Los operadores de centros de datos están evaluando las tecnologías de refrigeración líquida para aumentar la eficiencia energética ante el crecimiento de las aplicaciones informáticas con uso intensivo de procesamiento. Según Dell’Oro Group, está previsto que el mercado de refrigeración líquida crezca rápidamente hasta alcanzar los 2000 millones de dólares de ingresos en 2027 con una CAGR del 60 % de 2020 a 2027, siguiendo la senda que van marcando las organizaciones al adoptar más servicios en la nube, el uso de inteligencia artificial (AI) para potenciar el análisis avanzado y la automatización en la toma de decisiones, así como al potenciar las aplicaciones de blockchain y las criptomonedas.
AI Hardware Implications for Thermal Management (Implicaciones del hardware de IA en la Refrigeración de precisión), © 2023 Dell’Oro Group
En la actualidad, los centros de datos gestionan requisitos energéticos de rack superiores a 20 kilovatios (kW), pero el mercado se dirige a la cifra de 50 kW o más. Las unidades centrales de proceso (CPU) de nueva generación y las unidades de proceso de gráficos (GPU) albergan propiedades de densidad térmica más altas que las arquitecturas de la generación anterior. Además, los fabricantes de servidores están empaquetando más CPU y GPU en cada rack para dar respuesta a la creciente demanda de aplicaciones informáticas y de AI de alto rendimiento.
El proceso de refrigeración mediante aire está ya demostrando sus límites. La refrigeración tradicional por aire no es capaz de refrigerar estos racks de alta densidad de forma eficiente y sostenible.
En consecuencia, los operadores de centros de datos están investigando las opciones de refrigeración líquida que hay en el mercado. La refrigeración líquida aprovecha las propiedades de transferencia térmica más altas que ofrece el agua u otros fluidos para permitir una refrigeración eficiente y rentable de los racks de alta densidad, pudiendo ser hasta 3000 veces más efectiva que el uso de aire. La refrigeración líquida, con una larga y probada experiencia en grandes sistemas centrales y también en el ámbito del gaming, se está ampliando para proteger los servidores montados en rack en los centros de datos de todo el mundo. Vertiv ha creado una amplia gama de recursos para ayudarte a comprender los retos, las oportunidades y los requisitos técnicos que presenta la refrigeración líquida. Estos recursos te ayudarán a decidir cómo aplicar y redimensionar la refrigeración líquida a lo largo del centro de datos.
Más información sobre las opciones de refrigeración líquida de Vertiv
DCD> Manteniendo frías las TI: HPC
Ve el vídeo: “¿Se va a imponer la refrigeración directa al chip?”
Este webinar revisa el estado actual de la tecnología de placas frías, explora los motivos que hay detrás de su adopción y analiza el papel fundamental que desempeñará en las necesidades de refrigeración de los chips del futuro. Más allá de sus aspectos funcionales para transferir mejor el calor, los sistemas de refrigeración directa al chip también gozan de mayor facilidad de reacondicionamiento, a diferencia de su homóloga por inmersión. Entonces, ¿podría esto conducir a un despliegue más ágil, una adopción más incremental de la tecnología en un sector que le tiene miedo a los cambios y un mejor ROI? Además, esta sesión pregunta si, y cuánto tiempo podría trascurrir hasta que veamos que las tecnologías de placa fría se implementan a escala.
¿Se va a imponer la refrigeración “directa al chip”?
Panorámica de las opciones y rendimiento de la refrigeración líquida
Los operadores de centros de datos buscan una de las tres vías que ofrece la migración a la refrigeración líquida. Están desarrollando centros de datos con refrigeración única por líquido, instalaciones con refrigeración por aire preparadas para el futuro con nuevas infraestructuras que puedan albergar racks con refrigeración por líquido más adelante e integrando la refrigeración por líquido en instalaciones existentes con refrigeración por aire que carecen de la infraestructura para soportarla. La mayoría probablemente elegirá este último camino, a fin de ganar capacidad que satisfaga las necesidades empresariales a corto plazo y proporcione un rápido retorno de la inversión.
La instalación de sistemas de refrigeración líquida puede ser complicada. Los equipos de centros de datos querrán trabajar con un partner a la hora de considerar problemas básicos, como los requisitos de tuberías, distribución de la refrigeración, capacidad de equilibrio, estrategias de reducción de riesgos y sistemas de expulsión de calor.
Las opciones de refrigeración líquida incluyen:
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Intercambiadores de calor de puerta trasera: los intercambiadores de calor pasivos o activos sustituyen la puerta trasera del rack del equipo de TI por un intercambiador de calor con refrigeración líquida. Estos sistemas se pueden usar junto con sistemas de refrigeración por aire para refrigerar entornos con densidades de rack mixtas.
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Refrigeración líquida directa al chip: las placas frías directas al chip se colocan sobre los componentes generadores de calor de la placa para extraer el calor a través de placas frías monofásicas o unidades de evaporación bifásicas. Estas tecnologías de refrigeración pueden eliminar aproximadamente el 70-75 % del calor generado por el equipo en el rack, quedando un 25-30 % que debe eliminarse mediante sistemas de refrigeración por aire.
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Refrigeración por inmersión: los sistemas de refrigeración por inmersión monofásicos y bifásicos sumergen los servidores y otros componentes del rack en un líquido o fluido dieléctrico térmicamente conductor, eliminando la necesidad de refrigeración por aire. Este enfoque maximiza las propiedades de transferencia térmica del líquido y es la forma de refrigeración líquida más eficiente energéticamente del mercado.
6 aspectos a tener en cuenta al introducir la refrigeración líquida en centros de datos refrigerados por aire
Mientras van surgiendo centros de datos refrigerados únicamente por líquido y se están diseñando algunos nuevos centros de datos refrigerados por aire previstos para acomodar racks refrigerados por líquido en el futuro, el escenario más habitual al que se enfrentan hoy en día los operadores es integrar la refrigeración líquida en instalaciones refrigeradas por aire que carecen de la infraestructura para poder incorporarla.
Y esto puede complicarse, como era de esperar. Si estás considerando llevar líquido a un centro de datos refrigerado por aire, aquí tienes algunos asuntos fundamentales para los que tienes que estar preparado.
El tipo de fluido usado y la tasa de carga de calor a líquido influyen significativamente en el diseño general del sistema de una instalación híbrida. Mayores tasas de calor a líquido reducen la demanda en las infraestructuras de refrigeración por aire. Las variables de la carga de calor, los caudales de líquido y la presión se combinan para contribuir a la solución de refrigeración líquida general y deben tenerse en cuenta al principio del proceso de llevar líquido a los racks.
Al ser el componente más fundamental de una infraestructura de refrigeración líquida, el conjunto de tuberías que transportan el fluido de refrigeración a los racks, también puede ser el más difícil de implementar dentro de una instalación existente.
En la mayoría de los casos se requiere un enfoque por fases para minimizar la interrupción de las operaciones. En un centro en régimen de colocation, los operadores añaden tuberías a una o dos salas en respuesta a los requisitos conocidos de los clientes. A medida que aumentan las demandas del cliente, se ampliará a salas adicionales. Este mismo enfoque es el que se aplica en las empresas, donde un determinado rincón del centro de datos puede dedicarse a racks refrigerados por líquido.
Para los centros de datos de suelo técnico, unas tuberías mal planificadas pueden obstruir el flujo de aire. Deben usarse simulaciones computacionales de dinámica de fluidos (Computational fluid dynamics, CFD) para configurar las tuberías y minimizar su impacto en el flujo de aire que circula bajo el suelo.
En los centros de datos con suelo de losa, las tuberías suelen tenderse por pasillos y en la estructura del techo, soportándose con bandejas colectoras bajo todos los accesorios para minimizar el impacto de posibles fugas. La compatibilidad con materiales húmedos y la elección del tipo adecuado de accesorios también es algo fundamental para el éxito a largo plazo de un despliegue de refrigeración líquida.
Distribución
Al usar refrigeración líquida, es preciso establecer un bucle de refrigeración secundario en la instalación que permita un control preciso del líquido que se distribuye a los racks. El componente fundamental de ese bucle es la unidad de distribución de refrigerante (Coolant Distribution Unit, CDU). La CDU proporciona control de temperatura y caudal, además de la capacidad de mantener la limpieza del fluido recurriendo a filtros para capturar residuos.
Para proyectos más pequeños, una CDU con un intercambiador de calor de líquido a aire puede simplificar el despliegue, suponiendo que el sistema de refrigeración por aire pueda tratar el calor rechazado por la CDU. En la mayoría de casos, la CDU usará un intercambiador de calor de líquido a líquido para capturar el calor devuelto por los racks y rechazarlo a través del sistema de agua refrigerada. Aunque las CDU se pueden colocar en el perímetro del centro diseño datos, la mayoría de unidades están diseñadas para caber dentro de la fila y que puedan ubicarse cerca de los racks que refrigeran.
La unidad de distribución de refrigerante Vertiv™ Liebert® XDU funciona como intercambiador de calor líquido-aire para refrigerar chips.
Capacidad de equilibrio
Los métodos de refrigeración líquida más usados que se implementan hoy en día, los intercambiadores de calor de puerta trasera y las placas frías directas al chip, funcionan con sistemas de refrigeración por aire y no de forma independiente. La refrigeración por inmersión, tanto monofásica como bifásica, también está avanzando.
Será preciso determinar cuánta carga de calor total deberá manejar cada sistema, cuánta capacidad de refrigeración por aire desplazará el sistema líquido y dónde el sistema de refrigeración líquida puede estar introduciendo nuevas exigencias en los sistemas de refrigeración por aire. Los intercambiadores de calor de puerta trasera, por ejemplo, expulsan aire refrigerado al centro de datos, y el sistema de refrigeración por aire debe ser capaz de controlar el calor de los racks si una o más puertas traseras están abiertas para su mantenimiento. En aplicaciones de puerta trasera, se suele usar un chiller para alcanzar las temperaturas de agua deseadas.
Diseñado para eliminar barreras a la hora de implementar refrigeración líquida en un entorno refrigerado por aire, los chillers Vertiv Liebert AFC Liquid Cooling-Ready están diseñados para funcionar simultáneamente con refrigeración por aire y refrigeración líquida, integrando unidades CRAH interiores y unidades CDU, facilitando una transición sin problemas a un centro de datos de refrigeración líquida.
El mayor obstáculo para el crecimiento de la refrigeración líquida ha venido siendo la preocupación por los riesgos asociados a la introducción de líquido en los racks. Los actuales sistemas de refrigeración líquida minimizan ese riesgo al limitar el volumen de fluido que se distribuye e integrar la tecnología de detección de fugas en los componentes del sistema y en ubicaciones críticas en todo el sistema de tuberías.
Cuando se usan fluidos dieléctricos, se elimina el riesgo de daños en el equipo por fugas, pero el alto coste de estos fluidos justifica la incorporación de sistemas de detección de fugas similares a los que se usarían en sistemas que usan agua. El Open Compute Project ha publicado un excelente documento sobre tecnologías y estrategias de detección de fugas, Detección e integración de fugas, de lectura recomendada para cualquier persona que pretenda incorporar líquido a su centro de datos.
La recuperación de calor puede aumentar la eficiencia del sistema de agua del chiller al permitir que el calor capturado del centro de datos se reutilice para otros fines. En lugar de refrigerar la carga de calor, el sistema captura el calor de forma efectiva y puede usarse para atender la demanda de calor en otras partes del edificio, edificios vecinos o una red de calefacción urbana. Esta estrategia puede aplicarse a centros de datos antiguos, aunque la temperatura sea baja, usando una bomba de calor para aumentarla.
La introducción de la refrigeración líquida en un centro de datos refrigerado por aire requiere una planificación y una ingeniería cuidadosas, pero hoy en día se dispone de tecnologías y se cuenta con prácticas recomendadas que faciliten el éxito de cualquier despliegue y con mínimas interrupciones.
Para más información, descarga el white paper de Vertiv, Comprensión de las opciones de refrigeración líquida y los requisitos de infraestructura del centro de datos.
Cómo calcular el impacto de la refrigeración líquida en la eficiencia
Como se ha indicado anteriormente, la adopción de la refrigeración líquida para centros de datos sigue ganando impulso gracias a su capacidad para refrigerar los racks de TI de alta densidad de más eficiente y efectiva. Sin embargo, los diseñadores y operadores de centros de datos carecen de los datos suficientes para calcular el impacto de la refrigeración líquida en la eficiencia del centro de datos y ayudarles a optimizar la implementación de dicho tipo de refrigeración para ahorrar energía y ganar en eficiencia.
Para llenar ese vacío, un equipo de especialistas de NVIDIA y Vertiv realizó el primer gran análisis de impacto de la refrigeración líquida en la PUE y el consumo de energía de los centros de datos. El análisis completo fue publicado por la Sociedad Estadounidense de Ingenieros Mecánicos (American Society of Mechanical Engineers, ASME) en el artículo Power Usage Effectiveness Analysis of a High-Density Air-Liquid Hybrid Cooled Data Center (Análisis de la efectividad del uso de la energía en un centro de datos con refrigeración mixta líquida y por aire de alta densidad).
Conclusiones clave del análisis de eficiencia energética de refrigeración líquida en centros de datos
Efectividad del uso de la energía (Power Usage Effectiveness, PUE)
El parámetro PUE no es una buena medida de la eficiencia de la refrigeración líquida de un centro de datos. A diferencia de la refrigeración por aire, la refrigeración líquida afecta al numerador (potencia total del centro de datos) y al denominador (potencia de los equipos de TI) en el cálculo del PUE, lo que lo no tiene mucho sentido al comparar la eficiencia de los sistemas de refrigeración líquida y por aire.
Efectividad total de uso (Total Usage Effectiveness, TUE)
- Otras métricas alternativas como la TUE resultarán más útiles para guiar las decisiones de diseño relacionadas con la introducción de la refrigeración líquida en un centro de datos refrigerado por aire.
- TUE = ITUE x PUE (ITUE = Energía total en los equipos de TI/Energía total en los componentes informáticos)
- O TUE = Potencia total para el centro de datos/Potencia total para los componentes de cálculo, procesamiento y almacenamiento
En los centros de datos de alta densidad, la refrigeración líquida mejora 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 produjo una reducción del 10,2 % en la potencia total del centro de datos y una mejora de más del 15 % en la TUE.
Mayor eficiencia con tecnologías de refrigeración líquida
Maximizar la implementación de la refrigeración líquida de los centros de datos,— en términos del porcentaje de carga de TI refrigerada por líquido,— ofrece la máxima eficiencia. La refrigeración directa al chip, no permite enfriar toda la carga con líquido, pero aproximadamente el 75 % de la carga se puede enfriar de forma efectiva recurriendo a refrigeración líquida directa al chip.
La refrigeración líquida puede permitir mayores temperaturas del agua refrigerada, el aire de suministro y de entradas secundarias que maximizan la eficiencia de la infraestructura de las instalaciones. En particular, debería considerarse la refrigeración con agua caliente. Las temperaturas de entrada secundarias en nuestro estudio final se elevaron a 45 °C (113 °F) y esto contribuyó a los resultados logrados, al tiempo que aumentó las oportunidades de reutilización del calor residual.
Soluciones de refrigeración para centros de datos: Introducción del líquido con confianza
Mira este vídeo para obtener más información sobre cómo introducir con confianza la refrigeración líquida en tu centro de datos
Opciones para sistemas híbridos de refrigeración por aire/líquido y centros de datos totalmente refrigerados por líquido
Estés donde estés en el viaje hacia la refrigeración líquida, Vertiv ofrece soluciones y servicios para ayudarte a alcanzar tus objetivos empresariales y cumplir con tus requisitos técnicos.
Como líder mundial en refrigeración de precisión, Vertiv aporta un enfoque integral a la refrigeración líquida de una instalación. Nuestras soluciones son fruto de años de investigación y desarrollo en colaboración con varias universidades asociadas del Center for Energy-Smart Electronic Systems (ES2), del Open Compute Project de The Green Grid y de Green Revolution Cooling.
Gracias a estos esfuerzos y a nuestro intensivo programa de I&D para la refrigeración líquida, Vertiv sigue el ritmo de los requisitos cambiantes de los clientes. Ofrecemos un portfolio de soluciones que admiten refrigeración mixta por aire y por líquido, así como centros de datos totalmente refrigerados por líquido, que incluyen:
- Unidades de distribución de refrigerante (CDU) y chillers diseñados para proporcionar soluciones de infraestructura completas para la refrigeración líquida de los centros de datos
- Intercambiadores de calor de puerta trasera activos y pasivos
- Sistemas de expulsión de calor diseñados para funcionar con chillers y CDU de refrigeración líquida
- Soluciones de actualización que permiten modificar los equipos de refrigeración por aire para albergar refrigeración líquida
- Prácticas y servicios establecidos para la puesta en marcha y operación de la infraestructura de refrigeración líquida
Reimpresión del Informe de perspectivas de mercado de S&P Global Market Intelligence
Vertiv apoya la introducción de la refrigeración líquida para equipos informáticos de alta densidad con la nueva unidad de distribución de refrigerante
