O resfriamento líquido deveria estar impulsionando uma revolução no gerenciamento de calor dentro dos Data Centers. A maneira antiga, o resfriamento a ar, está de saída, dizem-nos. Deve ir, para abrir caminho para um mundo onde os servidores são resfriados com água, dielétricos e outros fluidos.

Na vida real, as revoluções raramente são tão limpas e arrumadas.

Não há dúvida de que as densidades de servidores em racks estão chegando ao ponto em que alguns deles não podem mais ser resfriados eficientemente com ar. O resfriamento líquido tem um vasto conjunto de benefícios, incluindo maior eficiência, melhor exclusão de poeira e sujeira e operação mais silenciosa – e fornece calor residual em uma forma em que pode ser usado em outro lugar.

Mas ainda assim, os fornecedores de resfriamento a ar têm uma carteira de pedidos que não mostram sinais de diminuição, e novos Data Centers ainda estão sendo projetados em torno de chillers, HVACs e outros equipamentos refrigerados a ar.

Como explicar isso? E como os ambientes refrigerados a ar de hoje coexistirão com os sistemas de resfriamento líquido de amanhã?

Paleta de resfriamento

A história de que o ar dará lugar ao resfriamento líquido está errada em dois aspectos, diz o consultor especializado em resfriamento Rolf Brink, líder do Open Compute Project para resfriamento líquido: “O resfriamento a ar nunca desaparecerá. E também é incorreto dizer que eles sempre foram refrigerados a ar. Não é uma batalha sobre qual tecnologia será deixada no fim do caminho”.

“É preciso olhar para o equipamento de TI e ver o que ele precisa”, diz Brink. “Os equipamentos de TI têm vários requisitos para refrigeração, e a paleta de tecnologias de resfriamento que a se considerar é extremamente rica nos dias de hoje”.

“O cold plate se tornará mainstream nesse ano ou no próximo”, diz Brink. “A imersão vai levar mais alguns anos até se tornar mainstream. Mas nem todos os equipamentos de TI são adequados apenas para resfriamento por imersão, cold plate e ar”.

“Essa é a grande mudança de paradigma”, diz. “Veremos mais ambientes híbridos onde a infraestrutura e as instalações subjacentes podem atender ao resfriamento de ar e líquido. E é para isso que a indústria precisa se preparar”.

“Estamos nessa fase de transição, onde vemos uma demanda estendida por resfriamento a ar e muitos novos requisitos de resfriamento líquido chegando”, diz Stuart Lawrence, vice-presidente de inovação de produtos e sustentabilidade da Stream Data Centers. “Portanto, achamos que a configurabilidade é a coisa mais importante no momento”.

Como operador de Data Center, Lawrence tem que lidar com o que seus clientes – principalmente grandes players que pegam um prédio inteiro por vez – estão prontos: “Estamos vendo alguns clientes brincando com algum resfriamento líquido direto para chip, seja fluidos monofásicos, fluidos de mudança de fase e cold plates. Não estamos vendo muita imersão”.

A perspectiva do ar

Os vendedores de ar-condicionado admitem que as coisas devem mudar. “Em algum momento, o resfriamento a ar tem suas limitações”, diz Mukul Anand, diretor global de desenvolvimento de negócios para produtos de climatização aplicada da Johnson Controls. “Há uma quantidade limitada de calor que você pode remover usando ar”.

Como ele explica, é preciso muito ar para resfriar um chip de alta energia: “A velocidade do ar se torna muito alta, o ruído no espaço em branco se torna um desafio e o consumo de energia do ventilador do servidor aumenta - o que não aparece no cálculo do PUE”.

Ele vê o resfriamento direto para chip, imersão e bifásico crescendo, e observa que os sistemas refrigerados a ar geralmente têm um circuito de água, além de usar água em sistemas evaporativos. Os Data Centers estão tentando minimizar o consumo de água enquanto desligam os compressores quando possível, e o resfriamento de água dentro do espaço em branco pode facilitar seu trabalho.

“Vimos uma mudança distinta de municípios e comunidades se afastando do uso de água para resfriamento de Data Centers”, diz Anand. “Uma mudança das tecnologias de resfriamento evaporativo direto para chillers refrigerados a ar e chillers refrigerados à água e resfriadores secos”.

À medida que o resfriamento líquido entra no espaço em branco, ele diz: “Temos que nos certificar de que entendemos completamente os fluidos que serão usados (água, glicol, etc.) e garantir que convergimos para uma tecnologia de servidor refrigerada a líquido acordada e usamos a economia o máximo possível”, diz Anand.

“Uma das consequências diretas é usar a temperatura do fluido resfriado tão alta quanto os equipamentos de TI permitirem. 30°C está sendo visto como um número médio. Isso é certamente maior do que o fluido de água gelada usado em sistemas de resfriamento de ar de Data Center hoje”.

Os sistemas de refrigeração a ar terão que se adaptar, diz ele: “Devemos lançar e usar produtos que sejam tão confortáveis e eficientes fornecendo fluido refrigerado a 30°C”.

Com essa temperatura em seus sistemas de resfriamento, os Data Centers podem passar mais tempo em resfriamento livre usando ar externo. “Isso permite muitas horas no método de resfriamento livre, onde os compressores não consomem nenhuma quantidade significativa de energia. Em lugares como o condado de Loudoun, na Virgínia e no Vale do Silício, estamos usando o máximo de economia possível”.

Nesse mundo, 10% dos racks de um Data Center podem migrar para líquido. “Você tem uma arquitetura de resfriamento que pode resfriar 90% dos servidores a ar e, gradualmente, converter esse Data Center cada vez mais em refrigerados a líquido”.

Na melhor das hipóteses, muitos dos cenários de resfriamento líquido definidos pela ASHRAE raramente precisam de chillers e resfriamento mecânico, e esses chillers se tornarão um sistema de backup para emergências, diz Anand: “É para aquelas tardes quentes. Você deve ter um gerador para os momentos em que você não tem energia. Você deve ter chillers para as poucas horas no ano que você não pode obter economia para fazer o trabalho de resfriamento”.

Esses chillers ainda podem fazer mais, diz ele, porque, além de administrar espaços em branco mais densos, “proprietários e operadores estão se inclinando para Data Centers de vários andares”.

Os chillers precisarão ser construídos com uma preocupação maior com o carbono incorporado, tanto fisicamente quanto em sua cadeia de suprimentos: “Se você estiver usando menos metal e equipamentos mais leves, o carbono gerado pelos processos de fabricação e transporte é menor”.

Os chillers são colocados no telhado do edifício, e isso significa que eles são embalados juntos, causando um problema de “ilha de calor”: “Quando unidades condensadoras e chillers com condensadores são espalhados distantes em um telhado, um não é influenciado pelo outro. Quando você tem 32 ou 64 chillers próximos em um espaço na cobertura, o ar de descarga de um vai para o condensador do próximo, impactando negativamente sua eficiência e capacidade”.

Resfriamento de ar estendido

De volta ao espaço em branco, Lawrence vê muitas implementações de resfriamento líquido como simplesmente estendendo o resfriamento de ar fornecido no edifício: “É líquido direto para chip, mas o líquido vai para um trocador de calor da porta traseira e um trocador de calor de sidecar”.

O resfriamento de precisão de empresas como a Iceotope, em que os servidores permanecem em racks regulares e o líquido chega às peças específicas que precisam de resfriamento são um ponto médio entre o direto para o chip e o cold plate, e a ideia mais extrema de imersão total em tanques vendidos por empresas como a GRC e a Asperitas.

Os produtos de resfriamento líquido direto para chip e de precisão podem ser instalados em um ambiente refrigerado a ar, diz Lawrence: “Eles descartam o calor por meio de um sistema de troca de calor ar-líquido dentro de um Data Center refrigerado a ar”.

Isso pode ser decepcionante para os revolucionários do resfriamento líquido, mas há uma razão, diz Lawrence: “A maioria das instalações de colocation não está realmente pronta para ir direto para líquido”.

Ele vê o resfriamento líquido como um complemento, onde é necessário: “Acho que teremos essa extensão do resfriamento a ar, onde eles pegarão racks de 10kW e farão quatro posições de rack em racks de 40kW”. Esses racks de alta densidade têm um trocador de calor extra ou “sidecar”.

“Nos últimos 10 anos, a maioria dos produtos que implantei é refrigerada refrigerados a ar com um circuito interno de resfriamento líquido”, diz Dustin Demetriou, líder de sistemas IBM para sustentabilidade e inovação em Data Centers. “Já em 2016, estávamos fazendo isso em uma empresa de serviços financeiros porque eles tinham basicamente sistemas de chiller DX sem água gelada, mas precisavam de um rack de alta potência”.

“A grande parte do resfriamento líquido direto para chip é que ele usa a mesma arquitetura de TI e o mesmo fator de forma de rack que os servidores refrigerados a ar”, diz Anand. “As unidades de distribuição de refrigeração podem estar no espaço em branco e, às vezes, no próprio rack. Usando essa tecnologia, a transição de pelo menos uma parte do Data Center para a intensa carga de computação pode ser feita com relativa rapidez”.

Quando as coisas mudam para tanques de resfriamento de imersão, pode haver uma divisão. Expelir o calor de um tanque de imersão para um sistema refrigerado a ar pode exigir que os compressores sejam ligados ou mudanças no sistema de imersão, diz Anand.

Ele explica: “A energia que é consumida pelos servidores na banheira de imersão é convertida em calor e esse calor tem que ser removido. Em uma imersão, provavelmente podemos remover esse calor usando fluido de temperatura mais quente. E as temperaturas mais baixas que exigem o funcionamento de um compressor provavelmente não são necessárias”.

Perda do benefício

Há uma desvantagem óbvia nessa abordagem híbrida. Um dos benefícios mais alardeados do resfriamento líquido é o fornecimento de calor residual na forma concentrada de água de temperatura mais alta.

Se o calor for rejeitado para o sistema de resfriamento a ar, ele será perdido, assim como antes. Executar a imersão líquida a essa temperatura mais baixa remove o benefício do calor residual útil. É como uma repetição da má prática de Data Centers com ar-condicionado superrefrigerados.

“A parte triste do ponto de vista da sustentabilidade é que você não está elevando nenhuma temperatura”, diz Lawrence. "Portanto, não estamos obtendo os benefícios reais de sustentabilidade do resfriamento líquido utilizando essa tecnologia de extensão de ar”.

Demetriou ressalta que ainda há benefícios de sustentabilidade: “Se você olhar em termos de desempenho por watt, um produto com chips de 5GHz, se fosse estritamente refrigerado a ar, provavelmente teria dado metade do desempenho. Assim, você precisaria de menos servidores para fazer o trabalho. Você não está recebendo todos os benefícios do líquido, mas acho que está recebendo muito”.

Demetriou também faz parte do comitê técnico da ASHRAE 9.9, um dos principais desenvolvedores de diretrizes e padrões de refrigeração: “Essa é uma área em que passamos muito tempo, porque nem tudo é líquido ou tudo é ar. Há etapas intermediárias”.

Canalizando

Outra razão pela qual os Data Centers totalmente líquidos são complexos de imaginar é a questão do “canalização”, recebendo energia suficiente nos racks, diz Lawrence.

“Se eu pegar um Data Center de 40 MW e 37.000 metros quadrados, composto por data halls de 2.500 metros quadrados, posso obter todas as minhas linhas elétricas para fornecer energia a cada data hall sem muito problema. Se eu começar a dobrar a densidade para fazer aquele Data Center de 37.000 metros quadrados com 18.500 metros quadrados ou 9.300 metros quadrados, então eu tenho um desafio muito grande”.

“Eu tenho que fazer esse prédio realmente longo e estreito para fazer com que todas as linhas elétricas sejam canalizadas corretamente. Se eu o faço pequeno e quadrado, acabo tendo problemas muito grandes para levar a energia elétrica real para o espaço. A canalização se torna um desafio muito grande”.

“Pouca gente está falando sobre isso agora, mas acho que vai ser um problema muito grande. O desafio com o resfriamento líquido é projetar a instalação de tal forma que você não tenha problemas de canalização para levar a energia para o espaço”.

Colocar pequenas quantidades de racks de alta densidade dentro de uma instalação refrigerada a ar realmente evita esse problema, diz ele: “Se você está trabalhando com um espaço refrigerado a ar, você tem muito espaço para rotear sua energia. Quando você faz o edifício adequadamente dimensionado para refrigeração líquida, você se depara com todos os tipos de problemas de funil elétrico que você nem tinha que pensar antes”.

Ciclos de vida dos equipamentos

Uma das principais razões pelas quais os sistemas refrigerados a ar permanecerão é porque são equipamentos muito robustos e duradouros. Um sistema de chiller colocado no telhado de um Data Center deve durar de 20 a 25 anos, um período que pode ver quatro gerações diferentes de hardware de chips, todos com diferentes necessidades de resfriamento.

Anand, da Johnson, diz que isso é possível: “Se sua arquitetura HVAC for projetada para fornecer resfriamento exigido por servidores refrigerados a líquido, não precisaremos alterar a arquitetura de resfriamento durante a vida útil do Data Center”.

“O período de tempo entre o projeto de um Data Center em uma parte do mundo até sua construção e entrada em serviço em outra parte do mundo pode ser de vários anos”, diz ele. “Não queremos esperar que a tecnologia de refrigeração líquida seja adotada em todo o mundo para que o próximo projeto arquitetônico do edifício o materialize na construção”.

Não é apenas o equipamento, é o prédio, diz Lawrence: “Os hiperescalas estão assinando contratos de locação ao longo de 10 anos, e estamos vendo atualizações de TI na faixa de quatro a cinco anos. Isso mexe com a minha cabeça. Se você estiver assinando um contrato de locação hoje, ele durará três atualizações de TI. Esse equipamento de TI que você está colocando será refrigerado a ar por esse período de 15 anos, ou você terá algum tipo de sistema líquido-ar no rack ou no espaço em branco”.

Fabricantes de servidores como Dell e HP estão produzindo versões refrigeradas a líquido de seu hardware e preveem que em 10 anos os Data Centers estarão 50% refrigerados a líquido. Nem todos os aplicativos têm demandas tão altas de resfriamento, e isso significa que metade dos servidores ainda pode ser refrigerada a ar.

Também pode ficar complicado por causa da demarcação. Se o proprietário do edifício fornece resfriamento geral com ar e os inquilinos querem adicionar resfriamento líquido, Lawrence explica: “Fica complicado se você levar o líquido diretamente para uma CDU (unidade de distribuição de resfriamento) no rack ou um resfriador de líquido em linha”.

Forçando o problema

Rolf Brink acha que pode ser preciso educação, e até regulamentação, para empurrar os projetos de Data Centers mais rapidamente para o resfriamento a líquido: “Ainda acontece com muita frequência que novas instalações não foram projetadas para o ecossistema futuro. Esse é um dos principais problemas do setor. E é aqui que a regulamentação pode realmente ser benéfica – exigir que as instalações estejam pelo menos preparadas para infraestruturas líquidas no espaço em branco”.

Brink diz: “Assim que o Data Center for construído e se tornar operacional, você nunca vai reconstruir o espaço em branco. Você não vai colocar canos de água no espaço em branco em um ambiente operacional. É simplesmente impossível”.

Como o líquido não está incluído na fase de projeto, isso cria “resistência” da indústria para adicioná-lo mais tarde, diz ele: “As pessoas negligenciaram fazer os investimentos necessários para garantir que estejam preparados para o futuro”.

Isto pode se dar pela forma como as instalações são financiadas e refinanciadas em vários momentos durante a fase de construção, diz, “ou pode ser falta de ambição e não acreditar na evolução do resfriamento líquido”.

O problema é que está sendo criado um ambiente em que ainda vai ser muito difícil se tornar mais sustentável. Os Data Centers não vão arriscar e gastar um pouco mais “por precaução”, diz Brink.

Parte disso pode ser mudado pela educação. A ASHRAE trouxe artigos descrevendo diferentes estágios do uso de resfriamento líquido (ver caixa), e o OCP também fez um trabalho educacional, mas, no final, ele diz que “a legislação pode realmente fazer uma diferença significativa na indústria, exigindo a preparação para líquidos”.

Tubulação obrigatória?

Nesta fase, não há perspectiva de uma lei para exigir que novos Data Centers incluam tubos no espaço em branco, embora a Lei Alemã de Eficiência Energética tente incentivar mais reutilização de calor residual.

No início de seu desenvolvimento, a lei tentou determinar que 30% do calor de novos Data Centers deveria ser reutilizado em outro lugar. Isso foi adiado, porque a Alemanha não tem sistemas de aquecimento urbano suficientes no lugar certo para fazer uso desse calor.

Mas a exigência de pelo menos considerar a reutilização de calor residual pode significar que mais Data Centers na Alemanha são construídos com saídas de calor, e é um passo lógico conectá-los com sistemas de coleta de calor mais eficientes dentro do espaço em branco.

Em toda a Europa, a Diretiva de Eficiência Energética exigirá que os Data Centers informem dados sobre seu consumo e eficiência energética em 2024, e a União Europeia considerará quais medidas de eficiência são razoáveis impor em 2025.

Qualquer intervenção que seja imposta pode ter um grande impacto na transferência entre o ar e o resfriamento líquido.