Por Fred Rebarber es director técnico sénior de Soluciones Térmicas en Vertiv

La refrigeración líquida del centro de datos sigue cobrando impulso gracias a su capacidad para ofrecer una refrigeración más eficiente y eficaz de los racks de TI de alta densidad. Sin embargo, los diseñadores y operadores de centros de datos carecían de datos que pudieran usarse para proyectar el impacto de la refrigeración líquida en la eficiencia del centro de datos y ayudarlos a optimizar la implementación de la refrigeración líquida para la eficiencia energética.

Para llenar ese vacío, un equipo de especialistas de NVIDIA y Vertiv realizó el primer análisis importante del impacto de la refrigeración líquida en el PUE del centro de datos y el consumo de energía.

El análisis completo fue publicado por la Sociedad Estadounidense de Ingenieros Mecánicos (ASME) en el documento, 'Análisis de la efectividad del uso de energía de un centro de datos enfriado por un híbrido aire-líquido de alta densidad'. Esta publicación resume la metodología, los resultados y los puntos clave de ese análisis.

Metodología para el análisis de la eficiencia energética de refrigeración líquida del centro de datos

Para nuestro análisis, elegimos un centro de datos de nivel II de tamaño mediano (1-2 megavatios) en Baltimore, Maryland. La instalación alberga 50 bastidores de alta densidad dispuestos en dos filas.

La línea de base para el análisis fue 100 por ciento de refrigeración por aire proporcionada por dos unidades de controlador de aire de la sala de computadoras (CRAH) perimetrales de agua helada con contención de pasillo caliente. Las unidades de refrigeración están respaldadas por una enfriadora Vertiv™ Liebert® AFC con funciones de enfriamiento gratuito, enfriamiento gratuito adiabático, enfriamiento híbrido y enfriamiento mecánico adiabático.

La refrigeración líquida está habilitada por la refrigeración directa al chip a través de placas frías de microcanal montadas en los principales componentes de TI que generan calor y respaldada por dos unidades de distribución de refrigerante (CDU) Vertiv™ Liebert® XDU con intercambiadores de calor de líquido a líquido.

El análisis empleó un enfoque de "abajo hacia arriba" al desagregar la carga de TI en subsistemas que permitieron calcular con precisión el impacto de un aumento progresivo en el porcentaje de la carga enfriada por líquido para cada subsistema.

Luego realizamos cuatro estudios, aumentando el porcentaje de refrigeración líquida en cada estudio y al mismo tiempo implementando optimizaciones para la temperatura del agua enfriada, la temperatura del aire de suministro y la temperatura de entrada secundaria habilitada por el uso de refrigeración líquida.

• Estudio uno: Refrigeración por aire al 100% con una temperatura del agua enfriada de 7,2 grados Celsius (45 Fahrenheit), temperatura del aire de suministro de 25 C (77 F) y temperatura de entrada secundaria de 32 C (89,6 F).
• Estudio dos: el 61,4% de la carga se enfría con líquido y el 38,6% se enfría con aire. La temperatura del agua enfriada se eleva a 18 C (64,4 F), la temperatura del aire de suministro se mantiene a 25 C (77 F) y la temperatura de entrada secundaria se mantiene a 32 C (89,6 F).
• Estudio tres: el 68,6% de la carga se enfría con líquido y el 31,4% se enfría con aire. La temperatura del agua enfriada se eleva a 25 C (77 F), la temperatura del aire de suministro se eleva a 35 C (95 F) y la temperatura de entrada secundaria se mantiene a 32 C (89,6 F).
• Estudio cuatro: el 74,9 por ciento de la carga se enfría con líquido y el 25,1 por ciento con aire. La temperatura del agua enfriada se mantiene a 25 C (77 F), la temperatura del aire de suministro se mantiene a 35 C (95 F) y la temperatura de entrada secundaria se eleva a 45 C (113 F).

Impacto de la introducción de refrigeración líquida en el consumo de energía del centro de datos y PUE

La implementación completa de la refrigeración líquida en el estudio cuatro (74,9%) produjo una reducción del 18,1% en la potencia de las instalaciones y una reducción del 10,2% en la potencia total del centro de datos en comparación con la refrigeración por aire al 100%. Esto tiene el efecto no solo de reducir los costos de energía de datos en un 10 por ciento anual, sino que también reduce las emisiones de Alcance 2 en la misma cantidad para los centros de datos que utilizan fuentes de energía basadas en carbono.

La energía total del centro de datos se redujo con cada aumento en el porcentaje de la carga enfriada por enfriamiento directo al chip. Del estudio uno al dos, el consumo de energía se redujo en un 6,4 por ciento; se logró una reducción adicional del 1,8 por ciento entre el estudio dos y tres; y se observó otra mejora del 2,5 por ciento entre los estudios tres y cuatro.

Según esos resultados, el PUE del centro de datos calculado para cada estudio puede resultar sorprendente. El PUE cayó solo un 3,3 por ciento, de 1,38 en el estudio uno a 1,34 en el estudio cuatro y, de hecho, se mantuvo estable en 1,35 para los estudios dos y tres.

Si está familiarizado con la forma en que se calcula el PUE, es posible que ya haya adivinado el motivo de esta discrepancia. PUE es esencialmente una medida de la eficiencia de la infraestructura que se calcula dividiendo la potencia total del centro de datos por la potencia de TI. Pero la refrigeración líquida no solo redujo el consumo en el lado de la instalación, sino que también redujo el consumo de energía de TI (según la definición de PUE) al reducir la demanda de los ventiladores del servidor.

El consumo de energía del ventilador del servidor disminuyó en un 41% entre el estudio uno y el estudio dos, y en un 80% entre el estudio uno y el estudio cuatro. Esto resultó en una reducción del siete por ciento en el poder de TI entre el estudio uno y cuatro.

A diferencia del enfriamiento por aire, el enfriamiento por líquido afecta tanto al numerador (energía total del centro de datos) como al denominador (energía del equipo de TI) en el cálculo de PUE, lo que lo hace ineficaz para comparar la eficiencia de los sistemas de enfriamiento por líquido y aire. La efectividad total del uso (TUE) es una mejor métrica para este propósito.

La TUE para el centro de datos que fue objeto de nuestro análisis mejoró un 15,5% entre el estudio uno y el cuatro, lo que creemos que es una medida precisa de las ganancias en la eficiencia del centro de datos logradas a través de la implementación optimizada de refrigeración líquida.

Puntos clave del análisis de eficiencia energética de refrigeración líquida del centro de datos

El análisis proporcionó múltiples conocimientos sobre la eficiencia de la refrigeración líquida del centro de datos y cómo se puede optimizar. Animo a los diseñadores de centros de datos, en particular, a leer el documento completo, que incluye los datos de apoyo que se usaron para derivar los resultados indicados en la sección anterior. Estos son algunos de los puntos clave que podrían ser de interés para un público más amplio.

• En los centros de datos de alta densidad, la refrigeración líquida ofrece mejoras en la eficiencia energética de los sistemas de TI y de las instalaciones en comparación con la refrigeración por aire. En nuestro estudio totalmente optimizado, la introducción de la refrigeración líquida creó una reducción del 10,2% en la energía total del centro de datos y una mejora de más del 15% en TUE.
• Maximizar la implementación de refrigeración líquida del centro de datos, en términos del porcentaje de la carga de TI enfriada por líquido, ofrece la mayor eficiencia. Con el enfriamiento directo al chip, no es posible enfriar toda la carga con líquido, pero aproximadamente el 75 por ciento de la carga se puede enfriar de manera efectiva con el enfriamiento líquido directo al chip.
• La refrigeración líquida puede permitir temperaturas más altas de agua helada, aire de suministro y entrada secundaria que maximizan la eficiencia de la infraestructura de la instalación. En particular, se debe considerar el enfriamiento con agua caliente. Las temperaturas de entrada secundaria en nuestro estudio final se elevaron a 45 C (113 F) y esto contribuyó a los resultados logrados al tiempo que aumentó las oportunidades para la reutilización del calor residual.
• PUE no es una buena medida de la eficiencia de refrigeración líquida del centro de datos, y las métricas alternativas, como TUE, resultarán más útiles para orientar las decisiones de diseño relacionadas con la introducción de refrigeración líquida en un centro de datos refrigerado por aire.

Finalmente, quiero agradecer a mis colegas de Vertiv y NVIDIA por su trabajo en este análisis innovador. Los hallazgos no solo cuantifican los ahorros de energía que se pueden lograr a través de la refrigeración líquida, sino que brindan a los diseñadores datos valiosos que se pueden utilizar para optimizar las instalaciones de refrigeración líquida del centro de datos.

Para obtener más información sobre las tendencias que impulsan la adopción de refrigeración líquida, consulte la publicación de blog, Refrigeración líquida: soluciones de centros de datos para computación de alta densidad, que resume las ideas de un panel de expertos en refrigeración líquida en la Cumbre global de OCP de 2022.