El futuro de la refrigeración en los Centros de Datos
Con el aumento de la demanda y la densidad de los equipos, los métodos de refrigeración con aire están alcanzando sus límites. Los avances en refrigeración híbrida y enfriamiento líquido permitirán a los proveedores afrontar el reto de forma sostenible.
Autor: Markus Gerber, Gerente Senior de Desarrollo de Negocios de nVent Schroff
El sector de las infraestructuras de datos se enfrenta a una serie de retos en el mundo actual. La demanda de servicios de datos crece a un ritmo vertiginoso, sin embargo, nunca ha habido mayor competencia para prestar esos servicios de la forma más eficiente y limpia.
A medida que todas las áreas de operación se someten a una mayor exigencia para satisfacer estas demandas, un área en particular, la refrigeración, se ha convertido en el centro de atención. Se trata de un ámbito que no sólo está desarrollado para la innovación, sino que además ha registrado avances significativos que muestran el camino hacia un futuro más ecológico.
Según algunas estimaciones, el número de usuarios de internet en todo el mundo se ha duplicado desde 2010, mientras qué aproximadamente el tráfico de internet se ha multiplicado por 20. Además, a medida que surjan nuevas tecnologías que, según las previsiones, serán la base de las futuras economías digitales, como el streaming, los juegos en la nube, cadena de bloques (blockchain), la inteligencia artificial y la realidad virtual, la demanda de servicios digitales aumentará no solo en volumen, sino también en sofisticación y distribución. Cada vez más, la computación periférica generará una demanda de infraestructuras más pequeñas, silenciosas y gestionadas a distancia. Según GlobalData, empresa dedicada a la investigación, consultoría y organización de eventos, se espera que sólo este ámbito crezca a una tasa anual compuesta (TCAC) del 16% hasta 2026, alcanzando un mercado de más de 11,000 millones de dólares.
Este nivel de desarrollo plantea importantes retos en materia de consumo, eficiencia y arquitectura energética. La AIE (Agencia Internacional de la Energía) estima que los Centros de Datos y las redes de transmisión son responsables de casi el 1% de las emisiones de gases de efecto invernadero (GEI) relacionadas con la energía. Aunque reconoce que desde 2010, las emisiones han crecido modestamente a pesar del rápido crecimiento de la demanda, gracias a las mejoras de la eficiencia energética, las compras de energía renovable por parte de las empresas de tecnología de la información y la comunicación (TIC) y una descarbonización más amplia de las redes eléctricas, también advierte de que, para ajustarse al escenario “Cero Neto” (Net Zero) en el 2050, las emisiones deben reducirse a la mitad para 2030.
Se trata de un reto técnico importante. En primer lugar, en las últimas décadas de avance de las TIC, la Ley de Moore ha sido un efecto siempre presente. Según esta ley, la potencia de cálculo se duplicaría más o menos cada dos años, y los costos se reducirían a la mitad. Como la densidad de los transistores es más difícil de aumentar a medida que se adentran en la escala nanométrica, nada menos que el Consejero Delegado de NVidia ha afirmado que la ley de Moore ha muerto. Esto significa que, a corto plazo, para satisfacer la demanda habrá que colocar más equipos e infraestructuras con mayor densidad. A esto hay que añadir los recientes desarrollos de Intel y AMD, cuyos procesadores de gama alta para Centros de Datos trabajarán en el rango de los 350-400 W, lo que agravará aún más la demanda energética.
Todos los cambios afectarán a la infraestructura de refrigeración y a los costos
En este escenario de creciente demanda, mayores densidades, grandes instalaciones y mayor demanda de energía, la capacidad de refrigeración también debe aumentar.
El aire como medio de refrigeración ya está alcanzando sus límites, se vuelve algo difícil de gestionar, impreciso y algo caótico. A medida que los sistemas de rack se vuelven más exigentes, mezclando a menudo equipos basados tanto en Unidades Centrales de Procesamiento (CPU) como en Unidades de Procesamiento Gráfico (GPU), las demandas individuales de cada rack se acercan o superan los 30 W. Los sistemas basados en aire, a gran escala, también demandan un nivel muy alto de consumo de agua, por lo que la industria ha recibido críticas en el entorno actual. Según una estimación, el consumo de agua de un Centro de Datos de tamaño medio equivale a la de tres hospitales de tamaño medio.
Las tecnologías de refrigeración líquida se han desarrollado como medio para satisfacer las demandas de volumen y densidad para los servicios de datos. Los estudios sobre distintas técnicas de refrigeración líquida han demostrado que pueden ser entre 50 y 1,000 veces más eficientes que la refrigeración por aire.
La refrigeración líquida adopta muchas formas, pero las tres técnicas principales en la actualidad son la refrigeración directa al chip, los intercambiadores de calor de puerta trasera y la refrigeración por inmersión.
La refrigeración directa al chip (DtC) o directa a la placa, consiste en colocar una placa metálica sobre el chip o componente y dejar que el líquido circule por sistemas cerrados que disipan el calor. Se trata de una técnica muy eficaz, precisa y fácil de controlar. Suele utilizarse en aplicaciones especializadas, como los entornos informáticos de alto rendimiento (HPC).
Los intercambiadores de calor de puerta trasera, como su nombre indica, son sistemas indirectos acoplados que hacen circular líquido, a través de serpentines integrados para eliminar el calor del servidor antes de expulsarlo a la sala. Tienen la ventaja de mantener toda la sala a temperatura ambiente, lo que hace redundantes las configuraciones para el aislamiento de pasillo caliente/frío y los diseños de contención de aire, ya que el aire de salida se enfría hasta la temperatura de entrada y puede recircular de nuevo a los servidores.
Las unidades más eficientes son de naturaleza pasiva, lo que significa que los ventiladores de los servidores mueven el aire necesario. Actualmente se consideran limitadas desde 20 kW a 32 kW de eliminación de calor, aunque las unidades que incorporan ventiladores suplementarios pueden manejar cargas superiores en el rango máximo de 60 kW.
La tecnología de inmersión emplea un fluido dieléctrico que sumerge los equipos y elimina el calor del contacto directo. La refrigeración por inmersión en líquido de precisión funciona a nivel de chasis de rack con servidores y fluido en un contenedor sellado. Esto permite a los operadores sumergir servidores estándar con ciertas modificaciones menores, así como unidades de disco mecánicos sellados. Los equipos de estado sólido no suelen requerir modificaciones.
Una clara ventaja del enfoque de refrigeración líquida de precisión es que la inmersión total proporciona densidad térmica líquida, absorbiendo el calor durante varios minutos tras un corte de corriente sin necesidad de bombas de reserva. La capacidad líquida equivalente a 42U de espacio de rack y puede eliminar hasta 100 kilovatios (kW) de calor en la mayoría de los rangos climáticos, utilizando un intercambiador de calor exterior o agua del condensador, lo que permite el empleo de refrigeración libre.
Conclusiones de Cundall sobre refrigeración líquida
Según un estudio de la consultora de ingeniería Cundall*, la tecnología de refrigeración líquida supera sistemáticamente a la refrigeración por aire convencional, tanto en términos de eficacia del uso de energía (PUE) como de eficacia del uso del agua (WUE). Según el informe, esto se debe principalmente a la temperatura de funcionamiento mucho más alta del sistema de agua de las instalaciones (FWS), en comparación con los medios de refrigeración utilizados para las soluciones refrigeradas por aire. En todos los casos de refrigeración por aire, se consume una cantidad considerable de energía y agua para conseguir un aire de suministro que se ajuste a la envolvente térmica requerida.
Con la refrigeración líquida se evita esta necesidad, incluso en climas tropicales, la temperatura de funcionamiento del FWS es lo suficientemente alta como para que los refrigeradores híbridos funcionen en modo de refrigeración durante gran parte del tiempo y en condiciones ambientales con temperaturas altas, se puede mantener una capacidad suficiente volviendo al modo de refrigeración por disipación “húmeda”. El informe añade que otra ventaja consistente es la reducción del número de racks de mayor densidad de potencia.
En múltiples escenarios de refrigeración líquida, desde el híbrido hasta el de inmersión total, se obtuvieron beneficios constantes en términos de eficiencia y consumo energéticos, uso del agua y reducción del espacio, así como beneficios en gastos operativos (OpEx) y gastos en capital (CapEx).
En escenarios de hiperescala, co-ubicación y edge computing, Cundall descubrió que el costo total de refrigeración de equipos de tecnología de la información (ITE) por KW consumido en líquido frente al de la tecnología actual de refrigeración por aire, variaba entre un 13% y un 21% menos.
En cuanto a las emisiones, Cundall afirma que la PUE y el TUE son inferiores para las opciones de refrigeración líquida en todos los escenarios probados. Expresando la reducción en términos de kg de CO2 por kW de potencia ITE al año, los resultados fueron de más del 6% en el caso de la co-ubicación y de casi el 40% en los escenarios de edge computing.
¿Qué nos depara el futuro inmediato en materia de refrigeración líquida?
Las combinaciones de técnicas de refrigeración líquida y por aire, en implementaciones híbridas, serán vitales para proporcionar una transición, especialmente para las instancias heredadas, al tipo de eficiencia y necesidades de refrigeración conscientes de las emisiones de las instalaciones actuales y futuras. Aunque las técnicas de inmersión ofrecen el mayor efecto, la refrigeración híbrida ofrece una mejora con respecto al aire solo, con ventajas de OpEx, rendimiento y gestión.
Incluso cuando el sector de las infraestructuras de datos instituye iniciativas para comprender, gestionar y comunicar mejor los esfuerzos de sostenibilidad, como el Pacto por un Centro de Datos Neutral para el Clima, el Proyecto Open Compute y Pacto por una energía sin carbono 24/7 “24/7 Carbon-free Energy Compact”, se puede y se debe hacer más para que todos los aspectos de la implementación y el funcionamiento sean sostenibles.
Los avances en las tecnologías de refrigeración líquida suponen un importante paso adelante que permitirá a los operadores y proveedores de servicios satisfacer la demanda, garantizando al mismo tiempo el cumplimiento de las obligaciones y objetivos de sostenibilidad. Inicialmente, las soluciones híbridas facilitarán a los operadores la transición a sistemas más eficientes y eficaces, mientras que las tecnologías más avanzadas garantizarán que las nuevas instalaciones sean más eficientes, incluso a medida que se vaya aumentando la capacidad para satisfacer la creciente demanda.
Trabajando en colaboración con el amplio espectro de vendedores y proveedores de servicios, los proveedores de tecnología de refrigeración pueden garantizar el cumplimiento de los requisitos, permitiendo que la economía digital se desarrolle en beneficio de todos contribuyendo al mismo tiempo a un futuro habitable.
* “Desktop Study Report – Liquid and Air-Cooling Compared”, Cundall, marzo de 2021.
