É um clichê comum que grandes invenções são muitas vezes pensadas no chuveiro. Mas para Brad Chen, a ideia por trás do resfriamento por spray, a base da Advanced Liquid Cooling Technology (ALCT) da Airsys foi, literalmente, sonhada durante um longo e quente banho.

O enigma que ele tinha em mente? Como fornecer resfriamento líquido para racks de alta densidade com fome de energia sem toda a falha envolvida com o resfriamento direto à base de água e lidar com a tecnologia de imersão convencional, que exige que os servidores estejam imersos em vastas (e pesadíssimas) cubas de fluidos dialéticos, geralmente óleos minerais.

“O resfriamento a ar se esforça para fornecer resfriamento aos racks de alta densidade que estão sendo instalados nos corredores do data center hoje. Então, temos examinado soluções de resfriamento líquido, verificando muitas soluções potenciais diferentes”, diz Chen.

“O resfriamento por imersão se tornou bastante popular recentemente, mas nossa pesquisa identificou que o spray pode ser uma das melhores maneiras de abordar o resfriamento de próxima geração, não apenas de uma perspectiva técnica, mas também de eficiência e facilidade de manutenção”.

Foi uma ideia, conta, que surgiu no chuveiro. Depois do seu momento Eureka!, Chen e sua equipe decidiram investigar melhor o potencial de resfriamento por spray.

Exatamente o que diz na lata

O resfriamento por spray é exatamente o que o termo indica: servidores dispostos em 75 graus em racks Airsys especializados com a solução de resfriamento dielétrico pulverizada diretamente nos componentes mais quentes, em vez de imergir totalmente o servidor no líquido.

O fluido de resfriamento é pulverizado com força nos pontos quentes, como o GPU e o CPU. A taxa de fluxo corresponde à carga de calor do ponto quente individual, e a força do fluido com a ajuda da descarga por gravidade sobre a superfície aumenta o coeficiente de transferência de calor várias vezes novamente com a transferência de calor natural baseada em convecção para a solução.

A instalação inclinada dos servidores garante que o líquido flua ao longo da placa-mãe até o tanque na parte inferior, pelo qual a placa-mãe será isolada com ar por meio óleo lubrificante para alcançar maior confiabilidade.

Graças à inclinação dos servidores, não há fluido by-pass caindo diretamente no cárter, nenhum ruído de respingo, nenhuma agitação forte necessária; tudo acontece de forma calma e tranquila.

É também um design que facilita o uso com uma entrada única de acesso. O fluido de resfriamento, por sua vez, é coletado em um pequeno tanque na parte inferior, onde é submetido a um processo de filtragem de vários estágios e, em seguida, alimentado através de um trocador de calor na parte de trás do tanque para dissipar o calor para reutilização.

O resfriamento por spray da Airsys contrasta com as tecnologias de resfriamento líquido direto para chip e resfriamento por imersão. O resfriamento líquido direto para o chip usa racks altamente especializados para fornecer resfriamento na forma de água diretamente para o chip em um loop. O calor residual é normalmente expelido para o corredor quente do data center ou para o trocador de calor externo através da circulação secundária.

O resfriamento por imersão, por sua vez, envolve a imersão de todo o rack de servidores verticalmente em um fluido dielétrico, normalmente um óleo mineral.

O resfriamento por imersão monofásico depende muito da força de empuxo induzida pelo gradiente térmico para conduzir o fluido circulante para a remoção de calor, enquanto o resfriamento por imersão bifásica é ainda mais complexo, implicando um processo evaporativo de baixa temperatura sob os limites do fluxo crítico de calor para remoção de calor.

Além disso, o resfriamento por imersão monofásico pode ser desafiado em termos de abordagens eficazes para otimizar o fluxo e garantir que os pontos de acesso sejam resfriados com eficiência – especialmente levando em conta diferentes projetos e layouts de servidor. O resfriamento por spray da Airsys pode ser ajustado para concentrar mais fluido de resfriamento diretamente nos pontos críticos, conforme necessário.

O resfriamento por pulverização, portanto, oferece várias vantagens em relação ao resfriamento por imersão. Primeiro, é claro, o resfriamento pode ser direcionado exatamente para onde é necessário. Em segundo lugar, acessar os servidores é, simplesmente, um processo muito mais fácil e menos confuso, com o mínimo de líquido residual para os engenheiros de data center lidarem. E, terceiro, a orientação dos servidores no Airsys LiquidRacks garante uma circulação lógica do fluido de resfriamento em um movimento que também facilita a captura e reutilização do calor residual.

Além disso, os LiquidRacks da Airsys ocupam uma área de cobertura 80% menor e, como os servidores não estão completamente imersos em tanques vastos e pesados de óleo mineral, não há problemas potenciais de excesso de peso no piso a serem considerados. Ambos os fatores significam que o data hall pode acomodar mais servidores – e, portanto, mais poder de computação – por metro quadrado.

O resfriamento líquido direto para chip, por sua vez, usa água em racks semelhantes aos racks de data hall convencionais. Ao contrário do resfriamento por spray da Airsys, ele leva o líquido de resfriamento diretamente para o chip. Mas, antes do acesso, o envio de água precisa ser cortado por válvulas em vários lugares antes que os servidores possam ser acessados, e mesmo um pequeno vazamento seria catastrófico.

A Airsys desenvolveu sua tecnologia de resfriamento por spray com os principais fornecedores de servidores, incluindo Dell, HP e IBM, para garantir que ela possa lidar com as distribuições de calor desiguais de diferentes CPUs e combinações de placas-mãe, e também usa líquidos dielétricos convencionais testados e testados.

Mas essas não são as únicas vantagens.

Troca justa

Uma das principais questões com as quais as operadoras de data centers estão lidando agora é como alcançar suas ambiciosas promessas de Net Zero, com muitas delas vencendo em menos de sete anos. O benefício das várias formas de resfriamento líquido é a eficiência com que o calor residual pode ser capturado para reutilização em comparação com o resfriamento a ar.

“Como podemos realizar o Net Zero? Uma solução é a reutilização de calor. Isso significa calor extraído do servidor para aquecimento, resfriamento ou alguma outra aplicação. Mas como você faz isso é importante. Se a temperatura de saída do data center for de apenas 40 ou 50 graus Celsius, a gama prática de aplicações de reutilização é muito pequena.

“Mas, para nós, podemos elevar as temperaturas de saída até 60, 65 ou até 70 graus. Isso significa que ele pode ser emitido diretamente para, por exemplo, um sistema de aquecimento urbano, porque com sistemas de aquecimento urbano de quarta geração a temperatura mínima seria de 60 graus”, diz Chen.

Uma das chaves para a eficácia da tecnologia de resfriamento por spray da Airsys é o delta entre a temperatura da CPU e a temperatura de exaustão do líquido de arrefecimento.

É aí que fica interessante. De acordo com a pesquisa da Airsys, uma temperatura de junção da CPU de 65 graus significa uma temperatura de refrigeração de pulverização de 35 graus. Mas a 85 graus, a temperatura do líquido de arrefecimento atinge o prático limiar de 60 graus – um grau de captura de calor maior do que atualmente possível com a imersão.

“Outras soluções precisam aumentar as temperaturas com coisas como bombas de calor ou caldeiras, mas para a Airsys com nossa conexão direta, não há necessidade de elevar ainda mais as temperaturas de saída do resfriamento por pulverização”, diz Chen.

Em outras palavras, o resfriamento por spray não apenas permite que CPUs e GPUs sejam executadas em potências muito mais altas – e pode resfriá-las eficientemente de acordo – mas também captura efetivamente esse calor rack por rack à medida que o líquido de arrefecimento circula.

Além disso, 60 graus é um limite de temperatura fundamental. É a temperatura mínima para água quente higiênica – matando a bactéria Legionella em meia hora, por exemplo – e a temperatura mínima de partida para resfriamento por absorção e uma série de processos baseados em termodinâmica.

Além dos Airsys LiquidRacks que contêm os servidores, a Airsys também fornece tanques de armazenamento térmico de material de mudança de fase, chillers de adsorção/absorção capazes de resfriar entre 5kW e 5MW e desumidificadores de roda dessecantes – tudo o que é necessário para começar a exportar e reutilizar o excesso de calor do data center.

Em conjunto, eles fornecem um plano para uma matriz de solução Net Zero de data center, dependendo do tamanho do data center e dos objetivos que o operador espera alcançar.

Mais pesquisas

Tendo desenvolvido a tecnologia única, a Airsys agora a está levando ao mercado, com um laboratório de testes em uma grande empresa de telecomunicações do Reino Unido e um laboratório de demonstração na Carolina do Sul – inaugurado no primeiro trimestre de 2024 – que demonstrará a solução completa de energia de data center do sistema.

Uma das áreas críticas para Chen e sua equipe agora é desenvolver líquidos refrigerantes mais eficientes e de menor viscosidade. No momento, a Airsys usa o mesmo tipo de óleos minerais normalmente implantados no resfriamento por imersão; no caso, pela gigante industrial Shell.

“Nesse estágio, estamos usando uma base de óleo mineral dielétrico testada e confiável – a mesma que seria usada no resfriamento por imersão – porque não queremos arriscar”, diz Chen. No entanto, acrescenta, um fluido de arrefecimento de viscosidade mais baixa deve permitir um coeficiente de transferência de calor mais elevado e, portanto, um ciclo mais eficiente com maior potencial de arrefecimento.

Será esse o próximo momento Eureka! para Chen – ou outra pessoa na Airsys – da próxima vez que eles estiverem no chuveiro?