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Gordon Johnson, Gerente Sênior de CFD, Subzero Engineering
O aumento das densidades de rack e energia está gerando um interesse significativo em refrigeração líquida por vários motivos. No entanto, a sugestão de que um tamanho serve para todos ignora um dos aspectos mais fundamentais da adoção que pode dificultar a adoção – que muitos aplicativos de data center continuarão a utilizar o ar como a solução mais eficiente e econômica para seus requisitos de resfriamento. O futuro é, sem dúvida, híbrido e, ao usar resfriamento a ar, contenção e resfriamento líquido juntos, proprietários e operadores podem otimizar e preparar seus ambientes de data center para o futuro.
Hoje, muitos data centers estão experimentando densidade de energia crescente por rack de TI, subindo para níveis que apenas alguns anos atrás pareciam extremos e fora de alcance, mas hoje são considerados comuns e típicos ao mesmo tempo em que implementam o resfriamento a ar. Em 2020, por exemplo, o Uptime Institute descobriu que, devido às cargas de trabalho intensivas em computação, racks com densidades de 20kW ou mais estão se tornando uma realidade para muitos data centers.
Esse aumento deixou as partes interessadas do data center se perguntando se o equipamento de TI refrigerado a ar (ITE) junto com a contenção usada para separar o ar frio de suprimento do ar quente de exaustão finalmente atingiram seus limites e se o resfriamento líquido é a solução de longo prazo. No entanto, a resposta não é tão simples quanto sim ou não.
No futuro, espera-se que os datacenters façam a transição de 100% de refrigeração a ar para um modelo híbrido, abrangendo soluções de refrigeração líquida e a ar com todos os datacenters refrigerados a ar novos e existentes que exigem contenção para melhorar a eficiência, o desempenho e a sustentabilidade. Além disso, aqueles que estão mudando para refrigeração líquida ainda podem precisar de contenção para dar suporte a seus aplicativos de missão crítica, dependendo do tipo de tecnologia de servidor implantada.
Alguém pode perguntar por que o debate sobre refrigeração a ar versus líquido é um tema tão quente na indústria agora? Para responder a essa pergunta, precisamos entender o que está motivando a necessidade de refrigeração líquida, as outras opções e como podemos avaliar essas opções enquanto continuamos a utilizar o ar como o principal mecanismo de resfriamento.
O resfriamento a ar e líquido podem coexistir?
Para aqueles que são mais novos na indústria, esta é uma posição em que estivemos antes, com refrigeração a ar e líquido coexistindo com sucesso, enquanto removemos quantidades substanciais de calor por meio de trocadores de calor ar-água intra-placa. Esse processo continuou até que a indústria mudou principalmente para a tecnologia CMOS na década de 1990 e, desde então, usamos o resfriamento a ar em nossos data centers.
Sendo o ar a principal fonte usada para resfriar data centers, a ASHRAE (American Society of Heating, Refrigeration and Air Conditioning Engineers) tem trabalhado para tornar essa tecnologia o mais eficiente e sustentável possível. Desde 2004, publicou um conjunto comum de critérios para resfriar servidores de TI com a participação de ITE e fabricantes de sistemas de resfriamento intitulado ‘TC9.9 Diretrizes Térmicas para Ambientes de Processamento de Dados’.
A ASHRAE concentrou-se na eficiência e confiabilidade do resfriamento do ITE no data center. Várias revisões foram publicadas, sendo a última lançada em 2021 (revisão 5). Este TC9.9 de última geração destaca uma nova classe de ITE refrigerado a ar de alta densidade (classe H1), que se concentra mais no resfriamento de servidores e racks de alta densidade com uma compensação em termos de eficiência energética devido a temperaturas de ar de fornecimento de resfriamento mais baixas recomendado para resfriar o ITE.
Quanto à questão de saber se o ar e o resfriamento líquido podem ou não coexistir no espaço em branco do data center, já é feito há décadas e, no futuro, muitos especialistas esperam ver essas duas tecnologias de resfriamento coexistindo nos próximos anos.
O que as tendências de energia do servidor revelam?
É fácil supor que, quando se trata de resfriamento, um tamanho único servirá para todos em termos de consumo de energia e resfriamento, tanto agora quanto no futuro, mas isso não é exato. É mais importante focar na carga de trabalho real do data center que estamos projetando ou operando.
No passado, uma suposição comum com o resfriamento a ar era que, uma vez que você ultrapassava 25kW por rack, era hora de fazer a transição para o resfriamento líquido. Mas a indústria fez algumas mudanças em relação a isso, permitindo que os data centers resfriem até e até excedam 35kW por rack com resfriamento a ar tradicional.
Os centros de dados científicos, que incluem principalmente aplicativos baseados em GPU, como aprendizado de máquina, IA e alta análise, como mineração criptográfica, são as áreas da indústria que normalmente estão em transição ou caminhando para o resfriamento líquido. Mas se você olhar para algumas outras cargas de trabalho, como a nuvem e a maioria das empresas, a taxa de crescimento está aumentando, mas ainda faz sentido para resfriamento a ar em termos de custo. A chave é olhar para esta questão de uma perspectiva de negócios, o que estamos tentando realizar com cada centro de dados?
O que está impulsionando o crescimento de energia do servidor?
Até cerca de 2010, as empresas utilizavam processadores single-core, mas uma vez disponíveis, eles fizeram a transição para processadores multi-core, no entanto, ainda havia um consumo de energia relativamente estável com esses processadores dual e quad-core. Isso permitiu que os fabricantes de servidores se concentrassem em taxas de fluxo de ar mais baixas para resfriar o ITE, o que resultou em melhor eficiência geral.
Por volta de 2018, com o tamanho desses processadores diminuindo continuamente, os processadores multi-core mais altos se tornaram a norma e, com eles atingindo seus limites de desempenho, a única maneira de continuar a alcançar os novos níveis de desempenho por aplicativos de computação intensiva é aumentando o consumo de energia . Os fabricantes de servidores têm empacotado o máximo que podem nos servidores, mas devido ao consumo de energia da CPU, em alguns casos, os datacenters estavam tendo dificuldade em remover o calor com resfriamento a ar, criando a necessidade de soluções alternativas de resfriamento, como líquido.
Os fabricantes de servidores também vêm aumentando o delta de temperatura nos servidores há vários anos, o que novamente tem sido ótimo para eficiência, pois quanto maior o delta de temperatura, menos fluxo de ar é necessário para remover o calor. No entanto, os fabricantes de servidores estão, por sua vez, atingindo seus limites, fazendo com que os operadores de data centers tenham que aumentar o fluxo de ar para resfriar servidores de alta densidade e acompanhar o aumento do consumo de energia.
Opções adicionais para refrigeração a ar
Felizmente, há várias abordagens que a indústria está adotando para resfriar densidades de energia de até 35 kW por rack e até mais que 35kW por rack com sucesso, geralmente com resfriamento a ar tradicional. Essas opções começam com a implantação de contenção de corredor frio ou quente. Se nenhuma contenção for usada normalmente, as densidades do rack não devem ser superiores a 5kW por rack, com fluxo de ar de suprimento adicional necessário para compensar o ar de recirculação e os pontos quentes.
E quanto a baixar as temperaturas? Em 2021, ASHRAE lançou seus 5º geração TC9.9, que destacou uma nova classe de equipamentos de TI refrigerados a ar de alta densidade, que precisarão usar temperaturas de alimentação mais restritivas do que a classe anterior de servidores.
Em algum momento, os servidores e racks de alta densidade também precisarão fazer a transição do ar para o resfriamento líquido, especialmente com CPUs e GPUs que devem exceder 500 W por processador ou mais nos próximos anos. Mas essa transição não é automática e não será para todos.
O resfriamento líquido não será a solução ou solução ideal para todos os requisitos de resfriamento futuros. Em vez disso, a seleção de resfriamento líquido em vez de resfriamento a ar tem a ver com uma variedade de fatores, incluindo localização específica, clima (temperatura/umidade), densidades de energia, cargas de trabalho, eficiência, desempenho, reutilização de calor e espaço físico disponível.
Isso destaca a necessidade de as partes interessadas do data center adotarem uma abordagem holística para resfriar seus sistemas críticos. Não será e não deve ser uma abordagem em que apenas o resfriamento a ar ou apenas líquido seja considerado como avanço. Em vez disso, a chave é entender as compensações de cada tecnologia de resfriamento e implantar apenas o que faz mais sentido para o aplicativo.
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