El extraño mundo de la refrigeración líquida para centros de datos

Cuando se trata de PC de escritorio de alto rendimiento, particularmente en el mundo de los juegos, la refrigeración por agua es popular y efectiva. Sin embargo, en el mundo de los centros de datos, los servidores dependen de la refrigeración por aire tradicional la mayoría de las veces, en combinación con enormes sistemas de CA que mantienen las salas de servidores a la temperatura adecuada.

Sin embargo, los centros de datos también pueden usar refrigeración por agua. Simplemente no siempre se ve como uno esperaría.

La refrigeración es de vital importancia para los centros de datos. Dejar que el hardware se caliente demasiado aumenta las tasas de falla e incluso puede afectar la disponibilidad del servicio. También utiliza una gran cantidad de energía, y el enfriamiento representa hasta el 40 % del uso de energía en un centro de datos promedio. Esto también se refleja en los costos de funcionamiento, ya que la energía no es barata.

Por lo tanto, cualquier ganancia de eficiencia en el enfriamiento de un centro de datos puede tener una multitud de beneficios. Además de mejorar la confiabilidad y reducir las emisiones a través de un menor uso de energía, también hay beneficios para la densidad. Cuanto más eficaz sea el enfriamiento disponible, más servidores y potencia de procesamiento se pueden incluir en un espacio determinado sin tener problemas de sobrecalentamiento.

Las técnicas de refrigeración por agua y líquido pueden potencialmente ofrecer un cambio radical en el rendimiento en relación con la refrigeración por aire tradicional. Esto se debe al hecho de que el aire no tiene una gran capacidad calorífica en comparación con el agua u otros líquidos refrigerantes especiales. Es mucho más fácil transferir una gran cantidad de calor a un líquido. En algunas jurisdicciones, incluso se habla de utilizar el calor residual de los centros de datos para proporcionar calefacción urbana, que es mucho más fácil con una fuente de líquido caliente que transporta calor residual que con aire caliente.

Sin embargo, la refrigeración líquida también tiene sus inconvenientes. Las fugas pueden dañar los componentes electrónicos si no se gestionan adecuadamente, y dichos sistemas suelen tener una complejidad adicional en comparación con el funcionamiento de ventiladores y sistemas de aire acondicionado simples. Naturalmente, ese rendimiento de enfriamiento mejorado tiene una compensación, de lo contrario, ya sería la norma.

El enfoque de refrigeración por agua más obvio para un centro de datos sería cambiar los ventiladores de refrigeración de los servidores por bloques de agua y conectar los racks a los circuitos de refrigeración por agua. Esto se puede lograr, ya que algunas empresas ofrecen bloques de enfriamiento directo al chip que luego se pueden conectar a un circuito de enfriamiento líquido más amplio en un rack de servidor de soporte. Es la misma teoría que enfriar con agua una PC de escritorio, reemplazando ventiladores y disipadores de calor con bloques de agua. Este método de refrigeración directa por agua de los servidores tiene la ventaja de que puede extraer una gran cantidad de calor, con algunas afirmaciones de hasta 80 kW por rack.

Sin embargo, este enfoque viene con varios inconvenientes. Requiere abrir y modificar los servidores antes de la instalación en el rack. Esto no es deseable para muchos operadores, y cualquier error durante la instalación puede introducir defectos que son costosos de corregir tanto en tiempo como en equipo. El servicio y el mantenimiento también se complican por la necesidad de romper las conexiones de refrigeración por agua al retirar los servidores, aunque esto se alivia un poco con los accesorios especiales de conexión rápida "sin goteo".

Un método menos invasivo implica el uso de servidores regulares enfriados por aire que se colocan en bastidores especiales enfriados por agua. Este método elimina cualquier necesidad de modificar el hardware del servidor. En su lugar, los intercambiadores de calor aire-agua montados en la parte posterior del bastidor del servidor recogen el calor del escape del servidor caliente y lo vierten en el refrigerante líquido. El aire de escape se enfría y vuelve a la habitación, mientras que el refrigerante se lleva el calor residual. Las torres de enfriamiento en la azotea, como las que se muestran en la parte superior de este artículo, se pueden usar para extraer el calor del refrigerante antes de que se devuelva. No es tan eficaz como capturar directamente el calor de un bloque de agua en el chip, pero se afirma que estos sistemas pueden extraer hasta 45 kW de calor por rack.

Además de utilizar hardware no modificado, el sistema reduce significativamente el peligro de fugas. Cualquier fuga que ocurra estará en la parte posterior del rack del servidor, en lugar de directamente en las placas de circuito del servidor. Además, los sistemas generalmente funcionan a presión negativa, por lo que el aire se aspira desde cualquier orificio o tubo dañado, en lugar de permitir que se escape el líquido.

También existen métodos más extremos. Microsoft hizo olas al operar un centro de datos completamente sumergido frente a la costa de Escocia en 2018. Con un grupo de servidores convencionales instalados en un tubo hermético, el calor se rechazó a las aguas circundantes, lo que mantuvo las temperaturas muy estables. El proyecto duró dos años y descubrió que la atmósfera sellada y las bajas temperaturas probablemente eran responsables de un aumento de ocho veces en la confiabilidad. El Proyecto Natick, como se le conocía, también prometía otros beneficios, como la reducción de los costos de la tierra al ubicar el hardware en alta mar.

Sin embargo, Microsoft no se duerme en los laureles y últimamente ha investigado conceptos aún más descabellados. La empresa ha desarrollado un tanque de enfriamiento de inmersión de dos fases para uso en centros de datos. En este diseño, los servidores convencionales se sumergen en un líquido patentado desarrollado por 3M, que hierve a una temperatura baja de solo 50 C (122 F). A medida que el hardware del servidor se calienta, el líquido se calienta. Absorbe enormes cantidades de energía en lo que se denomina calor latente de vaporización, necesario para que el líquido hierva. Luego, el refrigerante gaseoso llega al condensador en la tapa del tanque, se vuelve líquido y vuelve a llover sobre los servidores que se encuentran debajo.

El método de inmersión permite una excelente transferencia de calor entre el hardware del servidor y el refrigerante. Como beneficio adicional, no solo enfría una pequeña sección de la CPU a través de un disipador de calor. En cambio, todo el servidor es libre de descargar calor en el líquido. La esperanza es que esto permita un aumento en la densidad del hardware en los centros de datos, así como un aumento en el rendimiento, ya que la alta capacidad de enfriamiento del método de inmersión permite una mejor eliminación del calor en un espacio mucho más pequeño.

Por supuesto, es una solución compleja y de alto nivel que llevará algún tiempo antes de que esté lista para la corriente principal. Los operadores de centros de datos simplemente no están acostumbrados a sumergir su hardware en líquido, ni a ejecutarlos en contenedores sellados para permitir que dicho sistema funcione. Es probable que también haya algunos dolores de cabeza de mantenimiento, donde los tanques de inmersión deberán apagarse antes de abrirlos para el servicio físico del hardware interno.

A medida que la humanidad continúa anhelando más poder de cómputo y nos esforzamos por reducir el uso de energía y las emisiones, espere más desarrollos en este espacio. La pura competencia en sí misma también es un gran impulsor. Cualquier empresa que pueda reducir los costos de funcionamiento, el uso de la tierra y encontrar más rendimiento tendrá una ventaja sobre sus rivales en el mercado. Espere que los sistemas de refrigeración por agua se vuelvan más convencionales con el tiempo, y algunas de las ideas más extravagantes para encontrar la compra si sus principales beneficios valen la pena. Es un momento emocionante para trabajar en ingeniería de centros de datos, eso es seguro.