Los centros de datos de inteligencia artificial están implementando soluciones de refrigeración líquida para mejorar la gestión térmica a medida que aumentan las cargas de trabajo de computación de alto rendimiento (HPC). Una de las opciones más comunes es la refrigeración directa al chip, que aprovecha las propiedades de alta transferencia térmica del líquido para eliminar el calor de los chips de procesador individuales.
La refrigeración líquida asistida por aire ofrece una ventaja estratégica para las empresas que buscan aprovechar la inteligencia artificial (IA) y mantener una ventaja competitiva. La combinación de métodos eficientes de refrigeración líquida directa y sala puede ayudar a las organizaciones a reducir los costes energéticos, aumentar el rendimiento y satisfacer las demandas de los centros de datos de IA.
Descripción general de la refrigeración líquida del centro de datos
La adopción generalizada de servicios HPC, como la IA, el aprendizaje automático (ML) y el análisis de datos, provoca un rápido aumento en las densidades de chip, servidor y rack y el consumo de energía. A medida que las densidades de los racks aumentan hasta los 20 kilovatios (kW) y se acercan rápidamente a los 50 kW, los niveles de calor de la infraestructura HPC están llevando las capacidades de los métodos tradicionales de refrigeración de salas a sus límites. Además, existe una creciente presión global sobre los centros de datos y otras empresas para reducir continuamente el consumo de energía. Para satisfacer estas demandas, los operadores de centros de datos están investigando sus opciones de refrigeración líquida (consulte la Figura 1).
La refrigeración líquida aprovecha las propiedades de transferencia térmica más altas del agua u otros fluidos dieléctricos para disipar el calor de los componentes del servidor de manera eficiente. Esta solución es 3000 veces más eficaz que el uso de refrigeración por aire solo para la infraestructura HPC, cuyos niveles de calor superan las capacidades de los métodos tradicionales. La refrigeración líquida incluye varias técnicas para gestionar el calor en centros de datos de inteligencia artificial.
Opciones de refrigeración HPC
Los operadores de centros de datos están adoptando tres enfoques para la refrigeración líquida: la construcción de centros de datos totalmente refrigerados por líquido, el retrofit de instalaciones refrigeradas por aire para respaldar racks refrigerados por líquido en el futuro y la integración de la refrigeración líquida en instalaciones refrigeradas por aire existentes. Es probable que la mayoría de los operadores elijan este último enfoque para aumentar la capacidad, satisfacer las necesidades empresariales inmediatas y lograr un rápido retorno de la inversión. Las opciones de refrigeración líquida para infraestructura HPC incluyen intercambiadores de calor de puerta trasera (RDHx), refrigeración directa al chip y refrigeración por inmersión.
Más información
Opciones de refrigeración líquida para centros de datos
Los operadores de centros de datos están evaluando las tecnologías de refrigeración líquida para aumentar la eficiencia energética ante el crecimiento de las aplicaciones informáticas con uso intensivo de procesamiento.
Comprensión de la refrigeración directa al chip
La refrigeración directa al chip es una tecnología de Thermal Management avanzada empleada principalmente en centros de datos que utilizan hardware HPC para disipar el calor de forma eficiente. Este método implica hacer circular un refrigerante líquido dieléctrico seguro directamente sobre las superficies de los chips del ordenador a través de placas frías para absorber y eliminar el calor de forma eficiente (consulte la Figura 2). Esto puede mantener las temperaturas de los procesadores en niveles óptimos, independientemente de la carga y los climas externos.
La refrigeración directa al chip mejora la eficiencia energética, minimiza el riesgo de sobrecalentamiento y mejora el rendimiento general del sistema. Los operadores de centros de datos HPC consideran este enfoque un método eficiente de refrigeración de centros de datos, ya que la refrigeración se aplica directamente a los componentes generadores de calor de los procesadores y otros hardware. Esta tecnología es especialmente crítica a medida que los centros de datos evolucionan para manejar las crecientes demandas computacionales y esforzarse por una mayor densidad y eficiencia.
Componentes básicos de los sistemas de refrigeración directos al chip
La refrigeración directa al chip disipa el calor directamente del chip, lo que permite a los centros de datos soportar densidades de rack más altas a la vez que maximiza la eficiencia energética. Esta solución de refrigeración líquida tiene varios componentes que funcionan sin problemas. Los componentes de la refrigeración directa al chip incluyen los siguientes:
- El líquido refrigerante está compuesto por un compuesto dieléctrico o fluido especialmente diseñado para aplicaciones directas al chip
- Un tubo (o circulador) que mueve el líquido
- Una placa por la que puede pasar el líquido
- Un material de interfaz térmica que conduce el calor desde la fuente hasta la placa
¿Cómo funciona la refrigeración directa al chip?
La refrigeración directa al chip expulsa el calor a través de un proceso monofásico o bifásico. Estos métodos mejoran la eficiencia de los sistemas de refrigeración en los centros de datos de inteligencia artificial.
Refrigeración monofásica directa al chip
La refrigeración monofásica directa al chip implica el uso de una placa fría para transferir calor desde componentes de servidor como CPU y GPU. Un fluido de refrigeración absorbe el calor y fluye a través de la unidad de distribución de refrigerante (CDU), donde un intercambiador de calor lo transfiere a otro medio para rechazo exterior (consulte la Figura 3). Los refrigerantes no conductores reducen los riesgos eléctricos, mejorando la seguridad y la fiabilidad del sistema.
La selección de fluido se determina equilibrando las propiedades de captura térmica y la viscosidad del fluido. El agua ofrece la mayor capacidad de captura de calor, pero a menudo se mezcla con glicol, lo que reduce la captura de calor pero aumenta la viscosidad para mejorar la eficiencia del bombeo. Estos sistemas también pueden usar fluido dieléctrico para mitigar el daño de una fuga; sin embargo, el fluido dieléctrico tiene una menor capacidad de transporte térmico que la mezcla de agua/glicol.
Refrigeración bifásica directa al chip
Con placas frías bifásicas, un líquido dieléctrico de baja presión fluye hacia los evaporadores, donde el calor generado por los componentes del servidor hierve el fluido. El vapor resultante transporta el calor fuera del evaporador y lo transfiere fuera del rack para un rechazo efectivo del calor.
Ventajas de la refrigeración directa al chip
Calculando la eficiencia aportada por la refrigeración directa al chip, la tecnología está ganando impulso para el aprendizaje continuo y la innovación que proporciona al sector:
Mayor fiabilidad y rendimiento: La refrigeración directa al chip y otras soluciones de refrigeración líquida minimizan el riesgo de sobrecalentamiento y mantienen temperaturas de funcionamiento uniformes y más bajas, lo que es crucial para mantener la fiabilidad y longevidad del hardware HPC y evitar la degradación del rendimiento.
Mayor consideración del diseño y despliegue del sistema: La refrigeración directa al chip se puede integrar sin problemas en los diseños de servidores existentes, minimizando las interrupciones en las operaciones y agilizando el proceso de despliegue.
Escalabilidad lista: La refrigeración líquida permite alojar más procesadores en una huella física más pequeña y elimina la necesidad de expansiones o nuevas construcciones. Al proporcionar una gestión térmica más eficaz, la refrigeración directa al chip facilita la escalabilidad a demanda, lo que facilita el crecimiento de las operaciones sin comprometer el rendimiento y los servicios en funcionamiento.
Coste total de propiedad (TCO) reducido: En su informe, la Sociedad Estadounidense de Ingenieros de Calefacción, Refrigeración y Aire Acondicionado (ASHRAE) descubrió que los centros de datos que utilizan refrigeración por aire y por líquido pueden reducir el TCO en comparación con los sistemas únicamente refrigerados por aire. Esta reducción se debe a una mayor densidad, una mayor utilización de free cooling y un mejor rendimiento por vatio.
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Transformación de refrigeración DCD
Datacenter Dynamics informa que la refrigeración representa hasta el 40 por ciento de la factura de energía total del centro de datos. Teniendo esto en cuenta, no debe subestimarse la importancia de encontrar la solución que mejor se adapte a la situación.
Preparación para el despliegue de refrigeración líquida en centros de datos
No existe una solución de refrigeración de IA única, ya que las empresas tienen necesidades informáticas distintas. Para abordar sus requisitos únicos, los centros de datos modernos, incluidos los centrados en la inteligencia artificial, pueden comenzar a implementar refrigeración directa al chip u otros métodos de refrigeración HPC, realizando los siguientes pasos:
Determinación de los requisitos de refrigeración: Los equipos de TI e instalaciones deben decidir cómo asignar recursos para nuevas cargas de trabajo de computación de alto rendimiento o IA para satisfacer las necesidades actuales y futuras en los próximos uno a dos años, ya sea convirtiendo algunos racks a la vez o dedicando una sala completa.
Medición de la huella térmica: Los equipos de refrigeración deben identificar la configuración de AI, evaluar los requisitos no estándar y evaluar el flujo de aire actual a la vez que abordan las brechas entre las nuevas cargas de calor y los límites de refrigeración.
Evaluación de los caudales: Los equipos pueden optar por actualizar las soluciones de refrigeración según el ciclo de vida de los equipos de TI, especialmente si las próximas actualizaciones de hardware requieren capacidad adicional para chips de próxima generación.
Exploración de soluciones para el despliegue de refrigeración directo al chip en centros de datos
Los equipos de TI e instalaciones pueden comenzar a implementar refrigeración directa al chip u otras soluciones de refrigeración líquida para centros de datos después de instalar una infraestructura dedicada que cree un bucle de refrigeración líquida que permita la transferencia de calor entre la instalación y los circuitos secundarios y el fluido que no sea el agua de la instalación que se utilizará para la refrigeración (consulte la Figura 4).
CDU de líquido a líquido
Las CDU proporcionan refrigerante controlado sin contaminantes a placas frías directas al chip, así como intercambiadores de calor de puerta trasera y sistemas de refrigeración por inmersión. Los equipos con acceso a agua refrigerada pueden usar una CDU de líquido a líquido para proporcionar un circuito de refrigeración separado de equipos de TI refrigerados por líquido, manteniéndolo aislado del sistema de agua refrigerada principal de la instalación. Optar por esta solución les permite elegir el fluido y el caudal para los racks, como el agua tratada o una mezcla de agua y glicol.
A diferencia de los sistemas tradicionales de refrigeración por confort que a menudo se apagan fuera del horario laboral y durante las temporadas bajas, el sistema de agua refrigerada debe funcionar continuamente para un despliegue exitoso. Priorizar la calidad del agua a través de opciones de filtración también es esencial cuando se utilizan sistemas de agua refrigerada existentes. Además, las CDU de líquido a líquido requieren la instalación de tuberías y bombas para conectarse al agua de la instalación, lo que puede afectar a los plazos de despliegue.
CDU de líquido a aire
Las CDU de líquido a aire proporcionan un bucle de fluido secundario independiente al rack, disipando el calor de los componentes de TI incluso sin acceso a agua refrigerada. El fluido calentado vuelve a la CDU y fluye a través de las bobinas del intercambiador de calor (HX). Los ventiladores soplan aire sobre estas bobinas, dispersando el calor desde el centro de datos. A continuación, la infraestructura refrigerada por aire existente captura este calor y lo expulsa al exterior, lo que permite a los centros de datos seguir utilizando métodos tradicionales de refrigeración de salas con refrigeración directa al chip.
Las CDU de líquido a aire pueden acelerar el despliegue de refrigeración líquida utilizando unidades de refrigeración de sala existentes para el rechazo de calor. Esta opción requiere modificaciones mínimas para conectar las tuberías de agua a los sistemas del edificio, ocupa menos espacio y tiene menores costes iniciales y de instalación en comparación con las CDU de líquido a líquido. Sin embargo, las CDU de líquido a aire tienen una capacidad de refrigeración limitada, lo que puede ser una consideración significativa para los centros de datos de inteligencia artificial.
CDU de líquido a refrigerante
Las CDU de líquido a refrigerante suministran líquido directamente al chip y utilizan condensadores a base de refrigerante para la expulsión directa de calor (DX). Este enfoque maximiza la infraestructura DX existente a la vez que mejora la capacidad de refrigeración líquida donde sea necesario. Permite a los centros de datos implementar rápidamente la refrigeración HPC sin necesidad de agua refrigerada in situ, lo que permite configuraciones modulares sin reacondicionar completamente la infraestructura de refrigeración existente.
Las CDU de líquido a refrigerante que funcionan con la tecnología de economización de refrigerante bombeado (PRE) proporcionan refrigeración basada en la temperatura ambiente, lo que reduce el uso de energía. Los componentes internos enfrían la red de fluidos secundaria para proporcionar refrigeración de alta densidad directamente a las placas frías del servidor.
Intercambiador de calor de puerta trasera (RDHX)
Los centros de datos pueden implementar RDHX como primer paso hacia la refrigeración de alta densidad. Cuando se dimensionan adecuadamente, los RDHx pueden usarse con sistemas de refrigeración por aire existentes, sin requerir cambios estructurales significativos en el espacio en blanco. También pueden eliminar la necesidad de estrategias de contención (consulte la Figura 5). Las unidades pasivas funcionan bien para cargas de 5 a 25 kW, mientras que los RDHX activos proporcionan hasta 50 kW de capacidad nominal y se han probado hasta más de 70 kW en algunos casos.
Consideraciones para una integración de refrigeración directa al chip exitosa
La implementación de tecnologías de refrigeración directa al chip implica una evaluación cuidadosa de varios desafíos que pueden afectar a su integración. Las consideraciones clave incluyen la compatibilidad con la infraestructura actual, la gestión eficaz de fluidos y el tratamiento de las limitaciones de capacidad del equipo para garantizar un despliegue exitoso.
Distribución de fluidos
Diseñar sistemas de distribución de fluidos seguros y eficientes con riesgos mínimos de fugas, junto con la detección proactiva de fugas, es esencial para un despliegue exitoso. Los equipos de TI e instalaciones deben verificar la composición química, la temperatura del sistema, la presión y los accesorios para evitar fugas o fallos. La implementación de acoplamientos de desconexión rápida y válvulas de cierre mejora la capacidad de mantenimiento, facilita la desconexión de los accesorios y permite una intervención rápida ante fugas. Además, el diseño de componentes de infraestructura crítica, especialmente para las CDU, es vital. Estas tecnologías proporcionan un control preciso sobre los volúmenes de fluido y la presión para mitigar el impacto de cualquier fuga.
Detección e intervención de fugas
Un sistema de detección de fugas completo mejora la seguridad y fiabilidad de las configuraciones de refrigeración líquida al proporcionar alertas oportunas sobre posibles problemas, lo que ayuda a reducir el tiempo de inactividad y evitar daños al equipo. Los métodos de detección indirecta supervisan los cambios en la presión y el flujo, mientras que los métodos directos utilizan sensores o cables para localizar con precisión las fugas. La configuración adecuada de estos sistemas es crucial; la reducción de las falsas alarmas mantiene la eficiencia operativa a la vez que permite la detección de fugas reales que requieren atención urgente.
Trabajar estrechamente con partners de infraestructura es importante para personalizar el sistema para aplicaciones específicas, maximizando la efectividad de las estrategias de intervención manual y automatizada para proteger configuraciones de alta densidad de más de 30 kW.
Gestión de fluidos
La gestión de fluidos implica servicios personalizados para satisfacer las necesidades de refrigerante de los sistemas de refrigeración líquida. Estos servicios incluyen eliminación de contaminación, purga de aire, muestreo de refrigerante, pruebas de calidad, ajustes y eliminación respetuosa con el medio ambiente. Al colaborar con los principales proveedores de refrigerante, el servicio de gestión de fluidos de Vertiv garantiza un rendimiento y fiabilidad óptimos de los sistemas de refrigeración líquida de Vertiv.
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Cómo implementar refrigeración líquida en centros de datos existentes
A medida que aumenta la demanda de modelos de inteligencia artificial (IA) y aprendizaje automático (ML), es probable que estés evolucionando tu estrategia de refrigeración y explorando nuevas opciones. Crea tu hoja de ruta para adoptar la refrigeración líquida con esta guía técnica, que incluye estrategias prácticas para adoptar la refrigeración líquida para cargas de TI de 1MW.
Elige tu camino hacia la alta densidad
La tecnología de refrigeración directa al chip está transformando los centros de datos al abordar las cargas de calor intensas asociadas con las cargas de trabajo de HPC, como la IA, el aprendizaje automático y el análisis de big data. Con la creciente demanda de potencia de procesamiento, las soluciones de refrigeración más eficientes son esenciales para mantener un rendimiento óptimo.
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