A infraestrutura do data center está se expandindo rapidamente, alimentada pelo aumento contínuo das cargas de trabalho de inteligência artificial (IA) e computação de alto desempenho (HPC). À medida que as densidades dos racks continuam a aumentar, os operadores avaliam suas estratégias de resfriamento líquido e planejam capacidades futuras de até 500 quilowatts (kW) por rack. De acordo com o Dell'Oro Group, o mercado mundial de refrigeração líquida de data center cresceu 52% em 2023, para 745 milhões de dólares (4,3 bilhões de reais), respondendo por 12% das receitas totais de gerenciamento térmico de data center (veja a Figura 1).

Enquanto os trocadores de calor da porta traseira (RDHxs) e o resfriamento direto ao chip gerenciam os níveis de calor atuais, as densidades crescentes sugerem soluções de resfriamento adicionais. O resfriamento por imersão do data center (ou "resfriamento por imersão líquida") é uma opção com eficiência energética que oferece resfriamento superior para cargas de trabalho de alta densidade.

Entendendo o resfriamento por imersão

O resfriamento por imersão (veja a Figura 2) é um método de resfriamento líquido no qual servidores e outros componentes do rack são submersos em um líquido ou fluido dielétrico termicamente condutor dentro de um tanque selado. Este líquido, conhecido por suas excelentes propriedades de transferência térmica, absorve o calor dos equipamentos de TI para um resfriamento eficiente de HPC.

O calor absorvido é então bombeado para uma unidade de distribuição de refrigerante (CDU) contendo um trocador de calor de placas soldadas. O circuito de resfriamento primário, conectado a um resfriador, resfriador seco ou sistema de recuperação de calor residual, é separado do circuito secundário que contém o líquido dielétrico. Essa configuração transfere efetivamente o calor para fora do edifício, permitindo um resfriamento econômico e eficaz.

Componentes de sistemas de resfriamento por imersão

O resfriamento por imersão do data center envolve vários componentes essenciais cruciais para uma implementação bem-sucedida. Os principais componentes do sistema de resfriamento por imersão líquida incluem:

• Tanque: Recipientes selados que contêm equipamentos de TI e líquido dielétrico. Esses tanques contêm vários sensores, uma unidade de distribuição de energia (PDU) e outros componentes.
• CDU (veja a Figura 3): Circula e bombeia refrigerante em um sistema de circuito fechado dentro do tanque do suprimento de água gelada para resfriar os servidores. Essas unidades incluem os seguintes componentes:
• Trocador de calor - Transfere calor entre o fluido dielétrico do tanque e o abastecimento de água gelada do edifício sem misturá-los.
• Bombas - Circule o líquido no tanque ao redor dos servidores, removendo o calor dos componentes de TI e aquecendo o fluido. O líquido é então bombeado para o trocador de calor de placas soldadas para esfriar antes de passar por um filtro e retornar ao tanque para iniciar o ciclo novamente.
• Válvula moduladora de fluxo - Ajusta a capacidade de resfriamento da CDU para corresponder à carga de calor dentro dos tanques, permitindo gerenciamento térmico e eficiência ideais.
• Filtro - Remove contaminantes e impurezas dos fluidos para garantir a operação ideal e a longevidade dos sistemas.
• Fonte de alimentação - Permite uma transição de energia perfeita com uma chave de transferência AB integrada.
• Tubulação: Conecta o tanque à CDU para facilitar a circulação do líquido dielétrico.

Eficiência e desempenho do resfriamento por imersão para HPC

O resfriamento por imersão pode melhorar o desempenho do data center, gerenciando com eficiência as altas saídas de calor. Em cargas de trabalho de IA e HPC, os sistemas de resfriamento por imersão forneceram capacidades de resfriamento de até 100 kW por tanque (42 ou 52 unidades de rack (U)). Essa tecnologia pode fornecer uma solução eficaz para demandas computacionais intensas.

Capacidade de resfriamento dos sistemas de imersão

O resfriamento por imersão absorve 100% do calor dos componentes de TI, pois eles estão totalmente submersos no fluido, minimizando a necessidade de unidades de resfriamento de ar e reduzindo as etapas de transferência de calor. A capacidade deste sistema de lidar com todo o calor dos componentes elimina o calor residual no ar. Além disso, o fluido usado no resfriamento por imersão opera em temperaturas mais altas do que o resfriamento direto no chip, permitindo períodos de resfriamento livre mais longos. Ao usar um chiller, a menor diferença de temperatura pode melhorar a eficiência energética.

No entanto, as unidades de resfriamento de ambientes continuarão sendo essenciais em um data center para manter a qualidade do ar. Controlar a umidade e usar um sistema de filtragem pode evitar o acúmulo de poeira, facilitar a circulação de ar limpo e manter as condições respiráveis, reduzindo o excesso de CO2.

Impacto ambiental

Os sistemas de resfriamento por imersão geralmente usam um líquido dielétrico à base de minerais do gás natural. O gás natural pode ser usado como material de origem para criar um fluido dielétrico por meio do processo "gás para líquidos", onde é convertido em um líquido sintético adequado para aplicações de resfriamento por imersão. Embora a indústria química purifique e converta esse óleo em um novo líquido dielétrico, isso evita as emissões de CO2. O líquido de resfriamento por imersão não é consumido, como é o caso do gás natural em usinas elétricas.

Os operadores de data center que buscam um líquido de resfriamento por imersão livre de óleo e gás natural podem usar líquidos dielétricos de base biológica como alternativa. Esses líquidos, derivados de resíduos biológicos, reduzem a dependência de óleo mineral e gás natural, oferecendo uma opção mais ambientalmente consciente.

Benefícios inesperados

O resfriamento por imersão pode oferecer um ambiente de data center mais silencioso. Ao contrário do ruído predominante em centros refrigerados a ar - devido à extensa recirculação de ar - o resfriamento por imersão é predominantemente silencioso, com apenas o zumbido suave das bombas, reduzindo significativamente os níveis gerais de ruído.

Considerações críticas para retrofit com sistemas de resfriamento por imersão

Nem todos os data centers que exigem soluções de refrigeração líquida são instalações greenfield. Ao adaptar um data center refrigerado a ar existente com resfriamento por imersão, as principais considerações para os operadores incluem o layout do espaço e a infraestrutura de energia.

Espaço e layout

Os tanques de imersão têm uma pegada diferente em comparação com os racks tradicionais, portanto, os sistemas de resfriamento por imersão não se encaixam em um layout padrão de data center com racks. Para implementar tanques de imersão de forma eficaz, as equipes das instalações podem avaliar o espaço disponível e planejar adequadamente, possivelmente reconfigurando os layouts para acomodar o espaço necessário. Antes do início das operações, eles devem limpar uma zona designada para implementação de tanques e CDU.

Infraestrutura de energia

Os sistemas de resfriamento por imersão precisam de uma fonte de alimentação direta, exigindo que as equipes das instalações reconfigurem sua infraestrutura de energia. Os operadores de data center podem usar um feed A e B com um backup UPS e conectar CDUs a uma fonte de energia semelhante ao equipamento de TI. Isso permite que as CDUs permaneçam operacionais com os sistemas de TI e forneçam resfriamento mesmo durante uma queda de energia.

Personalização de sistemas de resfriamento por imersão

O resfriamento por imersão pode ser adaptado para atender aos requisitos exclusivos de diferentes data centers, atendendo a necessidades específicas, como componentes de rede e PDU. Por exemplo, algumas configurações exigem mais espaço para switches de rede além do compartimento 2U padrão, enquanto outras precisam de PDUs personalizadas para maior potência, mais tomadas ou configurações alternativas. Os ajustes da taxa de fluxo de líquido também são viáveis, mas as personalizações primárias geralmente envolvem configurações de rede e PDU.

Escalabilidade do resfriamento por imersão

Os operadores de data center podem dimensionar com eficiência suas implementações de resfriamento por imersão para acomodar o crescimento futuro. Cada CDU fornece uma capacidade de resfriamento de 200 a 240 kW, permitindo que os data centers sejam dimensionados em incrementos de 240 kW. Com este projeto, os operadores podem adicionar de um a quatro tanques por CDU, com cada tanque suportando até 100 kW. Portanto, para atingir a capacidade total de 240 kW, seriam necessários vários tanques. Essa abordagem modular é adequada para grandes data centers com implementações de servidores de alta densidade, permitindo um dimensionamento preciso de acordo com a demanda.

Práticas recomendadas para implementações de resfriamento por imersão

Os requisitos de monitoramento para sistemas de resfriamento por imersão diferem ligeiramente daqueles dos data centers tradicionais refrigerados a ar. A maioria dos operadores já deve conhecer alguns parâmetros, como temperatura e sementes da bomba, pois também são usados em CDUs para resfriamento direto no chip.

No entanto, os sistemas de imersão introduzem novos pontos de dados, como vários níveis de tanque que exigem configurações de alarme exclusivas. Esses alarmes são categorizados como urgentes ou não urgentes, semelhantes aos alertas do sistema refrigerado a ar para o status da porta da sala do servidor. Os sistemas de gerenciamento de edifícios (BMS) existentes podem integrar facilmente esses pontos de dados adicionais, como níveis de enchimento e temperaturas do tanque, em suas estruturas. Embora os pontos de dados específicos possam ter nomes diferentes, os recursos fundamentais e os processos de integração se alinham estreitamente com os dos sistemas convencionais.

Tendências e perspectivas emergentes em resfriamento por imersão

O futuro do resfriamento por imersão está avançando com o aumento da capacidade de resfriamento. Provavelmente veremos uma combinação de soluções de refrigeração líquida, incluindo vários métodos inovadores integrados em sistemas especializados.

Outra tendência significativa é a melhoria dos líquidos dielétricos, fornecendo alternativas que ajudam a reduzir as emissões de carbono. Além disso, o resfriamento por imersão permite o aumento da temperatura do sistema de resfriamento, o que melhora os processos de recuperação de calor residual. Esse progresso abre oportunidades para aplicações de aquecimento urbano e outros usos.

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