Se supone que la refrigeración líquida está impulsando una revolución en la gestión del calor dentro de los centros de datos. Se nos dice que el método antiguo, el enfriamiento por aire, está a punto de desaparecer. Debe desaparecer para dar paso a un mundo en el que los servidores se enfríen con agua, dieléctricos y otros fluidos.

En la vida real, las revoluciones rara vez son tan claras y ordenadas.

No hay duda de que las densidades de servidores en racks están llegando al punto en que algunos de ellos ya no pueden enfriarse eficientemente con aire. La refrigeración líquida tiene un amplio conjunto de beneficios, que incluyen una mayor eficiencia, una mejor exclusión del polvo y la suciedad y un funcionamiento más silencioso, y proporciona calor residual en una forma que puede usarse en otros lugares.

Pero aun así, los proveedores de refrigeración por aire tienen una acumulación de pedidos que no muestran signos de disminuir, y todavía se están diseñando nuevos centros de datos en torno a enfriadores, HVAC y otros equipos refrigerados por aire.

¿Cómo explicamos esto? ¿Y cómo coexistirán los entornos refrigerados por aire de hoy con los sistemas refrigerados por líquido del mañana?

Paleta de enfriamiento

La idea de que el aire dará paso a la refrigeración líquida es errónea por dos motivos, afirma el consultor especializado en refrigeración Rolf Brink, líder del Open Compute Project para refrigeración líquida: “La refrigeración por aire nunca desaparecerá. Y también es incorrecto decir que siempre han sido refrigerados por aire. No es una batalla sobre qué tecnología quedará al final del camino."

"Hay que observar el equipo de TI y ver qué necesita", dice Brink. “Los equipos de TI tienen diversos requisitos de refrigeración, y aquí es donde la paleta de tecnologías de refrigeración que se debería considerar se enriquece enormemente en estos días.

“El cold plate se está generalizando este año o el próximo”, afirma Brink. “La inmersión tardará algunos años más antes de que se generalice. Pero no todos los equipos de TI son adecuados para inmersión, placa fría o refrigeración por aire únicamente."

"Ese es el gran cambio de paradigma", afirma. “Vamos a ver más entornos híbridos donde la infraestructura y las instalaciones subyacentes puedan atender tanto a la refrigeración por aire como a la refrigeración líquida. Y eso es para lo que la industria necesita prepararse”.

"Estamos en esta fase de transición, donde vemos una demanda extendida de refrigeración por aire y muchos nuevos requisitos de refrigeración líquida", dice Stuart Lawrence, vicepresidente de innovación de productos y sostenibilidad en Stream Data Centers. "Por eso consideramos que la capacidad de configuración es lo más importante en este momento".

Como operador de un centro de datos, Lawrence tiene que lidiar con lo que sus clientes (en su mayoría grandes jugadores que ocupan un edificio completo a la vez): “Estamos viendo a algunos clientes jugando con refrigeración líquida directa al chip, ya sea monofásica o monofásica. No estamos viendo mucha inmersión”

La perspectiva del aire

Los vendedores de aire acondicionado admiten que las cosas deben cambiar. "En algún momento, la refrigeración por aire tiene sus limitaciones", afirma Mukul Anand, director global de desarrollo empresarial para productos HVAC aplicados de Johnson Controls. "La cantidad de calor que se puede eliminar con aire es limitada".

Como explica, se necesita mucho aire para enfriar un chip de alta energía: "La velocidad del aire se vuelve muy alta, el ruido en el espacio en blanco se convierte en un desafío y el consumo de energía del ventilador del servidor aumenta, lo que no se manifiesta en el cálculo del PUE”.

Él ve un crecimiento en el enfriamiento directo al chip, por inmersión y en dos fases, y señala que los sistemas enfriados por aire a menudo tienen un circuito de agua, además de usar agua en sistemas evaporativos. Los centros de datos están tratando de minimizar el consumo de agua mientras apagan los compresores cuando es posible, y la refrigeración por agua dentro del espacio en blanco puede facilitar su trabajo.

"Hemos visto un claro cambio en los municipios y comunidades que abandonan el uso de agua para enfriar los centros de datos", dice Anand. "Un cambio de las tecnologías de enfriamiento por evaporación directa hacia enfriadores enfriados por aire o enfriadores y enfriadores secos enfriados por agua".

A medida que la refrigeración líquida entra en el espacio en blanco, dice: "Tenemos que asegurarnos de comprender completamente los fluidos que se utilizarán (agua, glicol, etc.) y asegurarnos de que convergemos en una tecnología de servidor refrigerada por líquido acordada, y utilizar la economización tanto como sea posible”.

“Una de las consecuencias directas es utilizar la temperatura del fluido enfriado tan alta como lo permita el equipo de TI. 30°C se considera una cifra mediana. Sin duda, es más alto que el fluido de agua enfriada que se utiliza hoy en día en los sistemas de refrigeración por aire de los centros de datos”.

Los sistemas de refrigeración por aire tendrán que adaptarse, afirma: "Debemos lanzar y utilizar productos que sean igual de cómodos y eficientes y proporcionen líquido refrigerado a 30°C".

Con esa temperatura en sus sistemas de refrigeración, los centros de datos pueden dedicar más tiempo al enfriamiento gratuito utilizando aire exterior. “Eso permite pasar muchas horas con el método de enfriamiento gratuito, donde los compresores no consumen una cantidad significativa de energía. En lugares como el condado de Loudoun, Virginia, y Silicon Valley, estamos economizando tanto como sea posible”.

En este mundo, el 10 por ciento de los racks de un centro de datos pueden pasar al estado líquido. "Tiene una arquitectura de enfriamiento que puede enfriar el 90 por ciento de los servidores enfriados por aire y gradualmente convertir este centro de datos a cada vez más enfriado por líquido".

En el mejor de los casos, muchos de los escenarios de refrigeración líquida definidos por ASHRAE rara vez necesitan enfriadores y refrigeración mecánica, y esos enfriadores se convertirán en un sistema de respaldo para emergencias, dice Anand: “Es para esas tardes cálidas. Debes tener un generador para los momentos en que no tengas energía. Debe tener enfriadores durante las pocas horas del año en las que no puede ahorrar para hacer el trabajo de enfriamiento por usted”.

Esos enfriadores aún podrían verse cuestionados, afirma, porque además de tener espacios en blanco más densos, “los propietarios y operadores se están inclinando por centros de datos de varios pisos”.

Estos enfriadores deberán construirse teniendo en cuenta el carbono incorporado, tanto físicamente como en su cadena de suministro: “Si se utiliza menos metal y equipos más livianos, el carbono generado durante los procesos de fabricación y envío es menor."

Los enfriadores se colocan en el techo del edificio, lo que significa que están más juntos, lo que genera un problema de “isla de calor”: “Cuando las unidades de condensación o los enfriadores con condensadores están muy separados en un techo, uno no se ve influenciado por el otro. Cuando tienes 32 o 64 enfriadores juntos en un espacio en la azotea, el aire de descarga de uno va al condensador del siguiente, lo que afecta negativamente su eficiencia y capacidad”.

Ampliación de la refrigeración por aire

De vuelta al interior del espacio en blanco, Lawrence considera que muchas implementaciones de refrigeración líquida simplemente extienden la refrigeración por aire proporcionada en el edificio: "Es líquido directo al chip, pero el líquido va a un intercambiador de calor de la puerta trasera o a un intercambiador de calor del sidecar".

La refrigeración de precisión de empresas como Iceotope, donde los servidores permanecen en bastidores normales y el líquido llega a las piezas específicas que necesitan refrigeración, es un punto medio entre el directo al chip o la placa fría y la idea más extrema de inmersión total en tanques vendidos. por empresas como GRC y Asperitas.

Los productos de refrigeración líquida de precisión y directo al chip se pueden instalar en un entorno refrigerado por aire, afirma Lawrence: "Rechazan el calor mediante un sistema de intercambio de calor aire-líquido dentro de un centro de datos refrigerado por aire".

Esto puede resultar decepcionante para los revolucionarios de la refrigeración líquida, pero hay una razón, dice Lawrence: "La mayoría de las instalaciones de colocación no están realmente preparadas para utilizar líquido directo".

Considera que la refrigeración líquida es un aditivo cuando es necesaria: "Creo que obtendremos esta extensión de la refrigeración por aire en la que tomarán bastidores de 10 kW y convertirán cuatro posiciones de bastidor en bastidores de 40 kW". Esos bastidores de alta densidad tienen un intercambiador de calor adicional o “sidecar”.

"En los últimos 10 años, la mayoría de los productos que he implementado están refrigerados por aire con un circuito interno de refrigeración líquida", dice Dustin Demetriou, líder de IBM Systems para sostenibilidad e innovación de centros de datos. "Ya en 2016 estábamos haciendo esto en una empresa de servicios financieros porque básicamente tenían sistemas de refrigeración DX sin agua enfriada, pero necesitaban un bastidor de alta potencia".

"Lo mejor de la refrigeración líquida directa al chip es que utiliza la misma arquitectura de TI y el mismo factor de forma de bastidor que los servidores refrigerados por aire", afirma Anand. “Las unidades de distribución de refrigeración pueden estar en el espacio en blanco o, a veces, en el propio rack. Con esta tecnología, la transición de al menos una parte del centro de datos para la intensa carga informática se puede realizar con relativa rapidez.

Cuando las cosas pasan a los tanques de enfriamiento por inmersión, puede haber una división. Expulsar el calor de un tanque de inmersión a un sistema enfriado por aire puede requerir que se enciendan los compresores o cambios en el sistema de inmersión, dice Anand.

“La energía que consumen los servidores en la tina de inmersión se convierte en calor y ese calor debe eliminarse. En un baño, probablemente podamos eliminar ese calor usando un fluido a temperatura más cálida. Y las temperaturas más bajas que exigen el funcionamiento de un compresor probablemente no sean necesarias”, explica.

Perdiendo el beneficio

Hay una desventaja obvia en este enfoque híbrido. Uno de los beneficios más alardeados de la refrigeración líquida es el suministro de calor residual en forma concentrada de agua a mayor temperatura.

Si el calor se rechaza al sistema de refrigeración por aire, se pierde, como antes. Hacer funcionar el baño líquido a esta temperatura más baja elimina el beneficio del calor residual útil. Es como una repetición de la mala práctica de los centros de datos con aire acondicionado excesivamente refrigerado.

"Lo triste desde una perspectiva de sostenibilidad es que no se está elevando la temperatura", dice Lawrence. "Así que no estamos obteniendo los beneficios reales de sostenibilidad de la refrigeración líquida al utilizar esta tecnología de extensión de aire".

Demetriou señala que todavía existen beneficios en materia de sostenibilidad: “Si lo miramos en términos de rendimiento por vatio, un producto con chips de 5 GHz, si estuviera estrictamente refrigerado por aire, probablemente habría dado la mitad de rendimiento. Por lo tanto, necesitaría menos servidores para realizar el trabajo. No obtienes todos los beneficios del líquido, pero creo que sí muchos”.

Demetriou también forma parte del comité técnico de ASHRAE 9.9, un desarrollador clave de pautas y estándares de enfriamiento: “Esta es un área en la que dedicamos mucho tiempo, porque no es todo líquido ni todo aire. Hay pasos intermedios”.

Embudo

Otra razón por la que los centros de datos totalmente líquidos son complejos de imaginar es la cuestión de la “canalización”, es decir, llevar suficiente energía a los bastidores, dice Lawrence.

“Si tomo un centro de datos de 40 MW y 121.000 metros cuadrados, compuesto por salas de datos de 7.000 metros cuadrados, puedo hacer que todas mis alineaciones eléctricas entreguen 2,6 MW a cada sala de datos. Si empiezo a duplicar la densidad para que ese centro de datos de 121.000 metros cuadrados tenga 60.000 metros cuadrados o 30.000 metros cuadrados, entonces tengo un desafío realmente grande.

“Tengo que hacer ese edificio muy largo y delgado para que todas las alineaciones eléctricas se canalicen correctamente. Si lo hago pequeño y cuadrado, termino teniendo grandes problemas para llevar la energía eléctrica real al espacio. La canalización se convierte en un desafío demasiado grande.

“No mucha gente habla de eso en este momento, pero creo que será un problema bastante grande. El desafío con la refrigeración líquida es diseñar la instalación de tal manera que no haya problemas de canalización para llevar la energía al espacio”.

Colocar pequeñas cantidades de racks de alta densidad dentro de una instalación enfriada por aire en realidad evita este problema, afirma: “Si trabajas con un espacio enfriado por aire, tienes mucho espacio para distribuir tu energía. Cuando haces que el edificio tenga el tamaño adecuado para refrigeración líquida, te encuentras con todo tipo de problemas de canalización eléctrica en los que ni siquiera habías tenido que pensar antes”.

Ciclos de vida de los equipos

Una de las principales razones por las que se mantendrán los sistemas refrigerados por aire es que son equipos muy resistentes y duraderos. Se espera que un sistema de refrigeración colocado en el techo de un centro de datos dure entre 20 y 25 años, un período en el que se podrían producir cuatro generaciones diferentes de hardware de chips, todas con diferentes necesidades de refrigeración.

Anand de Johnson dice que esto es posible: “Si su arquitectura HVAC está diseñada para proporcionar la refrigeración que necesitan los servidores refrigerados por líquido, no tendremos que cambiar la arquitectura de refrigeración durante la vida útil del centro de datos.

"El período de tiempo desde que se diseña un centro de datos en una parte del mundo hasta que se construye y se pone en línea en otra parte del mundo puede ser de varios años", afirma. "No queremos esperar a que la tecnología de refrigeración líquida se adopte en todo el mundo para que el próximo diseño arquitectónico del edificio la materialice en la construcción".

No es sólo el equipo, es el edificio, dice Lawrence: “Los hyperscalers están firmando contratos de alquiler por 15 y 20 años, y estamos viendo actualizaciones de TI en el rango de cuatro a cinco años. Eso me desconcierta. Si firma un contrato de alquiler hoy, durará tres actualizaciones de TI. Ese equipo de TI que estás instalando estará refrigerado por aire durante ese período de 15 años o tendrás algún tipo de sistema líquido-aire en el rack o en el espacio en blanco”.

Los fabricantes de servidores como Dell y HP están produciendo versiones de su hardware refrigeradas por líquido y predicen que dentro de 10 años los centros de datos estarán refrigerados en un 50 por ciento por líquido. No todas las aplicaciones tienen demandas tan altas de refrigeración, y esto significa que la mitad de los servidores aún pueden refrigerarse por aire.

También puede complicarse debido a la demarcación. Si el propietario del edificio proporciona refrigeración general con aire y los inquilinos quieren agregar refrigeración líquida, Lawrence explica que: "Se complica si llevas el líquido directamente a una CDU (unidad de distribución de refrigeración) en un rack o a un enfriador de líquido en fila".

Forzando el problema

Rolf Brink cree que puede ser necesaria educación, e incluso regulación, para hacer que los diseños de los centros de datos se vuelvan líquidos más rápidamente: “Todavía sucede con demasiada frecuencia que las nuevas instalaciones aún no están diseñadas para el ecosistema futuro. Este es uno de los principales problemas de la industria. Y aquí es donde la regulación puede ser realmente beneficiosa: exigir que las instalaciones al menos estén preparadas para infraestructuras líquidas en el espacio en blanco”.

Brink dice que: “Tan pronto como el centro de datos esté construido y entre en funcionamiento, nunca podrá reconstruir el espacio en blanco. No colocará tuberías de agua en el espacio en blanco en un entorno operativo. Es simplemente imposible”.

Como el líquido no se incluye en la fase de diseño, esto genera “resistencia” en la industria a agregarlo más tarde, dice: “La gente se ha olvidado de hacer las inversiones necesarias para asegurarse de que estén preparados para el futuro”.

Esto puede deberse a la forma en que se financian y refinancian las instalaciones en distintos momentos durante la fase de construcción, afirma, “o puede ser falta de ambición o no creer en la evolución de la refrigeración líquida”.

El problema es que está creando un entorno en el que todavía será muy difícil volverse más sostenible. Los centros de datos no se arriesgarán ni gastarán un poco más "por si acaso", dice Brink.

Algo de esto puede cambiarse mediante la educación. ASHRAE ha publicado artículos que describen diferentes etapas del uso de refrigeración líquida y OCP también ha realizado trabajo educativo, pero al final, dice que “la legislación puede marcar una diferencia significativa en la industria al exigir la preparación para líquido."

¿Tuberías obligatorias?

En este momento, no hay perspectivas de que una ley exija que los nuevos centros de datos incluyan tuberías en el espacio en blanco, aunque la Ley de Eficiencia Energética alemana intenta fomentar una mayor reutilización del calor residual.

Al principio de su desarrollo, la ley intentó exigir que el 30 por ciento del calor de los nuevos centros de datos se reutilizara en otros lugares. Esto se retrasó porque Alemania no tiene suficientes sistemas de calefacción urbana en el lugar adecuado para aprovechar ese calor.

Pero el requisito de al menos considerar la reutilización del calor residual podría significar que en Alemania se construyan más centros de datos con salidas de calor, y es un paso lógico conectarlos con sistemas de recolección de calor más eficientes dentro del espacio en blanco.

En toda Europa, la Directiva de Eficiencia Energética exigirá que los centros de datos informen sobre su consumo y eficiencia energética en 2024, y la Unión Europea considerará qué medidas de eficiencia es razonable imponer en 2025.

Cualquier intervención que se imponga podría tener un gran impacto en el traspaso entre la refrigeración por aire y la refrigeración líquida.