Todo lo que debes saber sobre enfriamiento para centros de datos
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El rápido avance de los procesadores y sistemas, en constante búsqueda de mayor velocidad y rendimiento, sigue impulsando a los profesionales de TI a explorar más a fondo las tecnologías de enfriamiento para centros de datos.
Seleccionar la estrategia de refrigeración adecuada para las distintas aplicaciones tiene implicaciones sustanciales que impactan en el rendimiento de los equipos, la fiabilidad del sistema y los costes operativos. Por eso, en esta publicación detallamos todo lo que debes saber sobre enfriamiento para centros de datos en la actualidad.
Aumento en demanda energética en los centros de datos
Ley de Moore y el futuro previsible
La Ley de Moore establece que el número de transistores de un circuito integrado se duplica cada dos años. A medida que aumenta el número de transistores en un chip, la potencia aumenta proporcionalmente.
Sin embargo, la fabricación de procesadores ha superado este aumento de potencia reduciendo el tamaño de los transistores. La reducción del tamaño de los transistores disminuye la cantidad de energía que consume cada transistor, lo que ha ayudado a mantener la potencia de los chips en niveles razonables en los últimos 50 años.
La ley de Moore comparada con los datos históricos.
La transición a los procesadores multinúcleo (multi-core) en 2005, ayudó significativamente a controlar el consumo de energía y la generación de calor de los chips.
Esto se debe a que los procesadores mononúcleo (uni-core) no lograban seguir el ritmo requerido para el aumento del rendimiento de los chips de generación en generación. Mientras que los chips multinúcleo sí permitían consolidar y amortizar la sobrecarga de cada chip en varios núcleos, lo que ahorraba energía y mejoraba el rendimiento.
Esto parecía una buena solución para evitar un crecimiento explosivo de la potencia en el futuro inmediato. No obstante, en el mundo digital, el “futuro previsible” es un periodo de tiempo relativamente corto.
Ley de Amdahl aplicada al diseño de chips
La ley de Amdahl permite calcular la máxima mejora anticipada en un sistema completo cuando solo se optimiza una parte específica del sistema. En el ámbito de la computación paralela, se utiliza para pronosticar la velocidad teórica máxima posible al aprovechar varios procesadores.
Incremento de velocidad de un programa utilizando múltiples procesadores.
Al añadir continuamente núcleos, los diseñadores de procesadores deben añadir más componentes de sobrecarga a los chips para evitar cuellos de botella en el rendimiento que afecten a todos los núcleos. Lo que aumentaría aún más el tamaño físico de los procesadores e incrementaría la potencia amortizada en los núcleos, disminuyendo el rendimiento por vatio.
Por tanto, los diseñadores de chips buscan continuamente un equilibrio entre el número de núcleos, el tamaño físico del chip y el consumo de energía. Pero aun así, deben garantizar el buen rendimiento y prevenir riesgos.
Aumento del rendimiento de los chips
En 2006, cuando se comenzaron a implementar los procesadores multinúcleo, se produjo una disminución de la potencia de los chips que permitió que los diseños de los sistemas informáticos fueran más compactos y densos.
En el ámbito científico y de Computación de Alto Rendimiento (HPC), la introducción de servidores más avanzados impulsó nuevos aumentos en las densidades de potencia de los racks, donde algunas densidades de potencia que alcanzaron entre 30 kW y 40 kW a principios de 2010.
Ahora estas densidades se sitúan entre 40 kW y 80 kW, y se estima que en un rango de 5 años superarán los 100 kW. Este pronóstico puede parecer extremo para algunos. Sin embargo, todas las tendencias muestran que los sistemas informáticos seguirán aumentando su generación de calor a un ritmo más rápido que en el pasado.
Evolución de la refrigeración para centros de datos
Al principio, cuando se trataba de refrigeración de equipos TI y centros de datos, se debía calcular los vatios por pie cuadrado o por metro cuadrado.
Luego, esas cifras se hicieron demasiado grandes y se perdió precisión en los valores, así que la nueva fórmula para garantizar eficiencia fue comenzar a medir kW por rack.
A mediados de 2010, hubo que dividir los kW por rack en diferentes cargas operativas porque la densidad de potencia de los racks era muy grande, oscilando entre 5 kW y 35 kW.
Con la llegada de servicios en la nube, los microservicios, la computación distribuida y motores de IA, nuevamente se nubla la definición de cargas de trabajo en términos de densidad de potencia. Pero esto permitió entender que para lograr mayor eficiencia energética es necesario considerar 2 aspectos clave:
- la potencia de los procesadores.
- cuántos chips se colocan en cada rack.
Enfoques de enfriamiento para centros de datos
A medida que aumenta la necesidad de información, también aumenta la potencia de procesamiento de los equipos de red, lo que se traduce en densidades de procesador y niveles de calor cada vez mayores en los centros de datos.
Para alcanzar la máxima disponibilidad, todos los equipos deben mantenerse por debajo de un rango de temperatura especificado, un requisito cada vez más difícil de cumplir. Por eso, existen diferentes alternativas de enfriamiento para data centers.
De esta manera, es posible implementar la que mejor se adapte a las necesidades e infraestructura de cada centro de datos, o incluso diseñar una estrategia híbrida para garantizar mayor protección.
Refrigeración de salas
Si bien el enfriamiento de salas de centros de datos es uno de los enfoques tradicionales, la implementación de estos sistemas de refrigeración puede ser eficiente en algunos casos. Todo dependerá del enfoque específico de esta estrategia.
En este sentido, es necesario determinar las características y exigencias de cada caso. De esta manera, se puede elegir la mejor alternativa que garantice temperaturas adecuadas a la vez que permita un consumo eficiente de la energía.
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Enfriamiento de sala general
El uso de aires acondicionados de alta potencia es la estrategia tradicional más usada desde el surgimiento de los data centers. Sin embargo, se ha demostrado que los costos operativos son altos. Por otro lado, no siempre garantizan una refrigeración eficiente en todos los equipos. Adicionalmente, su consumo energético es elevado, pudiendo generar hasta 2.500kw por gabinete.
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Pasillos fríos y calientes
La estrategia de enfriamiento basada en pasillos fríos (CAC) y calientes (HAC) en un centro de datos consiste en separar físicamente el flujo de aire frío y caliente para mejorar la eficiencia y reducir el sobrecalentamiento. No obstante, esta estrategia requiere un diseño y una planificación cuidadosa, así como una distribución uniforme de la carga térmica. Igualmente, puede resultar costosa en términos de infraestructura y requerir un mayor consumo de energía para mantener la diferencia de temperatura entre los pasillos.
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Contención de pasillos
Al implementar esta estrategia, se logra un flujo de aire más controlado. De esta manera, evita la recirculación de aire caliente y mejora la eficiencia del sistema de enfriamiento. Su tiempo de implementación y costos operativos son bajos. Además, permite un mejor aprovechamiento de los equipos de refrigeración mientras reduce el consumo energético.
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Contención fría y caliente
Se enfoca en la implementación de barreras físicas para separar físicamente los pasillos fríos y calientes en un centro de datos. Estos paneles físicos aseguran que el aire frío y caliente se mantenga separado y no se mezcle. Por lo tanto, mejora la eficiencia del flujo de aire y evitando la recirculación de aire caliente hacia los equipos.
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Gabinetes con chimenea
Este sistema está diseñado para gestionar y dirigir eficientemente el calor generado por los equipos y servidores en el centro de datos. En lugar de liberar el aire caliente directamente al ambiente del centro de datos, es un conducto vertical que se extiende desde la parte superior del gabinete hasta el techo o sistema de enfriamiento. Su costo operativo es relativamente alto y requiere de una buena planificación para adaptar la infraestructura.
En conclusión, la refrigeración de centros de datos basada en las salas, requiere un enfoque cuidadoso para garantizar la eficiencia y la reducción de costos operativos.
Enfriamiento en fila (In-Row cooling)
El sistema de enfriamiento y contención en fila (in-row cooling & containment) es una estrategia avanzada para gestionar eficientemente el calor generado por los equipos y servidores.
Esta solución se basa en la colocación estratégica de unidades de enfriamiento, como intercambiadores de calor, en filas entre los racks de servidores.
Las unidades de enfriamiento en fila o enfriamiento in-row se instalan de manera precisa y estratégica dentro o cerca de los racks de servidores para aire frío directamente a los equipos. De esta manera, se evita la pérdida de frío en el entorno.
Este enfoque utiliza la contención física para aislar el pasillo caliente generado por los equipos. Al garantizar una entrega más precisa y localizada del aire frío, la refrigeración es más eficiente y el consumo energético es menor.
Una de las ventajas clave de este sistema es su escalabilidad. Esto significa que se puede agregar o ajustar fácilmente a medida que aumenta la densidad de los racks y la carga térmica.
Enfriamiento líquido basado en racks
Con este enfoque se utiliza líquido refrigerante para disipar el calor generado por los equipos dentro de los racks. Se logra al instalar intercambiadores de calor líquido directamente en los racks de servidores. Y estos se encargan de extraer el calor de los componentes para transferirlo al líquido refrigerante.
Posteriormente, el líquido refrigerante se lleva a una unidad de enfriamiento externa para su disipación y luego se recircula.
Este enfoque ofrece una mayor eficiencia de enfriamiento, control de temperatura preciso y escalabilidad. Además, reduce el consumo de energía y previene puntos calientes en el centro de datos.
Una de las estrategias destacadas en el enfoque basado en racks, es el enfriamiento líquido mediante puerta trasera o rear door liquid cooling.
¿Qué es el enfriamiento líquido de puerta trasera?
El enfriamiento líquido por puerta trasera es un sistema diseñado para satisfacer los requisitos de enfriamiento de cargas térmicas elevadas en:
- Racks de servidores
- Computación de alto rendimiento
- Almacenamiento de alta densidad
Todo el sistema está integrado dentro de una puerta perforada con una estructura compacta y cubiertas protectoras que aíslan la fuente de líquido y el circuito de enfriamiento del equipo montado en el rack.
Se trata de una solución escalable que se adapta fácilmente a diferentes tipos de gabinetes. Ofrece una solución eficiente y personalizable para mantener una temperatura adecuada en los racks de servidores de alta densidad. Su enfoque principal es la eficiencia energética y la adaptación a diferentes configuraciones y requerimientos.
Enfriamiento líquido basado en el chip
En este enfoque, el propósito es disipar el calor generado directamente en los chips de un dispositivo electrónico, como procesadores o circuitos integrados. En lugar de enfriar un sistema completo o un rack de servidores, este enfoque se centra en enfriar los componentes individuales a nivel de chip.
Al enfocarse directamente en el enfriamiento del chip, proporciona una refrigeración más eficiente y puede ofrecer beneficios en términos de rendimiento y vida útil de los dispositivos.
Dentro de este enfoque, existen dos estrategias claves:
Refrigeración líquida directa al chip
La refrigeración líquida directa al chip implica enfriar los componentes electrónicos de los servidores mediante el contacto directo con líquido refrigerante. El líquido absorbe el calor generado por los chips y se disipa a través de un sistema de enfriamiento.
Las ventajas claves de esta estrategia son:
- Mayor eficiencia en la transferencia de calor.
- Disipación precisa del calor generado por los chips.
- Rendimiento óptimo de los chips y menor riesgo de sobrecalentamiento.
- Mejora la confiabilidad y la vida útil de los componentes.
- Eliminación de la estratificación térmica.
Refrigeración líquida por inmersión
La refrigeración líquida por inmersión implica sumergir completamente los servidores en un líquido dieléctrico no conductor, como aceite o líquido refrigerante. El líquido envuelve los componentes electrónicos y absorbe el calor generado. Luego, el líquido se desplaza hacia un sistema de enfriamiento donde se disipa el calor.
Los beneficios de esta estrategia son:
- Alta densidad de energía y capacidad de enfriamiento significativamente mayor que la que ofrecen las estrategias por aire.
- Reducción de sistemas de enfriamiento complejos.
- Control más preciso de la temperatura.
- Mejora la eficiencia energética.
Errores frecuentes en la climatización de centros de datos
La climatización de centros de datos es una parte crítica de su funcionamiento, pero también es un área donde se cometen errores comunes que pueden llevar a problemas de eficiencia energética, fiabilidad y costos operativos innecesariamente altos. A continuación, se detallan algunos de los errores más comunes en la climatización de centros de datos:
Sobreenfriamiento o subenfriamiento
Uno de los errores más comunes es mantener una temperatura ambiente más baja de lo necesario. Esto conduce al sobreenfriamiento, porque utiliza más energía de la necesaria para mantener los servidores a una temperatura adecuada.
Por otro lado, el subenfriamiento implica mantener una temperatura ambiente demasiado alta, lo que puede aumentar el riesgo de sobrecalentamiento e impactar en la vida útil de los equipos.
Distribución de aire ineficiente
La distribución inadecuada del aire frío es otro error frecuente. Si el aire frío no se dirige adecuadamente hacia los racks y servidores, se puede crear una mezcla de aire caliente y frío, lo que aumenta la carga en los sistemas de enfriamiento y disminuye la eficiencia.
Falta de gestión de pasillos calientes y fríos
La ausencia de pasillos fríos y calientes o su gestión inadecuada es un error grave. Separar los pasillos fríos, donde se suministra el aire frío, de los pasillos calientes, donde se extrae el aire caliente, es fundamental para optimizar la eficiencia de enfriamiento y evitar la recirculación de aire caliente.
Obviar la monitorización y el análisis de datos
No utilizar sistemas de monitorización en tiempo real para supervisar la temperatura, la humedad y otros indicadores clave es un error común. Sin datos precisos, es difícil identificar problemas de climatización antes de que se conviertan en graves pérdidas.
No considerar soluciones de enfriamiento más eficientes
Muchos centros de datos se conforman con sistemas de enfriamiento heredados. No considerar la actualización a tecnologías de enfriamiento más avanzadas, como el enfriamiento líquido o la gestión térmica de alta precisión, puede limitar significativamente la eficiencia energética.
Sobrecargar el centro de datos
Añadir más servidores o equipos sin ajustar la capacidad de enfriamiento es un error común. Esto puede llevar a un aumento repentino de la carga de calor en el centro de datos y causar problemas de refrigeración.
Evitar estos errores comunes en la climatización de centros de datos es fundamental para garantizar la eficiencia operativa y la disponibilidad de los sistemas, al tiempo que se reducen los costos energéticos y se contribuye a la sostenibilidad en el sector de centros de datos.
Retos comunes en la refrigeración de centros de datos
La climatización en centros de datos es esencial para garantizar el rendimiento y confiabilidad de los sistemas. Sin embargo, también presenta varias limitaciones y desafíos que deben abordarse de manera proactiva para lograr la eficiencia energética y la continuidad operativa.
Estas son algunas de las limitaciones y retos más importantes:
Consumo de energía
La climatización representa una parte sustancial del consumo total de energía en un centro de datos. Mantener las temperaturas adecuadas y la humedad relativa dentro de los rangos requeridos puede requerir grandes cantidades de energía, lo que aumenta los costos operativos y la huella de carbono.
Requisitos de espacio
Los sistemas de climatización, como los aires acondicionados y las unidades de enfriamiento, ocupan espacio valioso en el centro de datos. Esto puede limitar la cantidad de espacio disponible para equipos de TI y el crecimiento futuro.
Dificultad para gestionar cambios
Los centros de datos pueden experimentar cambios significativos en la carga de trabajo, lo que puede dificultar la adaptación rápida de los sistemas de climatización. El enfriamiento debe ajustarse a las demandas constantes para evitar problemas de sobrecalentamiento o desperdicio de energía.
Costos operativos elevados
Mantener sistemas de climatización de alta calidad y eficiencia puede resultar costoso en términos de compra, instalación y mantenimiento continuo. Los centros de datos deben equilibrar los beneficios de la eficiencia con los costos asociados.
Gestión de la humedad
Controlar la humedad relativa en el centro de datos es fundamental para evitar la corrosión y otros problemas relacionados. Mantener un equilibrio adecuado puede ser un desafío, especialmente en climas con fluctuaciones estacionales significativas.
Cumplimiento de estándares ambientales
Los centros de datos deben cumplir con regulaciones ambientales cada vez más estrictas en cuanto a eficiencia energética y reducción de emisiones. Esto puede requerir inversiones adicionales en tecnologías de climatización más sostenibles.
Avance tecnológico
La tecnología de los centros de datos sigue evolucionando, lo que requiere adaptaciones en las estrategias de climatización. La implementación de soluciones más avanzadas puede llevar tiempo y recursos.
Abordar estas limitaciones y desafíos en la climatización de centros de datos es esencial para garantizar la eficiencia energética, la confiabilidad operativa y la sostenibilidad a largo plazo de las instalaciones de TI críticas.
Soluciones inteligentes para el enfriamiento de centros de datos
En nVent, estamos comprometidos con ayudar a nuestros clientes a optimizar sus operaciones, reducir costos y mantener la confiabilidad de sus sistemas.
Por eso, hemos desarrollado un amplio portafolio de soluciones inteligentes de para centros de datos. Nuestros productos incluyen rackchillers, sistemas de enfriamiento líquido directo y por inmersión diseñados para:
- Maximizar la eficiencia energética.
- Garantizar un rendimiento óptimo de los equipos.
- Lograr un control preciso de la temperatura en entornos críticos.
