Con las cargas de trabajo del centro de datos en constante aumento debido a los análisis avanzados, la IA y la digitalización de cada proceso, el consumo de energía promedio de los racks se ha disparado considerablemente. Y, como sabemos, con más consumo de energía, más calor residual que debe eliminarse del rack y, finalmente, del espacio en blanco.
En el pasado reciente, cuando los racks consumían hasta 20kW, se podía confiar en las metodologías de enfriamiento basadas en aire para mantener el hardware de TI funcionando de manera segura y eficiente. Pero a medida que algunos racks comienzan a superar los 30 kW o más, se deben utilizar nuevos enfoques de refrigeración.
Esto se debe en parte a la densificación del hardware de TI en general, ya que cada nueva generación de CPU incluye más capacidad de procesamiento en tamaños de matriz cada vez más pequeños. Las cargas de trabajo como la inteligencia artificial (AI) y el aprendizaje automático (ML) requieren operaciones de punto flotante que generalmente se entregan a través de una unidad de procesamiento gráfico. Estas GPU están diseñadas para tener una temperatura de funcionamiento normal superior a 80 °C (176 °F) cuando se utilizan por completo para una carga de trabajo particular.
Si bien existen opciones de refrigeración por aire para racks que consumen más de 20 kW, a menudo son engorrosas de instalar y mantener de manera efectiva, y esencialmente superan el punto de rendimientos decrecientes en términos de capacidad de refrigeración. Como tal, los propietarios y operadores de centros de datos ahora miran con cautela hacia la refrigeración líquida para sus nuevos proyectos de instalaciones.
Breve historia de la refrigeración líquida
La refrigeración líquida de los equipos de TI parece una nueva tecnología, pero no puede estar más lejos de la realidad.
Los líquidos en general pueden ser un gran medio de transferencia de calor y con un poco de ingeniería química, los puntos de ebullición y condensación se pueden adaptar con precisión, mejorando la transferencia de calor usando fluidos dieléctricos.
Varias formas de refrigeración líquida han existido desde finales de 1800 cuando se usaban para aislar y enfriar transformadores de voltaje extra alto. La industria automotriz es otro ecosistema que dependía y aún depende de la refrigeración líquida: el agua en un radiador de automóvil típico.
La refrigeración líquida ingresó al sector de las computadoras al principio de su historia, cuando IBM lanzó una serie de computadoras de nivel empresarial llamadas System/360, a principios de la década de 1960.
El System/360 ha sido una de las líneas más duraderas de computadoras disponibles comercialmente. Si bien el hardware original ahora está retirado, el código S/360 escrito a principios de la década de 1960 todavía se encuentra en los nuevos mainframes en la actualidad. También fue la primera computadora en tener un conjunto de instrucciones unificado, lo que hizo que las actualizaciones o los cambios en el mainframe fueran más fáciles que nunca.
El System/360 también se enfrió con un enfoque híbrido utilizando refrigeración por aire y líquido. Esto era bastante grande y engorroso de instalar, pero IBM desarrolló el modelo híbrido para adaptarse a mayores cargas de calor. Con estos sistemas, hasta el 50 por ciento del calor disipado se eliminó del aire de enfriamiento a través de intercambiadores de calor enfriados por agua.
Hoy en día, la refrigeración líquida está presente en casi todos los PC de escritorio, y el concepto sigue siendo esencialmente el mismo. El proceso de refrigeración se compone de tres partes bien diferenciadas: - la placa calefactora, los conductos de impulsión y retorno, y los radiadores y ventiladores.
La placa de calor es esencialmente una placa de metal que cubre todo el chip de la CPU con un pequeño depósito en la parte superior. La placa está diseñada para ser lo más conductora posible en términos de calor. Cualquier calor generado por el chip se transferirá al depósito en la parte superior.
El líquido en este circuito cerrado viajará a través de las tuberías de suministro y retorno a los radiadores, donde el calor será expulsado de la carcasa de la PC a través de las aletas del radiador; estas aletas se enfrían activamente mediante ventiladores.
Las opciones de refrigeración líquida para consumidores originalmente solo se ocupaban del calor de la CPU, pero ahora casi todos los componentes de un PC moderno pueden refrigerarse con líquido.
Esa es la opción de enfriamiento líquido para el consumidor, pero ¿Qué pasa con las implementaciones a mayor escala y las soluciones de nivel empresarial? Los veremos a continuación en el contexto del centro de datos.
Soluciones de refrigeración líquida de nivel empresarial
Al analizar las opciones de refrigeración líquida para hardware de TI de nivel empresarial, existen esencialmente dos categorías principales de refrigeración líquida: refrigeración líquida directa al chip (a veces llamada refrigeración líquida conductiva o de placa fría) y refrigeración líquida inmersiva.
Al considerar las fases (en qué estado se encuentra el fluido, ya sea líquido o gas) por las que pasa el refrigerante, tenemos cinco tipos distintos de refrigeración líquida.
Monofásico directo a chip
Este método de enfriamiento requiere la entrega del líquido refrigerante directamente a los componentes más calientes de un servidor (CPU o GPU) con una placa fría colocada directamente sobre el chip. Los componentes eléctricos nunca están en contacto directo con el refrigerante.
Con este método, aún se requieren ventiladores para proporcionar flujo de aire a través del servidor para eliminar el calor residual. Si bien la infraestructura de enfriamiento por aire se reduce considerablemente, aún se requiere una para el correcto funcionamiento de este método de enfriamiento por líquido.
Los refrigerantes pueden ser agua o fluidos dieléctricos, pero el agua inferirá un riesgo de fugas durante el tiempo de inactividad; sin embargo, los sistemas de prevención de fugas (LPS) están disponibles. Monofásico se refiere al hecho de que el refrigerante no cambia de estado, es decir, de líquido a gas.
Este es también el mismo método utilizado en el ejemplo anterior de PC de escritorio.
Directo al chip: dos fases
El método de enfriamiento líquido de dos fases directo al chip funciona como el método monofásico anterior, con la única diferencia de que el refrigerante líquido cambia de estado, de gas a líquido y viceversa, a medida que completa el ciclo de enfriamiento. Estos sistemas siempre utilizarán fluido dieléctrico diseñado.
En términos de rechazo de calor, los sistemas bifásicos son mejores que los sistemas monofásicos y tienen un menor riesgo de fugas debido a la naturaleza cambiante del estado del refrigerante. Sin embargo, requieren controles adicionales que aumentarán los costos de mantenimiento durante la vida útil del sistema.
Refrigeración líquida inmersiva: chasis de TI monofásico
Este enfoque de refrigeración utiliza un fluido dieléctrico monofásico y está en contacto directo con los componentes de TI. Los servidores se sumergen total o parcialmente en este líquido no conductor dentro del chasis, eliminando de manera efectiva todas las fuentes de calor.
El enfriamiento puede ocurrir de forma pasiva por conducción o por bombeo activo. Tanto los intercambiadores de calor como las bombas se pueden encontrar dentro del chasis o en una disposición lateral donde el calor se transfiere del líquido a un circuito de agua.
Este enfoque tampoco implica ventiladores, por lo que su funcionamiento es casi silencioso (0 dB). En contraste, algunas instalaciones enfriadas por aire pueden alcanzar más de 80 dB en la sala de datos con trabajadores que requieren protección auditiva para exposiciones más prolongadas.
Enfriamiento por inmersión – Tina abierta – Monofásico
A veces denominado "baño abierto", este método de enfriamiento líquido inmersivo implica que el equipo de TI se sumerja completamente en líquido.
Esencialmente, es un bastidor boca abajo, lleno de fluido dieléctrico: en lugar de montar los servidores horizontalmente, ahora se montan verticalmente.
Estos sistemas suelen estar equipados con fuentes de alimentación centralizadas y el fluido dieléctrico natural se enfría a través de un intercambiador de calor mediante una bomba que puede instalarse dentro o fuera de la tina, o por convección.
Enfriamiento por inmersión – Tina abierta – Dos fases
Al igual que con Monofásico, en este método el equipo de TI está completamente sumergido en fluido verticalmente dentro de un tanque. Pero, lo que es más importante con este enfoque, el fluido dieléctrico debe ser capaz de cambiar de estado de líquido a gas a medida que se calienta.
En un sistema de este tipo, las partes sumergidas y expuestas generarán calor, convirtiendo el líquido en gas, que sube a la superficie y se condensa en una bobina, cayendo de forma natural una vez que se enfría lo suficiente al volver a su estado líquido.
¿Qué son los fluidos dieléctricos?
Los líquidos dieléctricos se utilizan como aislantes eléctricos en aplicaciones de alta tensión, por ejemplo, transformadores, condensadores, cables de alta tensión y aparamenta (es decir, aparamenta de alta tensión).
Sus funciones son proporcionar aislamiento eléctrico, suprimir la corona y el arco, y servir como refrigerante. Generalmente, se dividen en dos categorías, fluoroquímicos e hidrocarburos.
Los fluidos fluoroquímicos, generalmente con un punto de ebullición más bajo, se utilizan predominantemente para el enfriamiento por inmersión de dos fases.
Los hidrocarburos normalmente no se utilizan para los sistemas de enfriamiento de inmersión de dos fases, ya que la mayoría de los hidrocarburos son combustibles y/o inflamables. Por lo tanto, los hidrocarburos generalmente solo se usan en aplicaciones monofásicas.
Tanto los fluoroquímicos (o fluorocarbonos) como los hidrocarburos (p. ej., aceites minerales, aceites sintéticos, aceites naturales) se pueden utilizar para la refrigeración por inmersión monofásica. Los fluidos con un punto de ebullición más alto (por encima de la temperatura máxima del sistema) son necesarios para garantizar que el fluido permanezca en la fase líquida.
Las consideraciones al decidir entre varios fluoroquímicos e hidrocarburos incluyen el rendimiento de transferencia de calor (estabilidad y confiabilidad a lo largo del tiempo, etc.), facilidad de mantenimiento del hardware de TI, higiene de fluidos y necesidades de reemplazo, compatibilidad de materiales, propiedades eléctricas, inflamabilidad o combustibilidad, impacto ambiental, seguridad -problemas relacionados y costo total de fluidos durante la vida útil del tanque o centros de datos.
Adopción actual
Si bien está lejos de ser la corriente principal, la refrigeración líquida se está posicionando como la solución de refrigeración para la informática de alto rendimiento. Sin embargo, su adopción generalizada dependerá de los avances en tecnología y diseños de chips.
La modernización de los centros de datos ya existentes es costosa para algunas formas de refrigeración líquida, mientras que el peso de los tanques de inmersión hace que sea poco práctico para muchas instalaciones actuales de piso elevado.