Por Jacqueline Davis, analista de investigación en Uptime Institute

Un número creciente de operadores de centros de datos y proveedores de equipos anticipan la proliferación de sistemas de refrigeración líquida directa (DLC) en los próximos años.

En lo que respecta a las proyecciones, las encuestas del Uptime Institute coinciden: el consenso de la industria para la adopción generalizada de TI refrigerada por líquido converge en la segunda mitad de la década de 2020.

Los sistemas DLC, como la placa fría y la inmersión, ya han demostrado su eficacia desde hace décadas en aplicaciones informáticas técnicas y en sistemas mainframe.

Más recientemente, los proveedores de equipos de instalaciones y TI, junto con algunos de los operadores de centros de datos más importantes, han comenzado a trabajar en la comercialización de sistemas DLC para una adopción mucho más amplia.

Un tema común que atraviesa las expectativas de los operadores sobre el DLC y los mensajes de los proveedores es que un beneficio principal del DLC es la mejora de la eficiencia energética. Específicamente, el rendimiento térmico superior de los líquidos en comparación con el aire reducirá drásticamente el consumo de electricidad y agua en los sistemas de rechazo de calor, como los enfriadores, además de aumentar las oportunidades de enfriamiento gratuito durante todo el año en algunos climas. A su vez, las credenciales de sostenibilidad operativa del centro de datos mejorarían significativamente. Mejor aún, la infraestructura de refrigeración sería más eficiente, costaría menos y sería más fácil de mantener.

Estos beneficios estarán fuera del alcance de muchas instalaciones por varias razones prácticas. La realidad de los centros de datos convencionales combinada con los diversos requisitos de las cargas de trabajo genéricas de TI (a diferencia de la informática de alto rendimiento) significa que las ganancias en costos y eficiencia energética se distribuirán de manera desigual en todo el sector. Muchos de los operadores que implementarán sistemas DLC en los próximos años probablemente priorizarán la velocidad y la facilidad de instalación en entornos existentes, además de centrarse en mantener la resiliencia de la infraestructura, en lugar de aspirar a la máxima eficiencia de DLC.

Otro factor importante es el tiempo: el ritmo de adopción. El uso de DLC en instalaciones de misión crítica, y mucho menos un cambio a gran escala, representa un cambio radical en el diseño de refrigeración y las operaciones de infraestructura, y las mejores prácticas de la industria aún no se han puesto al día. A los obstáculos se suma el hecho de que muchos operadores de centros de datos considerarán que los sistemas DLC actuales son limitados o antieconómicos para sus aplicaciones, lo que ralentizará su implementación en toda la industria.

Refrigeración en empresa mixta

Los operadores de centros de datos que modernizan un sistema DLC en su espacio de centro de datos existente a menudo lo harán gradualmente en un proceso iterativo, acumulando experiencia operativa. Los operadores necesitarán gestionar un período potencialmente largo en el que los sistemas e infraestructuras de TI refrigerados por líquido y por aire coexistan en el mismo centro de datos. Esto se debe a que los sistemas TI refrigerados por aire seguirán en producción durante muchos años, con ciclos de vida típicos de entre cinco y siete años. En muchos casos, esto también significará una infraestructura de refrigeración (para el transporte y rechazo del calor) compartida entre los sistemas de aire y líquido.

En estos entornos híbridos, la eficiencia energética de DLC se verá limitada por los requisitos de temperatura de suministro de los equipos de refrigeración por aire, lo que limita el funcionamiento a temperaturas más altas, comprometiendo los beneficios de eficiencia energética y de capital de DLC en el lado de las instalaciones. Esto incluye sistemas DLC que están integrados con sistemas de agua enfriada (ejecutar el circuito de la instalación de retorno como suministro para DLC puede generar algunas ganancias marginales) e implementaciones de DLC donde la unidad de distribución de refrigerante (CDU) se enfría mediante el suministro de aire frío.

Aunque DLC elimina muchos, si no todos, los ventiladores de los servidores y reduce los requisitos de flujo de aire para lograr importantes ganancias en la eficiencia energética total de la infraestructura, estas ganancias serán difíciles de cuantificar para propósitos de informes del mundo real porque la potencia de los ventiladores de TI no es una métrica comúnmente rastreada: está oculto en la carga de TI.

Se necesitarán años para que las instalaciones de DLC alcancen la escala en la que se pueda justificar una infraestructura de refrigeración dedicada como enfoque estándar, y para que las ganancias en eficiencia energética tengan un efecto positivo en el desempeño energético de la industria, como por ejemplo en las cifras de efectividad en el uso de energía (PUE). Lo más probable es que cualquier impacto en el PUE o el desempeño de sostenibilidad por la adopción de DLC permanezca imperceptible durante años.

Compensaciones ocultas con la temperatura

Hay otros factores que limitarán la eficiencia de enfriamiento observada con las instalaciones de DLC. En el centro del potencial de eficiencia de DLC se encuentran las propiedades térmicas favorables de los refrigerantes líquidos, que les permiten capturar el calor de TI de manera más efectiva.

Las mismas propiedades térmicas también se pueden utilizar para obtener una ventaja en el rendimiento de enfriamiento en lugar de maximizar la eficiencia del sistema de enfriamiento. Al planificar y configurar un sistema DLC, algunos operadores darán más peso al rendimiento, respaldado por temperaturas de funcionamiento más bajas, en su acto de equilibrio entre las compensaciones del diseño.

La temperatura del agua de las instalaciones es una variable crucial en esta compensación. Muchos sistemas DLC pueden enfriar la TI de manera efectiva con agua de la instalación a una temperatura de hasta 40 °C, o incluso más en casos específicos. Esto minimiza el gasto de capital y energía (y el consumo de agua) para la infraestructura de rechazo de calor, particularmente para centros de datos en climas más cálidos.

Sin embargo, incluso cuando se les presenta la opción, un número significativo de operadores de instalaciones y TI elegirán temperaturas de suministro más bajas para el suministro de agua de sus sistemas DLC. Esto se debe a que existen beneficios sustanciales al utilizar temperaturas de agua más bajas, a menudo por debajo de 20 °C, a pesar de los costos que implica. Principalmente, una baja temperatura del agua de la instalación reduce el caudal necesario para la misma capacidad de enfriamiento, lo que alivia la presión sobre las tuberías y el bombeo.

Por el contrario, las organizaciones que utilizan agua caliente y DLC para permitir diseños de centros de datos con refrigeradores secos enfrentan incertidumbres de planificación y diseño. Las altas temperaturas del agua de las instalaciones no sólo requieren mayores caudales y potencia de bombeo, sino que también deben tener en cuenta posibles reducciones de la temperatura del suministro en el futuro a medida que los requisitos de TI se vuelvan más estrictos debido a la evolución del silicio del servidor. Para una capacidad determinada, esto podría significar más refrigeradores secos, que requieren actualizaciones con asistencia mecánica o evaporativa. Los operadores de centros de datos que desean beneficios de refrigeración gratuita y una planta mecánica liviana tienen por delante una compleja tarea de planificación y diseño.

En el lado de TI, aprovechar las bajas temperaturas tiene sentido para maximizar el rendimiento y la eficiencia energética de los procesadores porque el silicio presenta menores pérdidas de energía estática a temperaturas más bajas. Este enfoque ya es común hoy en día porque la razón principal de la mayoría de las instalaciones DLC actuales es respaldar objetivos de alto rendimiento de TI. Actualmente, los operadores de centros de datos utilizan DLC principalmente porque necesitan enfriar TI de alta densidad en lugar de conservar energía.

La mayor parte de las ventas de sistemas DLC en los próximos años probablemente se destinará a sistemas de TI de alto rendimiento, muchos de los cuales utilizarán procesadores con límites de temperatura restringidos; estos modelos los venden los fabricantes de chips específicamente para maximizar las velocidades de procesamiento. Los operadores pueden seleccionar bajas temperaturas del agua para acomodar estos procesadores de baja temperatura y maximizar la capacidad de enfriamiento de la CDU. De hecho, una parte importante de la adopción de DLC probablemente representará una inversión en rendimiento en lugar de ganancias en la eficiencia de las instalaciones.

El DLC cambia más que el refrigerante

A pesar de todos sus beneficios potenciales, un cambio a DLC plantea algunos desafíos para el diseño, el mantenimiento y la operación de resiliencia. Esto puede resultar especialmente desalentador en ausencia de una guía madura y específica para cada aplicación por parte de las organizaciones de normalización. Es poco probable que los operadores de centros de datos que soportan cargas de trabajo críticas para el negocio acepten comprometer los estándares de resiliencia y la disponibilidad de aplicaciones para un nuevo modo de enfriamiento, independientemente de los beneficios técnicos o económicos.

En caso de falla en el sistema DLC, las placas frías tienden a ofrecer mucho menos de un minuto de tiempo de recorrido debido a su pequeño volumen de refrigerante. Los últimos procesadores de alta potencia tendrían sólo unos pocos segundos de funcionamiento a plena carga cuando se utilizan sistemas típicos de placa fría. Operar a altas temperaturas significa que hay pequeños márgenes de falla, algo que los operadores de instalaciones convencionales de misión crítica tendrán en cuenta al tomar estas decisiones.

Además, implementar mantenibilidad simultánea o tolerancia a fallas con algunos equipos DLC puede no ser práctico. Como resultado, una conversión a DLC puede exigir que las organizaciones mantengan el estándar de resiliencia de su infraestructura de una manera diferente a la refrigeración por aire. Los operadores pueden considerar proteger las bombas de refrigerante con un sistema de alimentación ininterrumpida (UPS) y utilizar estrategias de resiliencia de software cuando sea posible.

Es necesario reexaminar los procedimientos organizativos de adquisición, puesta en servicio, mantenimiento y operaciones porque DLC altera la división actual de instalaciones y funciones de infraestructura de TI. Para los equipos de refrigeración por aire, existe un fuerte consenso con respecto a la división de los equipos entre las instalaciones y los equipos de TI, así como sus correspondientes responsabilidades en materia de adquisición, mantenimiento y resiliencia. No existe tal consenso para los equipos de refrigeración líquida. Un restablecimiento de las responsabilidades del personal requerirá una cooperación mucho más estrecha entre las instalaciones y los equipos de infraestructura de TI.

Estas consideraciones moderarán el entusiasmo por el uso a gran escala de DLC y propiciarán un enfoque más mesurado para su adopción. A medida que los operadores comprendan cada vez más las formas en que la implementación de DLC no es sencilla, esperarán a que las mejores prácticas de la industria maduren y llenen sus lagunas de conocimiento.

A largo plazo (es decir, 10 años o más), es probable que DLC maneje una gran parte de las cargas de trabajo de TI, incluido un amplio conjunto de sistemas que ejecutan aplicaciones comerciales. Esto sucederá a medida que los esfuerzos de estandarización, la experiencia del mundo real con sistemas DLC en entornos de producción y una guía madura tomen forma en productos nuevos y más sólidos y en las mejores prácticas para la industria. Para aumentar el número y el tamaño de las implementaciones de sistemas de inmersión y placa fría en infraestructuras de instalaciones de misión crítica, los diseños de sistemas DLC deberán cumplir objetivos técnicos y económicos adicionales. Esto complicará el caso de mejoras de eficiencia.

Las cifras de eficiencia de enfriamiento de los productos DLC actuales a menudo se derivan de aplicaciones de nicho que difieren de los centros de datos comerciales típicos, y las ganancias de eficiencia en el mundo real de DLC en los centros de datos convencionales estarán necesariamente sujetas a más compensaciones y limitaciones.

En el corto plazo, es probable que el argumento comercial para DLC se incline a favor de priorizar el rendimiento de TI y la facilidad de modernización con una infraestructura de enfriamiento compartida. Es importante destacar que elegir temperaturas de suministro de agua más bajas y tradicionales y utilizar enfriadores parece ser una propuesta atractiva para mayor resiliencia y preparación para el futuro.

Como muchos operadores de centros de datos consideran que las necesidades de rendimiento y los entornos mixtos son preocupaciones comerciales más apremiantes, las aspiraciones de refrigeración gratuita, junto con sus beneficios en materia de sostenibilidad, tendrán que esperar para gran parte de la industria.