Por Moises Levy, Ph.D, Director General de Investigación e Inteligencia de Mercado en DCD>Intelligence

La industria de los centros de datos está atravesando una ola transformadora de innovación, impulsada por la creciente demanda de cargas de trabajo con uso intensivo de recursos informáticos.

Tareas como la computación de alto rendimiento (HPC) y la inteligencia artificial (IA), que abarcan el entrenamiento, la inferencia por lotes y la inferencia en línea, impulsan el desarrollo de equipos de TI avanzados adaptados a estas necesidades. Esta tendencia está transformando el panorama de los centros de datos, con un aumento de instalaciones dedicadas a la IA o a fábricas de IA.

Esto ha generado una creciente demanda de sistemas de TI con mayor potencia de diseño térmico (TDP), mayores densidades de potencia en rack y requisitos de refrigeración más estrictos. Un desafío clave es abordar las cambiantes demandas de las cargas de trabajo con soluciones altamente eficientes y sostenibles, a la vez que se reduce el riesgo operativo.

Descripción general de la tecnología

La convergencia de la IA y la refrigeración de los centros de datos plantea un dilema acuciante. A medida que la potencia computacional continúa aumentando, la necesidad de soluciones avanzadas de transferencia de calor se vuelve crucial, desafiando los métodos de refrigeración por aire existentes. Actualmente, los centros de datos dedicados a la IA gestionan densidades de potencia de aproximadamente 120 kW por rack. Sin embargo, se prevé que estos límites aumenten considerablemente, alcanzando potencialmente los 300 kW, 600 kW o incluso 1 MW por rack. Para satisfacer estas crecientes demandas, la refrigeración líquida se consolida como una tecnología esencial en la próxima generación de centros de datos.

Las tecnologías de refrigeración líquida se pueden clasificar en general en enfoques directos al chip (DtC), de inmersión e híbridos:

• Directo al chip (DtC): Un fluido circula directamente al chip a través de una placa fría, enfocando eficazmente los componentes más calientes, como CPU y GPU, para una transferencia de calor eficiente. También se requiere refrigeración por aire para complementar la refrigeración de los demás componentes electrónicos.
• Inmersión: El equipo informático está sumergido en un fluido dieléctrico, lo que permite la transferencia directa de calor de todos los componentes al líquido.
• Híbrido: La refrigeración precisa de DtC se combina con el enfoque integral de inmersión para lograr una gestión térmica superior. Cabe mencionar que los enfoques híbridos también pueden referirse a una combinación de soluciones de aire y líquido, pero en este artículo nos centraremos en las soluciones de refrigeración líquida.

Estas tecnologías de refrigeración líquida se diferencian aún más según el uso de fluidos monofásicos o bifásicos para la transferencia de calor:

• Monofásico: Los fluidos permanecen en estado líquido durante todo el proceso de enfriamiento, absorbiendo calor y transfiriéndolo a un intercambiador de calor sin cambio de fase. Los principales tipos de fluidos monofásicos para DtC son agua (tratada) y agua con propilenglicol, y para inmersión son fluidos minerales, sintéticos o de bioaceite.
• Bifásico: Los fluidos pasan de líquido a gas durante el proceso de enfriamiento, aprovechando este cambio de fase para mejorar significativamente la eficiencia de la transferencia de calor. Los fluidos bifásicos incluyen fluidos de ingeniería y refrigerantes.

Cabe mencionar los principales impulsores de las tecnologías de refrigeración líquida. El aumento de las demandas computacionales, como las cargas de trabajo intensivas, los servidores con coprocesadores y las mayores densidades térmicas y de potencia, han acelerado la adopción de soluciones de refrigeración líquida.

La innovación tecnológica también ha desempeñado un papel fundamental, promoviendo una mayor eficiencia energética, un menor consumo de agua, la reducción de las emisiones de ruido, un uso más eficaz del espacio físico y un mejor coste total de propiedad (TCO) a lo largo de su vida útil. La sostenibilidad sigue siendo un aspecto clave, ya que reduce las emisiones de gases de efecto invernadero (GEI), disminuye el consumo de energía y agua, y permite la reutilización del calor residual.

Además, los esfuerzos regulatorios apuntan a soluciones de enfriamiento más eficientes y sustentables, mientras que las iniciativas gubernamentales como el programa ARPA-E Coolerchips del Departamento de Energía de EE. UU. continúan apoyando los avances.

Sin embargo, persisten diversos desafíos. Los sistemas de refrigeración por aire siguen dominando la industria de los centros de datos como una solución probada. La innovación tecnológica genera preocupaciones como un mayor gasto de capital, escasez de mano de obra cualificada, incertidumbres en la cadena de suministro, complejidades en la manipulación de equipos informáticos, limitaciones en la capacidad de carga y suspensión de planta, e incógnitas sobre la fiabilidad y la sostenibilidad.

La falta de estándares y mejores prácticas subraya la necesidad de estandarización, procedimientos operativos, métricas innovadoras y fluidos ecológicos. Además, las regulaciones que restringen los refrigerantes con alto potencial de calentamiento global (PCG) y los fluidos dieléctricos que contienen sustancias perfluoroalquiladas y polifluoroalquiladas (PFAS) dificultan su adopción.

Guía

Con amplia experiencia en proyectos de centros de datos, prevemos que la adopción de la refrigeración líquida en estos centros se acelerará en los próximos años, especialmente para equipos informáticos donde las soluciones de refrigeración por aire resultan ineficaces. A continuación, presentamos perspectivas sobre diversos aspectos, incluyendo consideraciones generales, avances tecnológicos clave e innovaciones emergentes.

Las consideraciones generales para el futuro de la refrigeración líquida se pueden resumir de la siguiente manera:

• Impulsando la innovación mediante estándares: El desarrollo de estándares y mejores prácticas en la industria impulsará la innovación. A medida que los equipos y la tecnología evolucionen, los estándares serán esenciales para el desarrollo de soluciones de vanguardia, lo que impulsará el crecimiento de la industria de los centros de datos.
• No existe una solución universal: coexistirán diversas tecnologías de refrigeración líquida, adaptadas a factores como la ubicación, la aplicación y los requisitos del proyecto. La colaboración será esencial para identificar estrategias eficaces de refrigeración líquida.
• Confiabilidad, modularidad y flexibilidad: estas cualidades serán clave para la adopción e implementación generalizada de sistemas de refrigeración líquida.

Los principales avances tecnológicos en refrigeración líquida en centros de datos incluyen:

• DtC: Monofásico. La creciente demanda de soluciones de placa fría capaces de gestionar TDP más altos subraya la importancia de los avances tecnológicos en DtC, y en particular en la tecnología de placa fría, incluyendo el enfoque bifásico. Actualmente, los DtC y los intercambiadores de calor de puerta trasera (RDHx) dominan el panorama de la refrigeración líquida en los centros de datos.
• Unidades de distribución de refrigeración (CDU) de mayor capacidad: se proyecta que los nuevos diseños de CDU evolucionen aún más para cumplir con la confiabilidad y flexibilidad para los crecientes requisitos térmicos a nivel de rack y escala de MW.
• Inmersión: Es probable que el enfriamiento por inmersión monofásico siga siendo la solución preferida para las aplicaciones de criptomonedas, mientras que el enfriamiento por inmersión bifásico seguirá satisfaciendo requisitos de nicho específicos.
• Nuevos fluidos dieléctricos: Los fabricantes están abordando los desafíos relacionados con las PFAS y el PCA mediante el desarrollo de alternativas más ecológicas. Se prevé que las regulaciones geográficas sobre fluidos bifásicos y refrigerantes afecten su adopción.

Las innovaciones emergentes y los enfoques prometedores en refrigeración líquida:

• Refrigeración líquida híbrida: La combinación de refrigeración líquida directa de precisión y refrigeración líquida por inmersión presenta una estrategia eficaz para gestionar cargas térmicas más elevadas, a la vez que promueve la sostenibilidad. Este enfoque combinado también puede impulsar la reutilización del calor y reducir considerablemente, o incluso eliminar, el consumo de agua.
• Integración microfluídica: la integración de canales microfluídicos directamente en los diseños de chips acerca los fluidos de enfriamiento a los procesadores, revolucionando la eficiencia de la transferencia de calor.
• Diamante: La alta conductividad térmica del diamante sintético puede mejorar el rendimiento térmico y la confiabilidad a nivel de chip, como en un disipador de calor o sustrato.
• Nanofluidos: Los nanofluidos infundidos con nanopartículas a base de silicio están ganando impulso ya que mejoran significativamente la transferencia de calor.

Además, identificar a los principales proveedores es fundamental. Las siguientes listas, ordenadas alfabéticamente, pretenden ser una selección representativa, no una recopilación exhaustiva.

• DtC: Accelsius, Advanced Cooling Technologies, Boyd, Chilldyne, CoolIT Systems, Danfoss, Dell, Delta, GF Piping Systems, Hewlett-Packard, Huawei, IBM, Inspur, Jetcool, Lenovo, Mikros Technologies (de Jabil), Motivair (de Schneider Electric), Supermicro, Wieland, Zutacore
• Inmersión: Airedale (de 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 (de Schneider Electric), Munters, Nortek, nVent, Rittal, Supermicro, Stulz, Trane, Vertiv
• Fluidos: 3M, Cargill, Castrol, Chemours, Chevron, ExxonMobil, Lubrizol, Shell, Solvay, Valvoline

Reflexiones finales

La innovación es clave para escalar la tecnología de refrigeración líquida, lo que reafirma la idea de que la necesidad suele impulsar la invención. Al aprovechar los avances tecnológicos, fomentar las colaboraciones y afrontar los desafíos, la industria de los centros de datos está bien posicionada para satisfacer eficazmente la creciente demanda.

_{Este artículo de opinión ha sido traducido y editado al español por Gabriel Carrillo M-Feduchi}