Por Andy Smith
Los centros de datos son la columna vertebral de casi todas las industrias modernas y permiten operaciones de sistemas, almacenamiento de datos, conectividad y comunicación en todo el mundo. Además, respaldan las telecomunicaciones, el comercio electrónico, los medios de comunicación, la atención médica, las finanzas, la educación, la seguridad y la fabricación. Sin embargo, la administración térmica de los centros de datos es un enorme desafío que a menudo se pasa por alto.
Este artículo identifica tecnologías de enfriamiento a nivel de placa, subsistema y sistema, las cuales permiten que los centros de datos modernos operen de manera eficiente.
Por qué los sistemas de enfriamiento de los centros de datos son fundamentales
La administración térmica del centro de datos resulta esencial para ofrecer confiabilidad de los equipos y eficiencia energética, evitar la pérdida de datos, optimizar el rendimiento, brindar seguridad, costos más bajos y eficiencia operativa, así como para minimizar el impacto ambiental.
Una administración térmica eficiente garantiza que los componentes electrónicos individuales funcionen dentro de sus rangos de temperatura óptimos, lo que además mejora el consumo de energía a nivel de los componentes. A medida que aumentan las temperaturas de los componentes, también aumenta su resistencia interna, lo que puede disminuir el rendimiento o aumentar el consumo total de energía. El subenfriamiento de los componentes puede generar un importante aumento del consumo de energía informática. Por el contrario, un sobreenfriamiento o los sistemas de enfriamiento ineficientes pueden originar un gasto energético innecesario para mantener un consumo de energía informática optimizado.
El costo del centro de datos está directamente relacionado con el consumo de energía. Las estrategias de administración térmica eficientes reducen los costos operativos generales. Al optimizar los costos de energía del sistema de enfriamiento frente a los costos de consumo de energía informática, los operadores de los centros de datos pueden minimizar el gasto operativo y satisfacer las demandas de rendimiento computacional.
Tres niveles de enfriamiento en centros de datos
Enfriamiento a nivel de placa
La principal generación de calor en los centros de datos proviene de las unidades de procesamiento como CPU, GPU y TPU. Estos componentes a nivel de placa requieren una disipación de calor eficaz para mantener temperaturas internas adecuadas.
El método de enfriamiento a nivel de placa más común utiliza el aire como medio para la absorción de calor. Las placas de los centros de datos utilizan dispositivos de refrigeración por aire, como disipadores de calor pasivos, tubos termosifones, cámaras de vapor, ventiladores de enfriamiento activo y sopladores.
Se puede utilizar un sistema de enfriamiento mediante líquido cuando los sistemas de administración térmica enfriados por aire no proporcionan el rendimiento de refrigeración deseado. Las CPU, las GPU, los ASIC y los aceleradores computacionales enfriados por líquido se utilizan en centros de datos de alta densidad con requisitos de hardware especializados que generan calor más allá de lo que los métodos de refrigeración tradicionales pueden abordar. El enfriamiento por líquido proporciona una disipación de calor más eficaz para este tipo de hardware común en tareas informáticas de alto rendimiento (HPC), como entrenamiento de IA, simulaciones científicas, análisis de datos complejos y representación gráfica.
Enfriamiento a nivel de subsistema
El enfriamiento por líquido se puede utilizar en centros de datos completos, pero rara vez es una solución de refrigeración universal debido a su mayor complejidad y costo. Muchos centros de datos utilizan una variedad de técnicas de enfriamiento de una sección a otra. En el caso de los sistemas localizados de enfriamiento por líquido, el calor recogido suele eliminarse hacia el aire a través de un material líquido, que luego se transfiere al resto de los sistemas de enfriamiento por aire del centro de datos.
La gestión del flujo de aire es una técnica central para la administración térmica general del centro de datos. Dado que la mayoría de las placas de los centros de datos están dispuestas en bastidores, los sistemas de enfriamiento a nivel de bastidores pueden comprender unidades de refrigeración dedicadas o ventiladores montados en los bastidores para dirigir el flujo de aire de una sección del centro de datos a la otra.
Los centros de datos suelen organizarse en configuraciones de pasillos fríos y calientes, en las que un lado de los servidores mira hacia un pasillo frío y el lado opuesto mira hacia un pasillo caliente. Las unidades de enfriamiento a nivel de bastidores y los ventiladores extraen el aire de los pasillos fríos, lo transportan a través del bastidor para enfriar las placas y los componentes y luego, eliminan el aire en los pasillos calientes. Las soluciones de contención de pasillos calientes (HAC) cierran los pasillos mediante barreras físicas y puertas a fin de minimizar la combinación con el aire ambiente o el aire enfriado, lo que mantiene la eficiencia.
Como alternativa al enfriamiento de bastidores por aire, las unidades de distribución de enfriamiento por líquido y agua (LCDU y CDU, respectivamente) hacen circular agua enfriada por todo el bastidor hasta llegar a los dispositivos de enfriamiento por líquido individuales a nivel de la placa. Las CDU constan de un circuito de refrigerante, una bomba y un sistema de control que puede distribuir el líquido de refrigeración según la demanda. También tienen un intercambiador de calor que expulsa el calor generado dentro del bastidor hacia el sistema de enfriamiento por líquido o aire a nivel del centro de datos.
La refrigeración por inmersión en líquidos es la forma más inusual de refrigeración de subsistemas de centros de datos y se utiliza en los sectores de tecnología e informática de alto rendimiento. Estos sistemas implican sumergir sistemas completos de hardware de servidores en fluidos dieléctricos para enfriar directamente todos los componentes de la placa al mismo tiempo. Este método de enfriamiento proporciona capacidades de refrigeración superiores, pero requiere una infraestructura altamente especializada y no es tan escalable como los sistemas de enfriamiento por agua fría o aire acondicionado. Los fluidos dieléctricos también son un costoso insumo, resultan difíciles de mantener y pueden ser peligrosos para el medio ambiente, por lo que la mayoría de los centros de datos los utilizan con moderación.
Enfriamiento a nivel de sistema
El enfriamiento de un centro de datos completo requiere una previsión sustancial en cuanto a la infraestructura general, el consumo de energía y la planificación de la ubicación. Se utilizan varios sistemas dependiendo de la temperatura general, la humedad y las condiciones del ambiente dentro de la instalación. La elección del sistema que se utilizará depende en gran medida de la industria y de la demanda o la utilización esperada del centro de datos.
Sistemas de aire acondicionado de precisión
Los sistemas de aire acondicionado de precisión como las unidades de aire acondicionado para salas informáticas (CRAC) son los sistemas de enfriamiento de centros de datos más comunes. Las unidades CRAC se emplean en centros de datos que usan aire forzado frío para enfriar los bastidores y utilizan un ciclo de refrigeración centralizado para hacerlo, lo que elimina el aire caliente hacia el exterior.
Las unidades CRAC proporcionan un control preciso de la temperatura y la humedad, además de filtración de aire, lo cual resulta fundamental para los equipos críticos y el almacenamiento de datos, pero es menos adecuado para las aplicaciones de computación de alta potencia (HPC). Los sistemas de distribución de aire enfriado de las unidades CRAC pueden variar desde una configuración de pasillo frío/caliente hasta sistemas de distribución de flujo ascendente del piso al techo. Los sistemas de aire acondicionado de precisión se encuentran más comúnmente en centros de datos orientados a banca, atención médica, tecnología, comercio electrónico y entretenimiento, dada la alta presencia de datos almacenados, la demanda diaria constante y la poca cantidad de bastidores para HPC.
Ejemplo de una configuración de enfriamiento ascendente en bastidores
Sistemas enfriados por agua
Los sistemas enfriados por agua emplean agua como medio de refrigeración que circula por todo el centro de datos. Estos sistemas, también llamados sistemas de enfriamiento hidrónico, son utilizados en industrias con altas cargas de cómputo o en centros de datos de gran tamaño, dada su escalabilidad. Son más eficientes y pueden manejar cargas de calor sustancialmente más altas que los sistemas de aire acondicionado, lo que les permite gestionar una demanda de calor variable a lo largo del día.
Los sistemas enfriados por agua también ofrecen un gran número de redundancias, lo que hace que todo el sistema sea más confiable. Desafortunadamente, tienen un costo inicial más alto. El equipo central, las tuberías de distribución y los sistemas de enfriamiento a nivel de bastidores son más costosos que los sistemas de enfriamiento por aire acondicionado. Estos sistemas también pueden ser susceptibles a fugas, lo que requiere instalación y mantenimiento a cargo de profesionales para evitar dañar el valioso hardware del servidor.
No obstante, debido a su confiabilidad, escalabilidad y mayor capacidad calorífica del sistema, los sistemas de agua fría a menudo se utilizan en los sectores de telecomunicaciones, gobierno, energía/servicios públicos, seguridad, manufactura y ciencia. Estos sistemas son el método de enfriamiento preferido para los sistemas de alta carga computacional, ya sea por densidad de cálculo o tamaño total.
Sistemas de enfriamiento gratuito
Los sistemas de enfriamiento gratuito aprovechan las condiciones ambientales externas para enfriar los centros de datos. Estos se utilizan cuando la eficiencia energética es una prioridad, ya que minimizan la dependencia de los sistemas de enfriamiento mecánico. Toman aire fresco del exterior, lo filtran y lo usan para enfriar los bastidores del centro de datos. Luego, expulsan el aire caliente hacia el exterior. Dichos sistemas solo pueden implementarse donde el entorno externo lo permita. Por lo tanto, son menos frecuentes y únicamente se utilizan en industrias selectas con baja demanda computacional.
La refrigeración del centro de datos resulta fundamental
La mayor parte del enfriamiento en centros de datos consiste en un sistema de aire acondicionado tradicional o un sistema de agua fría. Las densidades de calor del centro de datos, el espacio disponible, la ubicación geográfica y las limitaciones de costos son los factores decisivos más comunes entre ambos sistemas. Los centros de datos de computación de alta potencia (HPC) más avanzados pueden estar compuesto por complejos sistemas de administración térmica por inmersión en líquidos, lo que proporciona la solución de administración térmica más idónea. Aun así, su costo y complejidad los hacen poco comunes. El diseño altamente personalizado de los sistemas de enfriamiento a nivel de placas, subsistemas y centros de datos depende, en gran medida, de las demandas, la escalabilidad, la confiabilidad y los objetivos de eficiencia energética de la industria. De todos modos, las soluciones de administración térmica son esenciales para las operaciones de los centros de datos modernos.
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