La adopción de la refrigeración líquida para centros de datos sigue ganando impulso gracias a su capacidad para refrigerar los racks de TI de alta densidad de más eficiente y efectiva. Sin embargo, los diseñadores y operadores de centros de datos carecen de los datos suficientes para calcular el impacto de la refrigeración líquida en la eficiencia del centro de datos y ayudarles a optimizar la implementación de dicho tipo de refrigeración para la eficiencia energética.
Para llenar ese vacío, un equipo de especialistas de NVIDIA y Vertiv realizó el primer gran análisis de impacto de la refrigeración líquida en la PUE y el consumo de energía de los centros de datos. El análisis completo fue publicado por la Sociedad Estadounidense de Ingenieros Mecánicos (American Society of Mechanical Engineers, ASME) en el artículo Power Usage Effectiveness Analysis of a High-Density Air-Liquid Hybrid Cooled Data Center (Análisis de la efectividad del uso de la energía en un centro de datos con refrigeración mixta líquida y por aire de alta densidad). Esta publicación resume la metodología, los resultados y las conclusiones fundamentales de ese análisis.
Metodología para el análisis de la eficiencia energética de la refrigeración líquida en centros de datos
Elegimos para nuestro análisis un centro de datos de tamaño medio (1-2 MW) de nivel 2 en Baltimore, Maryland. El centro alberga 50 racks de alta densidad dispuestos en dos filas. El punto de referencia para el análisis fue la refrigeración por aire al 100 % proporcionada por dos unidades de agua refrigerada, con controlador perimetral de aire estándar para sala de ordenadores (Computer Room Air Handler, CRAH) con sistema de cerramiento de pasillo caliente. Las unidades de refrigeración se apoyan en un chiller Vertiv™ Liebert® AFC con freecooling, freecooling adiabático, refrigeración híbrida y capacidades de refrigeración mecánica adiabática.
La refrigeración líquida se activa mediante refrigeración directa al chip a través de placas frías de microcanales montadas en los principales componentes de TI generadores de calor y compatibles con el apoyo de dos unidades de distribución de refrigerante (Coolant Distribution Units, CDU) Vertiv™ Liebert® XDU con intercambiadores de calor líquido a líquido.
Esquema del centro de datos usado para el análisis de energía que incluye las unidades Vertiv XDU Liebert® y PCW Liebert®.
El análisis contempló un enfoque “abajo hacia arriba” al desagregar la carga de TI en subsistemas, lo que permitió calcular con precisión el impacto de un aumento progresivo en el porcentaje de la carga refrigerada por líquido para cada subsistema. A continuación se llevaron a cabo cuatro estudios aumentando el porcentaje de refrigeración líquida en cada uno de ellos, a la vez que se implementaron optimizaciones en la temperatura del agua refrigerada, la temperatura del aire de suministro y la temperatura de entrada secundaria mediante el uso de refrigeración líquida.
- Estudio 1: refrigeración por aire al 100 % con una temperatura del agua refrigerada de 7,2 grados Celsius (45 Fahrenheit), temperatura del aire de suministro de 25 °C (77 F) y temperatura de entrada secundaria de 32 °C (89,6 F).
- Estudio 2: 61,4 % de la carga refrigerada con líquido y el 38,6 % refrigerada con aire. La temperatura del agua refrigerada se eleva a 18 °C (64,4 F), la temperatura del aire de suministro se mantiene a 25 °C (77 F) y la temperatura de entrada secundaria se mantiene a 32 °C (89,6 F).
- Estudio 3: 68,6 % de la carga refrigerada con líquido y el 31,4 % refrigerada con aire. La temperatura del agua refrigerada se eleva a 25 °C (77 F), la temperatura del aire de suministro se eleva a 35 °C (95 F) y la temperatura de entrada secundaria se mantiene a 32 °C (89,6 F).
- Estudio 4: 74,9 % de la carga refrigerada con líquido y el 25,1 % refrigerada con aire. La temperatura del agua refrigerada se mantiene a 25 °C (77 F), la temperatura del aire de suministro se mantiene a 35 °C (95 F) y la temperatura de entrada secundaria se eleva a 45 °C (113 F).
Impacto de la introducción de la refrigeración líquida en el consumo de energía y la PUE de los centros de datos
La implementación completa de la refrigeración líquida en el Estudio 4 (74,9 %) produjo una reducción del 18,1 % en la potencia del centro y una reducción del 10,2 % en la potencia total del centro de datos en comparación con una refrigeración por aire al 100 %. Esto tiene el efecto no solo de reducir los costes energéticos en un 10 % anual, sino también para los centros de datos que usan fuentes de energía basadas en carbono, reduciendo las emisiones de Alcance 2 en la misma cantidad.
La potencia total del centro de datos se redujo con cada aumento en el porcentaje de la carga enfriada por refrigeración directa al chip. En los estudios 1 a 2 el consumo de potencia se redujo en un 6,4 %; se logró una reducción adicional del 1,8 % entre los Estudios 2 y 3 y se observó otra mejora del 2,5 % entre los Estudios 3 y 4.
Basándose en esos resultados, el PUE calculado para el centro de datos para cada estudio puede resultar sorprendente. El PUE cayó solo un 3,3 %, de 1,38 en el Estudio 1 a 1,34 en el Estudio 4 y en realidad se mantuvo sin cambios en 1,35 para los Estudios 2 y 3.
Si estás familiarizado con cómo se calcula el PUE, es posible que ya hayas adivinado el motivo de esta discrepancia. El PUE es esencialmente una medida de la eficiencia de la infraestructura que se calcula dividiendo la potencia total del centro de datos por la potencia de TI. Pero la refrigeración líquida no solo redujo el consumo por la parte del propio centro, sino que también redujo el consumo de potencia de TI (según la definición de PUE) al reducir la demanda de ventiladores en los servidores.
El consumo de potencia de los ventiladores de los servidores disminuyó en un 41 % entre el Estudio 1 y el Estudio 2, y en un 80 % entre el Estudio 1 y el Estudio 4. Esto dio lugar a una reducción del 7 % en la potencia de TI entre el Estudio 1 y el 4.
A diferencia de la refrigeración por aire, la refrigeración líquida afecta tanto al numerador (potencia total del centro de datos) como al denominador (potencia de los equipos de TI) en el cálculo del PUE, lo que lo no tiene mucho sentido al comparar la eficiencia de los sistemas de refrigeración líquida y por aire.
En nuestro artículo, proponemos el denominado Efectividad de uso total (Total Usage Effectiveness, TUE) como una mejor métrica para este propósito y explicaré por qué se tomó esta decisión en una publicación de seguimiento. El TUE para el centro de datos que fue objeto de nuestro análisis mejoró un 15,5 % entre el Estudio 1 y el 4, lo que nos lleva a pensar que es una medida precisa de las mejoras en eficiencia del centro de datos logradas mediante la implementación optimizada de la refrigeración líquida.
Conclusiones clave del análisis de eficiencia energética de refrigeración líquida en centros de datos
El análisis proporcionó varias y diversas perspectivas sobre la eficiencia de la refrigeración líquida de un centro de datos y cómo se puede optimizar. Animo a los diseñadores de centros de datos a leer el documento completo, que incluye los datos de apoyo que se usaron para derivar los resultados indicados en la sección anterior. Estas son algunas de las conclusiones fundamentales que podrían ser de interés para un público más amplio.
- En los centros de datos de alta densidad, la refrigeración líquida ofrece mejoras en eficiencia energética de los sistemas de TI y de las instalaciones en comparación con la refrigeración por aire. En nuestro estudio totalmente optimizado, la introducción de la refrigeración líquida produjo una reducción del 10,2 % en la potencia total del centro de datos y una mejora de más del 15 % en la TUE.
- Maximizar la implementación de la refrigeración líquida de los centros de datos,— en términos del porcentaje de carga de TI refrigerada por líquido,— ofrece la máxima eficiencia. La refrigeración directa al chip, no permite enfriar toda la carga con líquido, pero aproximadamente el 75 % de la carga se puede enfriar de forma efectiva recurriendo a refrigeración líquida directa al chip.
- La refrigeración líquida puede permitir mayores temperaturas del agua refrigerada, el aire de suministro y de entradas secundarias que maximizan la eficiencia de la infraestructura de las instalaciones. En particular, debería considerarse la refrigeración con agua caliente. Las temperaturas de entrada secundarias en nuestro estudio final se elevaron a 45 °C (113 F) y esto contribuyó a los resultados logrados, al tiempo que aumentó las oportunidades de reutilización del calor residual.
- El PUE no es una buena medida de la eficiencia de la refrigeración líquida para un centro de datos, y métricas alternativas como la TUE resultarán más útiles para guiar las decisiones de diseño relacionadas con la introducción de la refrigeración líquida en un centro de datos refrigerado por aire.
Por último, quiero agradecer a mis compañeros de Vertiv y NVIDIA su trabajo en este revolucionario análisis. Los hallazgos encontrados no solo cuantifican el ahorro energético que se puede lograr mediante la refrigeración líquida, sino que proporcionan a los diseñadores datos valiosos que se pueden utilizar para optimizar las instalaciones con refrigeración líquida de los centros de datos.
Para obtener más información sobre las tendencias que impulsan la adopción de la refrigeración líquida, consulta la nota del blog, Liquid Cooling: Data Center Solutions for High-Density Compute, (Soluciones para centros de datos en computación de alta densidad), que resume las perspectivas de un panel de expertos en refrigeración líquida en la 2022 OCP Global Summit.
