L'evolució de la refrigeració del centre de dades: dels mètodes basats en l'aire a la refrigeració lliure

Definició del problema

El creixement creixent de la infraestructura del centre de dades i l'augment concurrent de la utilització d'equips informàtics han provocat un augment del consum d'electricitat.

Com que els servidors, components integrals dels centres de dades, converteixen l'electricitat en calor mentre funcionen, ens enfrontem al problema d'afrontar les altes temperatures i les instal·lacions i els equips del centre de dades freds.

Recordem amb força els fonaments de la física escolar: seguint els principis fonamentals de la termodinàmica, l'energia no desapareix sinó que es transforma. Així, si un centre de dades consumeix 1 MW d'electricitat, tota aquesta quantitat d'energia es transforma en una quantitat equivalent de calor. En conseqüència, com més electricitat es consumeixi, més gran serà el repte de gestionar la calor resultant dins del centre de dades.

La situació es torna encara més complicada, ja que els equips informàtics poden tenir diferents nivells de consum d'energia alhora que tenen mides físiques dispars. Per exemple, els equips amb un alt consum d'energia poden tenir una mida petita, cosa que suposa problemes per refredar de manera eficient la calor concentrada. D'altra banda, els equips informàtics més grans amb una taxa de consum elèctric relativament moderada són més fàcils de refredar a causa de la seva superfície més gran. Els centres de dades solen albergar una combinació de mides d'equip i nivells de consum, la qual cosa presenta el repte no només de refrigerar equips informàtics diversos, sinó també de fer-ho a diferents velocitats, dictades pels requisits de temperatura de cada tipus d'equip. No cal dir que per refredar el corrent continu necessitem quantitats substancials d'electricitat, que s'afegeixen als costos operatius.

El problema de l'ús eficient de l'energia als centres de dades es torna especialment agut amb l'augment global dels preus de l'electricitat. Segons l'informe de Statista els preus mundials de l'electricitat es van disparar fins a un màxim històric entre el 2021 i el 2022. Quan la crisi sanitària de la COVID-19 va disminuir la segona meitat del 2021, la demanda d'energia va augmentar i els preus de l'electricitat van assolir un màxim rècord. A principis del 2022, el mercat energètic es va tornar a endurir i la crisi energètica es va intensificar.

El consum d'electricitat del centre de dades està creixent malgrat l'augment de l'eficiència del rendiment.

En altres paraules, tot i que el rendiment per watt està millorant, la demanda de recursos creix encara més ràpidament, de manera que el consum global augmenta inevitablement així com els costos. Tanmateix, es poden aconseguir estalvis substancials de costos optimitzant els sistemes de refrigeració. Això em va fer voler aprofundir en els mètodes de refrigeració eficients en general i en el free cooling en particular.

L'avaluació dels nivells de consum d'energia als centres de dades normalment es basa en la mètrica d'efectivitat de l'ús d'energia (PUE). PUE mesura l'eficiència d'un centre de dades avaluant el consum total d'energia en comparació amb el que s'utilitza exclusivament per als equips informàtics. En parlarem amb més detall una mica més endavant. El que hem de saber ara és que un PUE més baix significa un centre de dades més eficient, cosa que indica una dependència reduïda de la potència no informàtica. Davant de la creixent infraestructura i l'escalada del consum d'electricitat, l'optimització de PUE amb sistemes de refrigeració més eficients proporciona prudència financera i operacions sostenibles.

En aquest article, explorarem mètodes de refrigeració tradicionals i innovadors i descobrirem quins ofereixen la màxima eficiència.

Visió general dels mètodes de refrigeració

Aire i no aeri

En una classificació simplificada, les tècniques de refrigeració es poden delimitar en dues categories principals: mètodes basats en l'aire i mètodes no basats en l'aire. Per elaborar-ho, la refrigeració per aire inclou enfocaments convencionals, mentre que la categoria no aire inclou diversos mètodes que utilitzen substàncies com l'aigua, l'oli o els materials sòlids. Cal destacar que la gran majoria, que constitueixen el 99%, dels mètodes de refrigeració es troben sota el paraigua de refrigeració per aire.

Aire condicionat

Els sistemes d'aire condicionat són el mitjà més freqüent de refrigeració d'aire a les configuracions professionals de centres de dades. El seu principi fonamental reflecteix el dels aparells d'aire condicionat residencials: l'aire que flueix pels servidors es fa circular a través d'un aparell d'aire condicionat, es refreda a través d'una reixa del radiador i després es torna a circular als servidors. Aquest procés cíclic garanteix un mecanisme de refredament continu.

Enfriadors

Després dels aparells d'aire condicionat, els refrigeradors representen el segon sistema de refrigeració més utilitzat. A diferència dels aparells d'aire condicionat, els refrigeradors utilitzen aigua (o una solució a base d'aigua) per transferir la calor lluny dels espais que requereixen control climàtic. Tot i que l'aire condicionat és més senzill i generalment més assequible, els seus costos energètics més elevats de vegades poden ser un element dissuasiu per a les empreses. D'altra banda, els sistemes d'aigua refrigerada són més eficients energèticament, però requereixen més components i complexitats en la seva instal·lació i manteniment.

Cambres i estores adiabàtiques

El refredament adiabàtic implica l'ús de cambres o estores on s'aboca i s'evapora l'aigua. A mesura que l'aigua s'evapora, les cambres i les estores es refreden juntament amb l'aire de l'interior. Tot i que la refrigeració adiabàtica representa una tercera opció viable, es considera una mica exòtica i no s'utilitza tan habitualment en la refrigeració del centre de dades en comparació amb els aparells d'aire condicionat i refrigeradors.

Refrigeració per aigua

En els sistemes de refrigeració d'aigua, s'utilitzen aigua o líquids que contenen aigua per a la dissipació de la calor. Les canonades d'aigua es col·loquen estratègicament a les sales de servidors, amb cada servidor connectat a dues canonades: una per a la sortida d'aigua calenta i l'altra per a l'entrada d'aigua freda. Els radiadors de les CPU, les GPU i altres equips estan connectats directament amb aquest sistema de subministrament d'aigua. Aquest enfocament no només refreda l'equip i les instal·lacions del centre de dades, sinó que també genera un subministrament d'aigua calenta per a usos addicionals.

Bescanviadors de calor

Aquest mètode millora l'eficiència de refrigeració aprofitant entorns freds externs.

Quan hi ha disponible una font freda propera, com ara un llac, un mar o un terreny fred, es poden instal·lar canonades d'aigua directament a ella per transmetre grans quantitats de calor dels equips informàtics.

Exòtics

També hi ha mètodes poc convencionals. Un d'ells es basa en elements Peltier o refrigeradors termoelèctrics (TEC). Aquest enfocament es basa en efectes de semiconductors i implica subministrar electricitat a una placa especial que s'escalfa per un costat i es refreda per l'altre.

Un altre enfocament avantguardista és el desplegament de centres de dades submarins. En Projecte Natick de Microsoft , per exemple, un centre de dades es va submergir a 117 peus de profunditat a les illes del nord a la primavera del 2018. Durant els dos anys següents, l'equip va dur a terme proves i un seguiment rigorosos dels servidors del centre de dades. Es va confirmar que col·locar un contenidor segellat al fons de l'oceà podria millorar la fiabilitat global del centre de dades mitigant problemes com la corrosió, les fluctuacions de temperatura i les pertorbacions físiques que solen produir-se a terra.

Free Cooling

Aquesta tècnica està especialment orientada a maximitzar l'eficiència de refrigeració. La refrigeració gratuïta refresca l'aire dins d'un centre de dades sense dependre dels sistemes de refrigeració tradicionals. Utilitza l'aire exterior natural tal com és. Normalment, l'aire exterior només està subjecte al control d'humitat i després els processos termodinàmics naturals regulen les temperatures dins de les sales de dades.

Aquest mètode redueix significativament el consum d'energia (del 75% al ​​92% menys en comparació amb altres sistemes CRAH), redueix les emissions de diòxid de carboni i elimina la necessitat d'aigua al sistema de refrigeració.

La refrigeració lliure és una de les opcions més ecològiques que requereix menys energia. A més, pot ajudar a estalviar costos, ja que el 40% de l'energia utilitzada pels centres de dades es destina a la refrigeració. Aquest sistema millora el rendiment de tots els equips refrigerats per aire, fins i tot en condicions difícils. Aquí teniu una representació visual senzilla del procés de refrigeració lliure:

Com podeu veure, el sistema funciona d'una manera molt senzilla, canalitzant l'aire exterior a través de filtres, equips informàtics i expulsant-lo. Aquesta reducció de la complexitat, amb només ventiladors com a vulnerabilitats potencials, reforça la fiabilitat global d'un DC en refrigeració lliure.

A diferència dels sistemes amb equipament complex, l'absència de components complexos també redueix tant els costos de configuració inicials com les despeses de manteniment en curs. Així, els avantatges financers comencen ja en l'etapa de construcció, on el disseny racionalitzat del free cooling es tradueix en estalvis tangibles.

L'agonia de l'elecció

Durant les conferències i reunions, sovint em surten nombroses preguntes que giren al voltant de la paradoxa: si el free cooling és tan avantatjós pel que fa a l'estalvi de costos i la simplicitat, per què no s'adopta universalment al sector?

Això provoca la pregunta més àmplia de per què, malgrat els seus beneficis, només un nombre limitat d'empreses han adoptat el free cooling, mentre que altres persisteixen amb els mètodes convencionals. La resposta a això es troba en un examen polifacètic de la dinàmica de la indústria predominant.

Dictadura de la indústria

A la indústria dels centres de dades, on la fiabilitat és de primordial importància, l'adopció de solucions innovadores sovint s'enfronta a resistència. Ho atribueixo, en primer lloc, a la naturalesa conservadora de la indústria de DC, on els responsables de la presa de decisions prioritzen els conceptes provats per sobre de les solucions innovadores.

Tot i que les noves tecnologies com la refrigeració gratuïta prometen rendibilitat i eficiència, els representants de la indústria preferirien enfocaments tradicionals però fiables per garantir el funcionament perfecte dels servidors.

Obstacles de màrqueting

Un altre punt aquí és que els proveïdors comercials de DC, que constitueixen al voltant del 80% de la indústria, es basen en certificacions d'organismes independents com el Uptime Institute comercialitzar la seva fiabilitat. Tanmateix, això suposa un repte per a les solucions de free cooling, ja que encara no hi ha una certificació establerta per a aquestes solucions. Aquesta situació porta els proveïdors comercials a resistir els mètodes de refrigeració alternatius, citant incerteses sobre la seva fiabilitat i l'absència d'un precedent de certificació.

Preocupacions per l'escalfament global

Els crítics sovint plantegen preocupacions sobre l'impacte de l'escalfament global en la viabilitat del free cooling. Tanmateix, l'argument es desacredita reconeixent la naturalesa gradual de l'escalfament global, amb un augment aproximat d'1,5 graus durant una dècada. És poc probable que aquest canvi modest de temperatura comprometi l'estabilitat de les solucions de refrigeració lliure a curt termini.

Argument "per si de cas".

Una pràctica més habitual per a les empreses que trien un mètode de refrigeració de corrent continu és la inclusió d'unitats d'aire condicionat de seguretat com a mesura de precaució a més de la refrigeració lliure. Aquest argument "per si de cas" soscava el concepte bàsic de free cooling, introduint una complexitat innecessària i comprometent l'eficiència financera i operativa.

Fins i tot per a un petit aire condicionat, sorgeix la necessitat de proporcionar diversos components com ara freó, cables, líquids, sistemes i controls. En lloc d'adoptar la idea de tenir un aire condicionat de seguretat, la indústria s'hauria de centrar a adaptar el seu sistema de refrigeració lliure a una àmplia gamma de condicions sense dependre de falses esperances.

Riscos i consideracions reals

Quan es contempla una solució de refrigeració lliure, alguns riscos i consideracions tangibles requereixen atenció. Una consideració principal és la regió geogràfica, ja que el desplegament de la refrigeració lliure en una regió com els Emirats Àrabs podria no estar justificat.

L'accessibilitat és un altre aspecte a tenir en compte. La regió seleccionada ha de tenir la infraestructura necessària i ser fàcilment accessible per personal especialitzat encarregat del manteniment del centre de dades. La connectivitat, inclosa la disponibilitat de línies òptiques, també és important. Per exemple, establir un centre de dades de refrigeració gratuïta més enllà del cercle polar àrtic esdevé poc pràctic a causa de l'absència de línies de comunicació i el repte de mantenir una mà d'obra qualificada.

Més enllà d'aquestes consideracions logístiques, les úniques restriccions per al free cooling es refereixen a la temperatura màxima de la regió (aprox. 38-40 graus) i la qualitat de l'aire. Les zones amb una contaminació excessiva, com ara les properes a carreteres transitades o activitats agrícoles intenses, poden suposar problemes. Tot i que no hi ha cap prohibició absoluta, els filtres en aquestes ubicacions hauran de substituir-se amb freqüència. A diferència dels centres de dades convencionals amb aire condicionat que circulen l'aire intern, els centres de refrigeració lliure absorbeixen l'aire exterior i exigeixen un manteniment més diligent del filtre. Altres paràmetres d'ubicació s'alineen amb els aplicables als centres de dades tradicionals.

Pioners i tendències de futur

Malgrat el caràcter conservador de la indústria, algunes empreses corporatives amb visió de futur avaluen els beneficis tangibles de les alternatives. Calculant la rendibilitat del free cooling mitjançant l'anàlisi numèrica, s'adonen dels possibles estalvis de costos que ofereix.

Diverses empreses destacades, com Facebook (ara Meta), Google, Amazon, Yandex i Wildberries, són pioneres en l'adopció de la tecnologia de refrigeració gratuïta. El seu estat pioner prové de la seva voluntat d'avaluar els riscos i reconèixer els avantatges financers inherents a aquesta tecnologia. L'elecció d'aquestes empreses era clara: o bé optar per esquemes convencionals i incórrer en costos més elevats o assumir els riscos i els beneficis de convertir-se en pioners en la refrigeració del centre de dades.

El panorama en evolució de la indústria indica una tendència creixent entre els hiperescaladors corporatius cap a la implementació de solucions de refrigeració gratuïta. A mesura que més empreses reconeixen la rendibilitat i els avantatges operatius d'aquesta tecnologia, es preveu que en el futur sorgeixi un nombre creixent de centres de dades de refrigeració sense corporacions.

Si esteu interessats a aprendre més sobre la física del refredament lliure, exploreu el tema al meu nou article Free Cooling: Technology Deep Dive.