGroup, Jetcool, LiquidStack, Motivair (da Schneider Electric), Munters, Nortek, nVent, Rittal, Supermicro, Stulz, Trane, Vertiv
• Fluidos: 3M, Cargill, Castrol, Chemours, Chevron, ExxonMobil, Lubrizol, Shell, Solvay, Valvoline

Considerações finais

A inovação é a chave para dimensionar a tecnologia de refrigeração líquida, reafirmando a noção de que a necessidade muitas vezes desenrede a invenção. Ao alavancar os avanços tecnológicos, promover parcerias e enfrentar desafios, o setor de data centers está bem posicionado para atender às crescentes demandas de forma eficaz.