L’adoption du refroidissement liquide des datacenters continue de prendre de l’ampleur en raison de sa capacité à assurer un refroidissement plus efficace des baies IT à haute densité. Pourtant, les concepteurs et les opérateurs de datacenters manquaient de données pouvant être utilisées pour projeter l’impact du refroidissement liquide sur l’efficacité des datacenters et les aider à optimiser le déploiement du refroidissement liquide pour l’efficacité énergétique.
Pour combler ce vide, une équipe de spécialistes de chez NVIDIA et Vertiv a réalisé la première analyse majeure de l’impact du refroidissement liquide sur le PUE et la consommation électrique des datacenters. L’analyse complète a été publiée par l’American Society of Mechanical Engineers (ASME) dans l’article Power Usage Effectiveness Analysis of a High-Density Air-Liquid Hybrid Cooled Data Center Cette publication résume la méthodologie, les résultats et les points importants à retenir de cette analyse.
Méthodologie pour l’analyse de l’efficacité énergétique du refroidissement liquide des datacenters
Pour notre analyse, nous avons choisi un datacenter de taille moyenne (1 à 2 mégawatts) Tier 2 à Baltimore, dans le Maryland. Le site abrite 50 racks à haute densité disposés en deux rangées. La référence pour l’analyse était le refroidissement à air à 100 % fourni par deux climatiseurs à eau glacée périphériques avec confinement d’allée chaude. Les unités de refroidissement sont prises en charge par un chiller Vertiv™ Liebert® AFC avec des fonctionnalités de freecooling, de freecooling adiabatique, de refroidissement hybride et de refroidissement adiabatique conventionnel.
Le refroidissement liquide est activé par refroidissement direct du microprocesseur via des plaques froides à microcanaux montées sur les principaux composants IT générant de la chaleur et prises en charge par deux unités de distribution de liquide de refroidissement (CDU) Vertiv™ Liebert® XDU avec échangeurs thermiques liquide-liquide.
Schéma de datacenter utilisé pour l’analyse de l’énergie avec les Vertiv™ Liebert® XDU et Vertiv™ Liebert® PCW.
L’analyse a utilisé une approche « ascendante » en désagrégeant la charge IT en sous-systèmes, ce qui a permis de calculer avec précision l’impact d’une augmentation progressive du pourcentage de la charge refroidie par liquide pour chaque sous-système. Nous avons ensuite mené quatre études en augmentant le pourcentage de refroidissement liquide dans chaque étude tout en mettant en œuvre des optimisations de la température de l’eau glacée, de la température de l’air d’alimentation et de la température d’entrée secondaire rendues possibles par l’utilisation du refroidissement liquide.
- Étude 1 : refroidissement à air à 100 % avec une température d’eau glacée de 7,2 degrés Celsius, une température d’air d’alimentation de 25 C et une température d’entrée secondaire de 32 C.
- Étude 2 : 61,4 % de la charge est refroidie par liquide et 38,6 % par air. La température de l’eau glacée est augmentée à 18 C, la température de l’air d’alimentation est maintenue à 25 C et la température d’entrée secondaire est maintenue à 32 C.
- Étude 3 : 68,6 % de la charge est refroidie par liquide et 31,4 % par air. La température de l’eau glacée est augmentée à 25 C, la température de l’air d’alimentation est augmentée à 35 C et la température d’entrée secondaire est maintenue à 32 C.
- Étude 4 : 74,9 % de la charge est refroidie par liquide et 25,1 % par air. La température de l’eau glacée est maintenue à 25 C, la température de l’air d’alimentation est maintenue à 35 C et la température d’entrée secondaire est augmentée à 45 C.
Impact de l’introduction du refroidissement liquide sur la consommation électrique et le PUE des datacenters
La mise en œuvre complète du refroidissement liquide dans l’étude 4 (74,9 %) a entraîné une réduction de 18,1 % de l’alimentation du site et une réduction de 10,2 % de l’alimentation totale du datacenter par rapport au refroidissement à air à 100 %. Cela a pour effet non seulement de réduire les coûts énergétiques des données de 10 % par an, mais également, pour les datacenters utilisant des sources d’énergie à base de carbone, de réduire les émissions de Scope 2 de la même quantité.
La consommation totale du datacenter a été réduite à chaque augmentation du pourcentage de la charge refroidie par refroidissement direct du microprocesseur. De l’étude 1 à l’étude 2, la consommation électrique a été réduite de 6,4 % ; une réduction supplémentaire de 1,8 % a été obtenue entre l’étude 2 et l’étude 3 ; et une autre amélioration de 2,5 % a été observée entre l’étude 3 et l’étude 4.
Sur la base de ces résultats, le PUE du datacenter calculé pour chaque étude peut s’avérer surprenante. Le PUE n’a chuté que de 3,3 %, passant de 1,38 dans l’étude 1 à 1,34 dans l’étude 4, et est resté stable à 1,35 pour les études 2 et 3.
Si vous connaissez le mode de calcul du PUE, vous avez peut-être déjà deviné la raison de cet écart. Le PUE est essentiellement une mesure de l’efficacité de l’infrastructure qui est calculée en divisant l’alimentation totale du datacenter par l’alimentation IT. Mais le refroidissement liquide n’a pas seulement réduit la consommation côté site, il a également réduit la consommation électrique IT (selon la définition du PUE) en réduisant la demande sur les ventilateurs de serveurs.
La consommation électrique des ventilateurs du serveur a diminué de 41 % entre l’étude 1 et l’étude 2, et de 80 % entre l’étude 1 et l’étude 4. Cela a entraîné une réduction de 7 % de l’alimentation IT entre les études 1 et 4.
Contrairement au refroidissement à air, le refroidissement liquide affecte à la fois le numérateur (alimentation totale du datacenter) et le dénominateur (alimentation de l’équipement IT) dans le calcul du PUE, ce qui le rend inefficace pour comparer l’efficacité des systèmes de refroidissement liquide et à air.
Dans notre article, nous proposons l’efficacité totale de l’utilisation (TUE) comme meilleure mesure à cette fin et j’expliquerai pourquoi cette décision a été prise dans une prochaine publication. Le TUE pour le datacenter qui a fait l’objet de notre analyse s’est amélioré de 15,5 % entre les études 1 et 4, ce qui, selon nous, est une mesure précise des gains d’efficacité du datacenter obtenus grâce au déploiement optimisé du refroidissement liquide.
Points importants à retenir de l’analyse de l’efficacité énergétique du refroidissement liquide des datacenters
L’analyse a fourni plusieurs informations sur l’efficacité du refroidissement liquide des datacenters et sur la manière dont il peut être optimisé. J’encourage les concepteurs de datacenters, en particulier, à lire l’article complet, qui comprend les données justificatives utilisées pour obtenir les résultats énoncés dans la section précédente. Voici quelques-uns des points importants à retenir qui pourraient intéresser un public plus large.
- Dans les datacenters haute densité, le refroidissement liquide améliore l’efficacité énergétique des systèmes IT et des sites par rapport au refroidissement à air. Dans notre étude entièrement optimisée, l’introduction du refroidissement liquide a permis une réduction de 10,2 % de l’alimentation totale du datacenter et une amélioration de plus de 15 % du TUE.
- L’optimisation de la mise en œuvre du refroidissement liquide des datacenters, en termes de pourcentage de la charge IT refroidie par liquide, offre l’efficacité la plus élevée. Avec le refroidissement direct du microprocesseur, il n’est pas possible de refroidir toute la charge avec du liquide, mais environ 75 % de la charge peut être efficacement refroidie par le refroidissement liquide direct du microprocesseur.
- Le refroidissement liquide peut permettre des températures d’eau glacée, de l’air d’alimentation et d’entrée secondaire plus élevées qui optimisent l’efficacité de l’infrastructure du site. Le refroidissement à eau chaude, en particulier, doit être envisagé. Les températures d’entrée secondaire dans notre étude finale ont été augmentées à 45 C et cela a contribué aux résultats obtenus tout en augmentant les possibilités de réutilisation de la chaleur résiduelle.
- Le PUE n’est pas une bonne mesure de l’efficacité du refroidissement liquide des datacenters et d’autres mesures telles que le TUE s’avéreront plus utiles pour guider les décisions de conception liées à l’introduction du refroidissement liquide dans un datacenter refroidi à air.
Pour finir, je tiens à remercier mes collègues chez Vertiv et NVIDIA pour leur travail sur cette analyse révolutionnaire. Les résultats quantifient non seulement les économies d’énergie qui peuvent être réalisées grâce au refroidissement liquide, mais fournissent également aux concepteurs des données précieuses qui peuvent être utilisées pour optimiser les installations de refroidissement liquide des datacenters.
Pour en savoir plus sur les tendances qui favorisent l’adoption du refroidissement liquide, consultez le blog intitulé Refroidissement liquide : Solutions de datacenter pour l’IT haute densité, qui résume les informations d’un panel d’experts en refroidissement liquide lors du sommet mondial de l’OCP 2022.
