A evolución do arrefriamento do centro de datos: dos métodos baseados en aire ao free cooling

Definición do problema

O crecente crecemento da infraestrutura do centro de datos e o aumento simultáneo na utilización de equipos informáticos levaron a un aumento do consumo de electricidade.

Dado que os servidores, compoñentes integrantes dos centros de datos, converten a electricidade en calor mentres funcionan, enfrontámonos ao problema de tratar con altas temperaturas e instalacións e equipos fríos do centro de datos.

Lembremos con vivacidade os fundamentos da física escolar: seguindo os principios fundamentais da termodinámica, a enerxía non desaparece senón que se transforma. Así, se un centro de datos consome 1 MW de electricidade, toda esta cantidade de enerxía transfórmase nunha cantidade equivalente de calor. En consecuencia, canto máis electricidade se consuma, maior será o desafío de xestionar a calor resultante dentro do centro de datos.

A situación complícase aínda máis, xa que os equipos informáticos poden ter niveis de consumo de enerxía variables ao mesmo tempo que teñen tamaños físicos dispares. Por exemplo, os equipos con alto consumo de enerxía poden ter un tamaño pequeno, o que supón problemas para arrefriar eficientemente a calor concentrada. Por outra banda, os equipos informáticos máis grandes cun consumo eléctrico relativamente moderado son máis fáciles de arrefriar debido á súa maior superficie. Os centros de datos adoitan albergar unha mestura de tamaños de equipos e niveis de consumo, o que presenta o desafío non só de arrefriar diversos equipos informáticos, senón tamén de facelo a diferentes velocidades, ditadas polos requisitos de temperatura de cada tipo de equipo. Nin que dicir ten que para arrefriar o DC necesitamos cantidades substanciais de electricidade, o que se suma aos custos operativos.

O problema do uso eficiente da enerxía nos centros de datos faise especialmente agudo co aumento global dos prezos da electricidade. Segundo o informe de Statista os prezos mundiais da electricidade disparáronse ata un máximo histórico entre 2021 e 2022. Cando a crise sanitaria do COVID-19 diminuíu no segundo semestre de 2021, a demanda de enerxía aumentou e os prezos da electricidade alcanzaron un primeiro récord. A principios de 2022, o mercado enerxético volveu endurecerse e a crise enerxética intensificouse.

O consumo de electricidade do centro de datos está crecendo a pesar de aumentar a eficiencia do rendemento.

Noutras palabras, aínda que o rendemento por vatio está mellorando, a demanda de recursos crece aínda máis rápido, polo que o consumo xeral aumenta inevitablemente, así como os custos. Non obstante, pódese conseguir un aforro substancial de custos optimizando os sistemas de refrixeración. Isto fíxome querer ter unha ollada máis profunda aos métodos de arrefriamento eficientes en xeral e ao free cooling en particular.

A avaliación dos niveis de consumo de enerxía nos centros de datos adoita depender da métrica de Eficacia do Uso de Enerxía (PUE). PUE mide a eficiencia dun centro de datos avaliando o consumo total de enerxía fronte ao utilizado exclusivamente para os equipos informáticos. Falarémolo con máis detalle un pouco máis adiante. O que necesitamos saber agora é que un PUE máis baixo significa un centro de datos máis eficiente, o que indica unha dependencia reducida da potencia non informática. Ante o crecemento das infraestruturas e o aumento do consumo de electricidade, a optimización do PUE con sistemas de refrixeración máis eficientes proporciona prudencia financeira e operacións sostibles.

Neste artigo, exploraremos métodos de refrixeración tradicionais e innovadores e descubriremos cal deles ofrece a máxima eficiencia.

Visión xeral dos métodos de refrixeración

Aire e non aire

Nunha clasificación simplificada, as técnicas de refrixeración pódense delinear en dúas categorías principais: métodos baseados no aire e métodos non baseados no aire. Para elaborar, a refrixeración por aire abarca enfoques convencionais, mentres que a categoría non aire inclúe diversos métodos que empregan substancias como auga, aceite ou materiais sólidos. Cabe destacar que a inmensa maioría, que constitúe o 99%, dos métodos de refrixeración caen baixo o paraugas de arrefriamento por aire.

Aire acondicionado

Os sistemas de aire acondicionado son o medio máis frecuente de arrefriamento de aire nas instalacións profesionais de centros de datos. O seu principio fundamental reflicte o dos aires acondicionados residenciais: o aire que flúe polos servidores fai circular a través dun aire acondicionado, arrefríase a través dunha reixa do radiador e, a continuación, fai circular de novo nos servidores. Este proceso cíclico garante un mecanismo de arrefriamento continuo.

Refrixeradores

Despois dos aire acondicionado, os chillers representan o segundo sistema de refrixeración máis adoptado. A diferenza dos aire acondicionado, os refrixeradores empregan auga (ou unha solución a base de auga) para transferir calor lonxe dos espazos que requiren control climático. Aínda que o aire acondicionado é máis sinxelo e en xeral máis económico, os seus custos enerxéticos máis elevados ás veces poden ser un elemento disuasorio para as empresas. Por outra banda, os sistemas de auga fría son máis eficientes enerxéticamente, pero requiren máis compoñentes e complexidades na súa instalación e mantemento.

Cámaras adiabáticas e alfombras

O arrefriamento adiabático implica o uso de cámaras ou alfombras onde se verte auga e se evapora. A medida que a auga se evapora, as cámaras e as alfombras arrefríanse xunto co aire do interior. Aínda que o arrefriamento adiabático representa unha terceira opción viable, considérase algo exótico e non se emprega habitualmente no arrefriamento do centro de datos en comparación cos equipos de aire acondicionado e refrixeradores.

Refrixeración por auga

Nos sistemas de refrixeración por auga úsanse auga ou líquidos que conteñan auga para disipar a calor. Os tubos de auga colócanse estratexicamente nas salas de servidores, con cada servidor conectado a dous tubos: un para a saída de auga quente e outro para a entrada de auga fría. Os radiadores de CPU, GPU e outros equipos están ligados directamente a este sistema de abastecemento de auga. Este enfoque non só arrefría o equipo e as instalacións do centro de datos, senón que tamén xera un abastecemento de auga morna para usos adicionais.

Intercambiadores de calor

Este método mellora a eficiencia de refrixeración aproveitando ambientes fríos externos.

Cando se dispón dunha fonte de frío próxima, como un lago, un mar ou un terreo frío, pódense colocar conducións de auga directamente nela para transmitir grandes cantidades de calor dos equipos informáticos.

Exóticos

Tamén hai métodos non convencionais. Un deles baséase en elementos Peltier ou enfriadores termoeléctricos (TEC). Este enfoque baséase en efectos de semicondutores e implica subministrar electricidade a unha placa especial que se quenta por un lado e arrefría por outro.

Outro enfoque de vangarda é o despregamento de centros de datos submarinos. En Proxecto Natick de Microsoft , por exemplo, un centro de datos foi mergullado a 117 pés de profundidade nas Illas do Norte na primavera de 2018. Durante os dous anos seguintes, o equipo realizou probas e seguimento rigorosos dos servidores do centro de datos. Confirmouse que colocar un recipiente selado no fondo do océano podería mellorar a fiabilidade global do centro de datos mitigando problemas como a corrosión, as flutuacións de temperatura e as perturbacións físicas que normalmente ocorren na terra.

Free Cooling

Esta técnica está especialmente dirixida a maximizar a eficiencia de arrefriamento. A refrixeración gratuíta refresca o aire nun centro de datos sen depender dos sistemas de refrixeración tradicionais. Utiliza o aire exterior natural tal e como está. Normalmente, o aire exterior só está suxeito ao control da humidade e despois os procesos termodinámicos naturais regulan as temperaturas dentro das salas de datos.

Este método reduce significativamente o consumo de enerxía (entre un 75 % e un 92 % menos en comparación con outros sistemas CRAH), reduce as emisións de dióxido de carbono e elimina a necesidade de auga no sistema de refrixeración.

O free cooling é unha das opcións máis ecolóxicas que require menos enerxía. Ademais, pode axudar a aforrar custos xa que o 40% da enerxía que usan os centros de datos se destina a refrixeración. Este sistema mellora o rendemento de todos os equipos refrixerados por aire, mesmo en condicións difíciles. Aquí tes unha representación visual sinxela do proceso de free-cooling:

Como podes ver o sistema funciona dun xeito moi sinxelo, canalizando o aire exterior a través de filtros, equipos informáticos e expulsándoo. Esta redución da complexidade, con só ventiladores como posibles vulnerabilidades, reforza a fiabilidade global dun DC en free cooling.

A diferenza dos sistemas con equipos complexos, a ausencia de compoñentes complexos tamén reduce tanto os custos de configuración iniciais como os gastos de mantemento continuos. Así que as vantaxes financeiras comezan xa na fase de construción, onde o deseño simplificado do free cooling tradúcese nun aforro tanxible.

A agonía da elección

Durante as conferencias e reunións, adoito recibir numerosas preguntas que xiran arredor do paradoxo: se o free cooling é tan vantaxoso en termos de aforro de custos e sinxeleza, por que non se adopta universalmente na industria?

Isto leva á pregunta máis ampla de por que, a pesar dos seus beneficios, só un número limitado de empresas adoptaron o free cooling, mentres que outras persisten cos métodos convencionais. A resposta a isto reside nun exame multifacético da dinámica da industria imperante.

Ditadura da industria

Na industria dos centros de datos, onde a fiabilidade é de primordial importancia, a adopción de solucións innovadoras adoita enfrontarse a resistencia. Atribúo isto, en primeiro lugar, ao carácter conservador da industria de DC, onde os que toman decisións priorizan os conceptos comprobados sobre as solucións innovadoras.

Aínda que as novas tecnoloxías como o free cooling prometen rendibilidade e eficiencia, os representantes da industria prefiren enfoques tradicionais pero fiables para garantir o funcionamento perfecto dos servidores.

Obstáculos de mercadotecnia

Outro punto aquí é que os provedores comerciais de DC, que constitúen preto do 80% da industria, confían en certificacións de organismos independentes como o Instituto Uptime para comercializar a súa fiabilidade. Non obstante, isto supón un desafío para as solucións de free cooling, xa que aínda non existe unha certificación establecida para elas. Esta situación leva aos provedores comerciais a resistir os métodos de refrixeración alternativos, citando incertezas sobre a súa fiabilidade e a ausencia dun precedente de certificación.

Preocupacións polo quecemento global

Os críticos adoitan expresar preocupacións sobre o impacto do quecemento global na viabilidade do free cooling. No entanto, o argumento é desmentido ao recoñecer a natureza gradual do quecemento global, cun aumento aproximado de 1,5 graos durante unha década. É improbable que este modesto cambio de temperatura comprometa a estabilidade das solucións de free cooling a curto prazo.

Argumento "por se acaso".

Unha práctica máis común para as empresas que elixen un método de refrixeración de CC é a inclusión de unidades de aire acondicionado de reserva como medida de precaución ademais do free cooling. Este argumento "por se acaso" socava o concepto central de free cooling, introducindo complexidade innecesaria e comprometendo a eficiencia financeira e operativa.

Mesmo para un pequeno aire acondicionado, xorde a necesidade de proporcionar varios compoñentes como freón, fíos, líquidos, sistemas e controis. En lugar de aceptar a idea de ter un aire acondicionado de reserva, a industria debería centrarse en adaptar o seu sistema de free cooling a unha ampla gama de condicións sen depender de falsas esperanzas.

Riscos e consideracións reais

Cando se contempla unha solución de free cooling, algúns riscos e consideracións tanxibles requiren atención. Unha consideración principal é a rexión xeográfica, xa que a implantación de free cooling nunha rexión como os Emiratos Árabes pode non estar xustificada.

A accesibilidade é outro aspecto a ter en conta. A rexión seleccionada debe posuír a infraestrutura necesaria e ser facilmente accesible por persoal especializado encargado do mantemento do centro de datos. A conectividade, incluída a dispoñibilidade de liñas ópticas, tamén é importante. Por exemplo, establecer un centro de datos de refrixeración gratuíta máis aló do Círculo Polar Ártico faise pouco práctico debido á ausencia de liñas de comunicación e ao desafío de manter unha forza de traballo cualificada.

Máis aló destas consideracións loxísticas, as únicas restricións para o free cooling corresponden á temperatura máxima da rexión (aprox. 38-40 graos) e á calidade do aire. As zonas con excesiva contaminación, como as próximas a estradas transitadas ou actividades agrícolas intensas, poden supoñer problemas. Aínda que non existe unha prohibición absoluta, os filtros nestes lugares necesitarán substitucións frecuentes. A diferenza dos centros de datos convencionais con aire acondicionado que circulan aire interno, os centros de free-cooling extraen aire exterior, esixindo un mantemento máis dilixente dos filtros. Outros parámetros de localización alíñanse cos aplicables aos centros de datos tradicionais.

Pioneiros e tendencias futuras

A pesar do carácter conservador da industria, algunhas empresas corporativas con visión de futuro avalían os beneficios tanxibles das alternativas. Calculando a rendibilidade do free cooling a través da análise numérica, dan conta do posible aforro de custos que ofrece.

Varias empresas destacadas, como Facebook (agora Meta), Google, Amazon, Yandex e Wildberries, son pioneiras na adopción da tecnoloxía de free cooling. O seu estado de pioneiro deriva da súa vontade de avaliar os riscos e recoñecer as vantaxes financeiras inherentes a esta tecnoloxía. A elección destas empresas era clara: ou optar por esquemas convencionais e incorrer en custos máis elevados ou asumir os riscos e beneficios de converterse en pioneiros na refrigeración do centro de datos.

O panorama en evolución da industria indica unha tendencia crecente entre os hiperescaladores corporativos cara a implementar solucións de free cooling. A medida que máis empresas recoñecen a rendibilidade e as vantaxes operativas desta tecnoloxía, prevese que no futuro xurda un número crecente de centros de datos de refrixeración sen corporativos.

Se estás interesado en aprender máis sobre a física do free cooling, explora o tema no meu novo artigo Free Cooling: Technology Deep Dive.