Par Andy Smith
Les centres de données constituent l’épine dorsale de la quasi-totalité des industries modernes, permettant l’exploitation des systèmes, le stockage des données, la connectivité et la communication dans le monde entier. Les télécommunications, le commerce électronique, les médias, les soins de santé, la finance, l’éducation, la sécurité et la fabrication sont tous soutenus par des centres de données. Cependant, la gestion thermique des centres de données est un défi de taille souvent négligé.
Cet article identifie les technologies de refroidissement au niveau des cartes, des sous-systèmes et des systèmes qui permettent aux centres de données modernes de fonctionner de manière efficace et efficiente.
Pourquoi les systèmes de refroidissement des centres de données jouent un rôle clé
La gestion thermique des centres de données est essentielle pour la fiabilité des équipements, l’efficacité énergétique, la prévention des pertes de données, l’optimisation des performances, la sécurité, les coûts, l’efficacité opérationnelle et la réduction de l’impact sur l’environnement.
Une gestion thermique efficace garantit que les composants électroniques individuels fonctionnent dans leur plage de température optimale, tout en optimisant la consommation d’énergie au niveau des composants. L’augmentation de la température des composants s’accompagne d’une augmentation de leur résistance interne, ce qui peut diminuer les performances ou augmenter la consommation d’énergie globale. Le sous-refroidissement des composants peut entraîner une augmentation massive de la consommation d’énergie de calcul. En revanche, un refroidissement excessif ou des systèmes de refroidissement inefficaces peuvent entraîner des dépenses d’énergie inutiles pour maintenir une consommation d’énergie de calcul optimisée.
Le coût des centres de données est directement lié à la consommation d’énergie. Des stratégies de gestion thermique efficaces réduisent les coûts d’exploitation globaux. En optimisant les coûts énergétiques du système de refroidissement par rapport aux coûts de consommation d’énergie informatique, les opérateurs de centres de données peuvent minimiser les coûts d’exploitation et répondre aux exigences de performance informatique.
Les trois niveaux de refroidissement du centre de données
Refroidissement au niveau de la carte
La principale source de chaleur dans les centres de données provient des unités de traitement telles que les CPU, les GPU et les TPU. Ces composants au niveau de la carte nécessitent une dissipation efficace de la chaleur pour maintenir des températures internes adéquates.
La méthode la plus courante de refroidissement au niveau de la carte utilise l’air comme moyen d’absorption de la chaleur. Les cartes des centres de données utilisent des dispositifs de refroidissement à base d’air tels que les dissipateurs de chaleur passifs, es caloducs, les chambres à vapeur, les ventilateurs de refroidissement actifs et les souffleries.
Un système de refroidissement liquide peut être utilisé lorsque les systèmes de gestion thermique refroidis par air ne fournissent pas les performances de refroidissement souhaitées. Les CPU, GPU, ASIC et accélérateurs de calcul refroidis par liquide se trouvent dans les centres de données à haute densité avec des exigences matérielles spécialisées qui génèrent de la chaleur au-delà de ce que les méthodes de refroidissement traditionnelles peuvent gérer. Le refroidissement liquide permet une dissipation plus efficace de la chaleur pour ce type de matériel courant dans les tâches de calcul haute performance (HPC) telles que l’apprentissage de l’IA, les simulations scientifiques, l’analyse de données complexes et le rendu graphique.
Sous-système de refroidissement
Le refroidissement par liquide peut être utilisé pour des centres de données entiers, mais constitue rarement une solution de refroidissement universelle en raison de sa complexité et de son coût élevés. De nombreux centres de données emploient diverses techniques de refroidissement d’une section à l’autre. Dans le cas des systèmes de refroidissement liquide localisé, la chaleur collectée est souvent évacuée par le liquide dans l’air, qui est ensuite transféré dans le reste des systèmes de refroidissement à base d’air du centre de données.
La gestion des flux d’air est une technique essentielle pour la gestion thermique globale des centres de données. Étant donné que la plupart des cartes des centres de données sont disposées dans des racks, les systèmes de refroidissement au niveau du rack peuvent comprendre des unités de refroidissement dédiées ou des ventilateurs montés sur le rack qui dirigent le flux d’air d’une section du centre de données à l’autre.
Les centres de données sont généralement organisés en configurations d’allées chaudes et froides, où un côté d’un serveur fait face à une allée froide et l’autre côté à une allée chaude. Les unités de refroidissement et les ventilateurs au niveau du rack aspirent l’air des allées froides, le font passer dans le rack afin de refroidir les cartes et les composants, puis rejettent l’air dans les allées chaudes. Les solutions de confinement des allées chaudes (HAC) enferment les allées à l’aide de barrières physiques et de portes afin de minimiser le mélange avec l’air ambiant ou refroidi, ce qui maintient l’efficacité.
Les unités de distribution d’eau glacée et de refroidissement liquide (CDU et LCDU) constituent une alternative au refroidissement des racks par l’air et font circuler de l’eau glacée dans l’ensemble d’un rack jusqu’aux dispositifs de refroidissement liquide au niveau de chaque carte. Les CDU se composent d’une boucle de refroidissement, d’une pompe et d’un système de contrôle qui peut distribuer le liquide de refroidissement en fonction de la demande. Ils se composent également d’un échangeur de chaleur qui expulse la chaleur générée à l’intérieur du rack vers le système de refroidissement par air ou par liquide du centre de données.
Le refroidissement par immersion liquide, la forme la plus rare de refroidissement de sous-systèmes de centres de données, est utilisé dans les secteurs de l’informatique et de la technologie de haute performance. Ces systèmes consistent à immerger des serveurs entiers dans des fluides diélectriques afin de refroidir directement et simultanément tous les composants de la carte. Cette méthode de refroidissement offre des capacités de refroidissement supérieures, mais elle requiert une infrastructure hautement spécialisée et n’est pas aussi évolutive que les systèmes de refroidissement à courant alternatif ou à eau réfrigérée. Les fluides diélectriques sont également coûteux, consommables, compliqués à entretenir et peuvent être dangereux pour l’environnement, c’est pourquoi la plupart des centres de données les utilisent avec parcimonie.
Refroidissement au niveau du système
Le refroidissement d’un centre de données entier exige une grande prévoyance en ce qui concerne l’infrastructure globale, la consommation d’énergie et la planification de l’emplacement. Plusieurs systèmes sont utilisés en fonction de la température, de l’humidité et des conditions ambiantes dans l’établissement. Le choix du système à utiliser dépend en grande partie de l’industrie et de la demande/utilisation prévue du centre de données.
Systèmes de climatisation de précision
Les systèmes de climatisation de précision tels que les climatiseurs de salles d’ordinateurs (CRAC) sont les systèmes de refroidissement les plus courants dans les centres de données. Les unités CRAC sont utilisées dans les centres de données qui utilisent de l’air forcé et refroidi pour refroidir les baies et utilisent un cycle de réfrigération centralisé pour ce faire, rejetant l’air chauffé dans l’environnement extérieur.
Les unités CRAC assurent un contrôle précis de la température et de l’humidité ainsi que la filtration de l’air, ce qui est crucial pour les équipements sensibles et le stockage des données, mais moins adapté aux applications HPC. Les systèmes de distribution de l’air refroidi des unités CRAC peuvent varier d’une configuration d’allée chaude/froide à des systèmes de distribution du sol au plafond à flux ascendant. Les systèmes d’air conditionné de précision sont le plus souvent utilisés dans les centres de données des secteurs de la banque, de la santé, de la technologie, du commerce électronique et du divertissement, en raison de la forte présence de stockage de données, de la demande quotidienne constante et du nombre réduit de racks HPC.
Exemple de configuration de refroidissement d’une baie à flux ascendant
Systèmes d’eau réfrigérée
Les systèmes à eau réfrigérée utilisent l’eau comme moyen de refroidissement circulant dans l’ensemble du centre de données. Ces systèmes, également appelés systèmes de refroidissement hydronique, sont utilisés par les industries à forte charge de calcul ou dans les très grands centres de données, en raison de leur évolutivité. Les systèmes à eau glacée sont plus efficaces et peuvent supporter des charges thermiques nettement plus élevées que les systèmes de climatisation, ce qui leur permet de gérer la demande de chaleur variable tout au long de la journée.
Les systèmes d’eau réfrigérée offrent également un grand nombre de redondances, ce qui rend l’ensemble du système plus fiable. Malheureusement, les systèmes à eau réfrigérée ont un coût initial plus élevé. L’équipement central, la tuyauterie de distribution et les systèmes de refroidissement au niveau des baies sont plus coûteux que les systèmes de refroidissement climatisés. Ces systèmes peuvent également être sujets à des fuites, ce qui nécessite une installation et une maintenance professionnelles afin d’éviter d’endommager le matériel serveur de valeur.
Cependant, en raison de leur fiabilité, de leur évolutivité et de leur capacité thermique accrue, les systèmes d’eau glacée sont couramment utilisés dans les secteurs des télécommunications, de l’administration, de l’énergie et des services publics, de la sécurité, de la fabrication et de la science. Les systèmes à eau réfrigérée sont la méthode de refroidissement privilégiée pour les systèmes à forte charge de calcul, que ce soit en raison de la densité de calcul ou de la taille globale..
Systèmes de refroidissement libres
Les systèmes de refroidissement libre exploitent les conditions environnementales externes pour refroidir les centres de données. Les systèmes de free cooling sont utilisés lorsque l’efficacité énergétique est une priorité, car ils réduisent la dépendance à l’égard des systèmes de refroidissement mécaniques. Ils fonctionnent en aspirant et en filtrant l’air frais extérieur, puis l’utilisent pour refroidir les baies du centre de données et évacuent l’air réchauffé vers l’environnement extérieur. Ces systèmes n’existent que lorsque l’environnement externe les soutient, ce qui les rend moins courants et ne les rend utilisables que dans certaines industries à faible demande de calcul.
Le refroidissement des centres de données est un élément essentiel
La plupart des centres de données sont refroidis par un système de climatisation traditionnel ou par un système d’eau réfrigérée. Les densités thermiques du centre de données, l’espace disponible, la situation géographique et les contraintes de coût sont les facteurs de décision les plus courants entre les deux systèmes. Les centres de données HPC les plus avancés peuvent être constitués de systèmes complexes de gestion thermique par immersion liquide, ce qui constitue la solution de gestion thermique la plus performante. Cependant, leur coût et leur complexité les rendent peu courants. La conception hautement personnalisée des systèmes de refroidissement au niveau des cartes, des sous-systèmes et des centres de données dépend largement des exigences de l’industrie, de l’évolutivité, de la fiabilité et des objectifs d’efficacité énergétique. Quoi qu’il en soit, les solutions de gestion thermique sont essentielles au fonctionnement des centres de données modernes.
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