Los hyperscalers lo hacen. Algunas grandes empresas también lo hacen. Pero, ¿Cómo de extendido está el uso de energía CC en los centros de datos?
Y lo que es más importante, ¿por qué las organizaciones lo utilizan?
Por qué los centros de datos no adoptaron 48 VCC
Los racks de CC tienen una larga historia, y si actualmente no utilizas la distribución de energía de CC, es bastante seguro que la has encontrado en el pasado y es posible que todavía la uses todos los días en tu teléfono.
"La infraestructura energética ha sido una especie de magia negra para la mayoría de las organizaciones", dice My Truong, director de tecnología de campo de Equinix. “La distribución de energía CC existe desde hace mucho tiempo en el sector de las telecomunicaciones. Nos hemos olvidado en gran medida de esto dentro del espacio de colocación, pero hace de 30 a 50 años, las empresas de telecomunicaciones eran dominantes y usaban un diseño de CC de 'retorno negativo de 48 V' para los equipos”.
Las centrales telefónicas u oficinas centrales (los centros de datos de su época) funcionaban en DC, y nuestra imagen principal es la de una oficina central en una instalación militar estadounidense.
"Una planta rectificadora tomaría energía de CA y la rectificaría en energía de CC que distribuiría en una distribución de CC punto a punto de estilo de retorno negativo".
Esas oficinas centrales tenían baterías de plomo ácido como respaldo y líneas fijas, y el tradicional sistema telefónico antiguo (POTS) se basa en una red de cableado de par trenzado que se extiende hasta su hogar, donde usa una proporción de ese voltaje de CC para hacer sonar su teléfono y lleva la voz.
"De hecho, todavía vemos equipos estilo CC de retorno negativo de 48 V dentro de los sitios e instalaciones heredados de Equinix", dice Truong. "Hoy en día todavía utilizamos una planta rectificadora de -48 V para distribuir aplicaciones de telecomunicaciones clásicas dentro de los centros de datos, aunque ya no hacemos mucho de eso".
Cuando surgió la electrónica de masas en la década de 1980, los chips funcionaban con corriente continua y tendían a funcionar a fracciones de 12 V, en parte como herencia de los voltajes utilizados en las telecomunicaciones y en la industria automotriz.
Los centros de datos adoptaron muchas cosas de las telecomunicaciones, en particular el omnipresente rack de 19 pulgadas, que fue estandarizado por AT&T allá por 1922. Ahora, esos racks contienen sistemas electrónicos cuyo núcleo (los chips dentro de los servidores) funcionan fundamentalmente con corriente continua. Pero los centros de datos distribuyen energía mediante CA.
Esto se debe a que el equipo que se coloca en los racks del centro de datos había sido diseñado previamente para conectarse a la red eléctrica de CA, dice Truong: "Los PC y mainframes comerciales utilizaban predominantemente distribución de energía monofásica o trifásica", dice.
Los servidores básicos y los PC se instalaron en armarios de datos alimentados por el cableado de la oficina y evolucionaron hasta convertirse en centros de datos: "La distribución de CA es un efecto secundario directo de ese armario de datos, que funciona a 120 V CA en las Américas".
Los servidores y conmutadores montados en bastidor son normalmente versiones reempaquetadas de equipos que contienen una unidad de fuente de alimentación (PSU), también llamada fuente de alimentación de modo conmutado (SMPS), que es esencialmente un rectificador que toma la alimentación de CA y la convierte en CC para alimentar las partes internas de los sistemas. En las décadas de 1990 y 2000, ese era el equipo alrededor del cual se construían los centros de datos.
Por esa época, las oficinas centrales de telecomunicaciones también se alejaron de DC, dice Truong: “48V era un estándar real para las oficinas centrales de telecomunicaciones y funcionó durante el tiempo que las empresas de telecomunicaciones lo tuvieron, pero en la década de 2000 vimos una caída natural lejos de los 48V DC, en telecomunicaciones también. Todavía existe cierta prevalencia en las telecomunicaciones pero, dependiendo de a quién le preguntes, el valor no está ahí, porque también podemos construir sistemas de aire acondicionado confiables”.
Ineficiencias del aire acondicionado
En un centro de datos tradicional, la energía se distribuye a través del edificio principalmente como CA.
La energía ingresa al edificio como CA de alto voltaje, que se reduce a un voltaje que pueda enrutarse de manera segura a las salas de servidores. Al mismo tiempo, una gran parte de la energía se envía al sistema de suministro de energía ininterrumpida (UPS), donde la energía de CA se convierte en energía de CC para mantener las baterías.
Luego se vuelve a convertir a CA y se enruta a los bastidores y al equipo de TI. Dentro de cada interruptor y servidor individual, la fuente de alimentación o rectificador lo convierte nuevamente a la CC que desea la electrónica.
Pero todo esto tiene sus inconvenientes. Convertir la electricidad de una forma a otra siempre introduce pérdidas de energía e ineficiencia. Cuando la electricidad se convierte de CA a CC y viceversa, se pierde algo de energía. Las eficiencias pueden ser tan bajas como el 73 por ciento, ya que la energía debe convertirse a CC y viceversa varias veces.
Además, tener una fuente de alimentación en cada caja del rack añade muchos componentes, recursos y gastos al sistema.
A lo largo de los años, muchas personas han sugerido formas de reducir la cantidad de conversiones, generalmente mediante alguna forma de distribución de CC. ¿Por qué no convertir el suministro de CA en alimentación de CC de una sola vez y luego distribuir voltajes de CC a los bastidores? Eso podría eliminar ineficiencias y eliminar posibles puntos de falla donde se convierte la energía.
Los esfuerzos para distribuir DC a través del edificio han sido controvertidos La distribución de CC dentro de los racks supone un cambio significativo con respecto a los equipos informáticos tradicionales, pero la idea ha avanzado mucho.
Entrar en la barra colectora
En las instalaciones tradicionales, la CA llega a los racks y se distribuye a los servidores y conmutadores a través de barras de tomas eléctricas a las que se enchufan todos los equipos. A menudo se les conoce como unidades de distribución de energía (PDU), pero son básicamente versiones con todas las funciones de las regletas que usas en casa.
En la década de 2000, los grandes actores querían simplificar las cosas y optaron por barras colectoras dentro de las estanterías. Los rectificadores en la parte superior de los bastidores convierten la energía a CC y luego la alimentan en tiras individuales de metal que recorren la parte posterior de los bastidores.
Los servidores, conmutadores y almacenamiento pueden conectarse directamente a la barra colectora y funcionar sin la necesidad de ninguna fuente de alimentación o rectificador dentro de cajas que se alimentan desde rectificadores en la parte superior del bastidor. Estos reemplazan efectivamente las fuentes de alimentación en las cajas de servidores y distribuyen energía CC directamente a los componentes electrónicos dentro de las cajas de servidores, utilizando una sola tira de metal.
Es una simplificación radical y fácil de realizar para un hyperscaler u otro usuario grande, que especifica múltiples bastidores completos de kit al mismo tiempo para una aplicación homogénea.
La batería de respaldo también se puede conectar a la barra colectora del bastidor, ya sea al lado del estante eléctrico o en la parte inferior del bastidor.
Al principio, eran barras colectoras de 12 V, pero esto se está reevaluando, dice Truong: "Algunos hyperscalers comenzaron a impulsar el estándar de energía positiva de 48 V, porque hubo un reconocimiento, al menos, específicamente de Google, de que la distribución de energía de 48 V no ayuda en varias áreas”.
"La distribución de energía de 48 V está evolucionando y se está volviendo muy necesaria en el ecosistema", afirma Truong. "Los diseños de 12 voltios existen, pero tienen sus propios desafíos en el lado de la infraestructura".
Hay una razón básica para esto: la potencia es el producto del voltaje y la corriente (P=VxI), pero el voltaje y la corriente también están relacionados por la resistencia según la Ley de Ohm (V=IR).
En particular, a alto voltaje, la resistencia de la barra colectora consume menos energía, porque se necesita menos corriente para entregar la misma potencia. La pérdida de potencia en la barra colectora es proporcional al cuadrado de la corriente (P=I2R).
El Open Compute Project (OCP) , creado por Facebook para compartir diseños para grandes centros de datos entre operadores y sus proveedores, definió estándares de rack. Los primeros diseños de Open Rack utilizaron el diseño de barra colectora de 12 V CC de Facebook, pero la versión 3 incorporó un diseño de 48 V presentado por Google.
Mientras tanto, el grupo Open19, que surgió de LinkedIn, produjo su propio diseño de rack con distribución de CC, pero utilizó conectores punto a punto: estos son conectores simplificados a presión que van desde un estante de energía a los servidores, pero son conceptualmente similares a las Conexiones dentro de una oficina central de la vieja escuela.
Los bastidores pasan a 48 V
Al igual que OCP, Open19 comenzó con una distribución de 12 V CC y luego agregó 48 V en su especificación de la versión 2, lanzada en 2023.
Además de su función en Equinix, Truong es presidente de SSIA, el organismo que evolucionó a partir de Open19, y desarrolla estándares de hardware dentro de la Fundación Linux. Truong explica la llegada de una especificación Open19 de 48 V: “Una de las cosas en las que pensamos mucho mientras estábamos desarrollando la especificación v2 fue que la cantidad de amperaje que se suministraba era quizás un poco insuficiente para muchos de los tipos de cargas de trabajo que nos importaban. Así que incorporamos alrededor de 48 V”.
Además, los bloques de alimentación en Open19 ahora tienen 70 amperios de capacidad de transporte de corriente.
Ambos esquemas reúnen las fuentes de alimentación (o rectificadores) en un único lugar del rack, lo que proporciona mucha más flexibilidad: “En lugar de tener una única conexión de fuente de alimentación uno a uno, se pueden mover eficazmente las plantas rectificadoras dentro del rack”, dice. "Podemos tener cantidades menores de suministros de energía para una cantidad mayor de equipos de TI y jugar dentro de las plantas rectificadoras para mejorar la eficiencia".
Las unidades de fuente de alimentación tienen un índice de eficiencia, siendo el titanio el valor más buscado, pero la eficiencia depende de cómo se utiliza el equipo. "Incluso una fuente de alimentación de titanio tendrá una curva óptima", afirma Truong. Agregar PSU significa que se pueden asignar a equipos de TI de manera flexible para mantenerlos en un modo eficiente la mayor parte del tiempo.
"Nos brinda flexibilidad y oportunidad para comenzar a mejorar los diseños generales, cuando comienzas a retirar la fuente de alimentación del servidor y comienzas a permitir que se trate en otro lugar".
Los fabricantes de componentes están de acuerdo con la idea. Por ejemplo, la empresa de suministro de energía Advanced Energy acogió con agrado la inclusión de estantes de energía de 48 V: "Tradicionalmente, los racks de los centros de datos han utilizado estantes de energía de 12 V, pero las plataformas de computación y almacenamiento de mayor rendimiento exigen más energía, lo que resulta en una corriente muy alta. Pasar de 12- La distribución de energía de voltios a 48 voltios reduce el consumo de corriente en un factor de cuatro y reduce las pérdidas de conducción en un factor de 16. Esto da como resultado un rendimiento térmico significativamente mejor, barras colectoras más pequeñas y una mayor eficiencia".
El kit de CC está disponible
"Una de las cosas que frenan los racks de CC es la falta de conocimiento", afirma Vito Savino de OmniOn Power: “Una de las barreras de entrada de CC en los centros de datos es que la mayoría de los operadores no son conscientes del hecho de que todas las cargas de TI que tienen los dispositivos que se compran actualmente con alimentación de CA también están disponibles como opción con alimentación de CC. A algunos de nuestros clientes les sorprende cuando intentamos convertirlos de alimentación de CA a alimentación de CC. Pero tenemos datos que muestran que cada carga que quieran usar también está disponible con una entrada de CC a 48 voltios”.
Savino dice que “es debido a la historia de las telecomunicaciones que esas opciones de 48 V estén disponibles”, pero la demanda actual proviene en gran medida de los hyperscalers como Microsoft, Google y Amazon.
El instructor de DCD>Academy, Andrew Dewing, señala que los servidores fabricados según las demandas de los hyperscalers, utilizando los estándares Open Compute Project, ahora se construyen sin sus propias fuentes de alimentación o rectificadores. En cambio, estas unidades se agregan en una plataforma eléctrica.
Esto permite todo tipo de nuevas opciones y simplificaciones y también expone los defectos históricos de las unidades de suministro de energía, que Dewing llama fuentes de alimentación de modo conmutado o SMPS: “Los antiguos SMPS eran significativamente responsables del alcance de los armónicos en los primeros días de la industria y muy ineficientes. Estoy seguro de que OCP suministrará energía a los componentes de TI en DC con menos suministros de energía y más eficientes”.
Truong cree que esto podría cambiar las cosas: “Históricamente, cuando una fuente de alimentación [es decir, un rectificador] estaba estrechamente acoplada al equipo de TI, no teníamos forma material de impulsar la eficiencia del suministro de energía. Ahora podemos mover ese límite. Aún se puede suministrar energía de manera consistente, confiable y redundante en un diseño de energía de hace 40 años, pero ahora podemos desacoplar las fuentes de alimentación, lo que nos brinda muchas oportunidades en las que pensar”.
Pasar a un voltaje más alto también ayuda en los servidores y conmutadores, donde los conductores más pequeños tienen los mismos problemas con la resistencia óhmica. "Se magnifica dentro de un sistema", dice Truong. “Las huellas de cobre en el conector de una tarjeta de edge son finitas. Debido a que tienes pasos de clavija pequeños, estás depositando una enorme cantidad de esas clavijas, una enorme cantidad de trazas de cobre, para poder mover la cantidad de energía que necesitas para moverte a través de ese sistema”.
Ve que los 48 V aparecen en múltiples proyectos, como el OAM de OCP, un módulo enchufable diseñado para aceleradores que tiene una opción de riel de alimentación nativo de 48 V en su interior: "Creo que ese podría ser otro indicador de que las arquitecturas de alimentación de 48 V en toda la industria se van a convertir en predominantes."
Truong predice que incluso cuando las unidades de fuente de alimentación permanezcan en la caja, “probablemente veremos una evolución en el lado de la fuente de alimentación de 12 V a 48 V en los próximos años. Pero está completamente oculto a la vista de cualquiera porque se encuentra dentro de una fuente de alimentación”.