La adopción del enfriamiento líquido para centros de datos sigue cobrando fuerza gracias a su capacidad de ofrecer un enfriamiento más eficiente y eficaz de los racks de TI de alta densidad. Sin embargo, los diseñadores y operadores de centros de datos carecen de datos que puedan utilizarse para proyectar el impacto del enfriamiento líquido en la eficiencia del centro de datos y ayudarles a optimizar la implementación del enfriamiento líquido para la eficiencia energética.
Para llenar ese vacío, un equipo de especialistas de NVIDIA y Vertiv realizó el primer gran análisis del impacto del enfriamiento líquido en la PUE del centro de datos y el consumo energético. El análisis completo fue publicado por la Sociedad Estadounidense de Ingenieros Mecánicos (American Society of Mechanical Engineers, ASME) en el artículo titulado Análisis de la efectividad del uso de energía de un centro de datos híbrido enfriado por aire y líquido de alta densidad. Esta publicación resume la metodología, los resultados y las principales conclusiones de ese análisis.
Metodología para el análisis de eficiencia energética de enfriamiento líquido del centro de datos
Para nuestro análisis, elegimos un centro de datos de tamaño mediano (1-2 megavatios) de nivel 2 en Baltimore, Maryland. La instalación aloja 50 racks de alta densidad dispuestos en dos filas. El punto de partida para el análisis fue el enfriamiento por aire al 100 % proporcionado por dos unidades de agua helada, de control de aire perimetral (CRAH) con contención de pasillo caliente. Las unidades de enfriamiento son compatibles con un planta de enfriamiento Vertiv™ Liebert® AFC con capacidades de free-cooling, free-colling adiabático, enfriamiento híbrido y enfriamiento mecánico adiabático.
El enfriamiento líquido es posible gracias al enfriamiento directo al chip a través de placas frías de microcanales montadas en los principales componentes de TI generadores de calor y compatibles con dos unidades de distribución de refrigerante (CDU) Vertiv™ Liebert® XDU con intercambiadores de calor líquido a líquido.
Esquema del centro de datos utilizado para el análisis energético que incluye la Vertiv™® XDU y la unidad Liebert® PCW de Vertiv™
El análisis empleó un enfoque “de abajo hacia arriba” al desagregar la carga de TI en subsistemas, lo cual permitió calcular con precisión el impacto de un aumento progresivo en el porcentaje de la carga enfriada por líquido para cada subsistema. A continuación, realizamos cuatro estudios, en los cuales aumentamos el porcentaje de enfriamiento líquido en cada estudio, a la vez que implementamos optimizaciones para la temperatura del agua helada, la temperatura del aire de suministro y la temperatura de entrada secundaria habilitada por el uso de enfriamiento líquido.
- Estudio 1: enfriamiento por aire al 100 % con una temperatura del agua helada de 7,2 °C (45 °F), una temperatura del aire de suministro de 25 °C (77 °F) y una temperatura de entrada secundaria de 32 °C (89,6 °F).
- Estudio 2: el 61,4 % de la carga se enfría con líquido y el 38,6 % se enfría con aire. La temperatura del agua enfriada 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: el 68,6 % de la carga se enfría con líquido y el 31,4 % se enfría con aire. La temperatura del agua enfriada 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: el 74,9 % de la carga se enfría con líquido y el 25,1 % con aire. La temperatura del agua enfriada 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 del enfriamiento líquido en el consumo energético y la PUE del centro de datos
La implementación completa del enfriamiento líquido en el estudio 4 (74,9 %) produjo una reducción del 18,1 % en la potencia de las instalaciones y una reducción del 10,2 % en la potencia total del centro de datos en comparación con el 100 % del enfriamiento por aire. Esto no solo reduce los costos energéticos de los datos en un 10 % anual, sino también para los centros de datos que utilizan fuentes de energía basadas en carbono, lo cual disminuye 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 enfriamiento directo al chip. De los estudios 1 a 2, el consumo energético 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.
Con base en estos resultados, la PUE del centro de datos calculada para cada estudio puede resultar sorprendente. La 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 está familiarizado con la manera en la cual se calcula la PUE, es posible que ya haya adivinado el motivo de esta discrepancia. La PUE es esencialmente una medida de la eficiencia de la infraestructura, calculada al dividir la potencia total del centro de datos entre la potencia de TI. Sin embargo, el enfriamiento líquido no solo redujo el consumo en las instalaciones, sino que también redujo el consumo energético de TI (según la definición de PUE) al reducir la demanda de ventiladores en los servidores.
El consumo energético de los ventiladores del servidor 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 estudio 4.
A diferencia del enfriamiento por aire, el enfriamiento líquido afecta tanto al numerador (potencia total del centro de datos) como al denominador (potencia del equipo de TI) en el cálculo de la PUE, lo cual la hace ineficaz para comparar la eficiencia de los sistemas de enfriamiento líquido y por aire.
En nuestro artículo, proponemos una Efectividad del consumo total (TUE) como una mejor métrica para este propósito y explicaré por qué se tomó esta decisión en una publicación de seguimiento. La TUE para el centro de datos que fue objeto de nuestro análisis mejoró un 15,5 % entre los estudios 1 y 4; creemos que es una medida precisa de las ganancias en la eficiencia del centro de datos logradas mediante la implementación optimizada de enfriamiento líquido.
Principales conclusiones del análisis de eficiencia energética del enfriamiento líquido en el centro de datos
El análisis proporcionó amplia información sobre la eficiencia del enfriamiento líquido en el centro de datos y cómo se puede optimizar. Animo a los diseñadores de centros de datos, en particular, a leer el documento completo, el cual incluye los datos de apoyo que se utilizaron para derivar los resultados indicados en la sección anterior. A continuación, encontrará algunas de las principales conclusiones que podrían ser de interés para un público más amplio.
- En los centros de datos de alta densidad, el enfriamiento líquido ofrece mejoras en la eficiencia energética de los sistemas de TI y de las instalaciones en comparación con el enfriamiento por aire. En nuestro estudio totalmente optimizado, la introducción del enfriamiento líquido creó 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 del enfriamiento líquido del centro de datos, en términos del porcentaje de carga de TI enfriada por líquido, ofrece la máxima eficiencia. Con el enfriamiento directo al chip, no es posible enfriar toda la carga con líquido, pero aproximadamente el 75 % de la carga se puede enfriar de forma efectiva mediante el enfriamiento líquido directo al chip.
- El enfriamiento líquido puede permitir mayores temperaturas de entrada de agua helada, aire de suministro y secundarias que maximizan la eficiencia de la infraestructura de las instalaciones. En particular, debe considerarse el enfriamiento 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, y a la vez aumentó las oportunidades de reutilización del calor residual.
- La PUE no es una buena medida de la eficiencia del enfriamiento líquido del centro de datos y las métricas alternativas como la TUE resultarán más útiles para guiar las decisiones de diseño relacionadas con la introducción del enfriamiento líquido en un centro de datos enfriado por aire.
Por último, quiero dar las gracias a mis compañeros de Vertiv y NVIDIA por su trabajo en este análisis revolucionario. Los resultados no solo cuantifican el ahorro energético que se puede lograr mediante el enfriamiento líquido, sino que les proporcionan a los diseñadores datos valiosos que se pueden utilizar para optimizar las instalaciones de enfriamiento líquido del centro de datos.
Para obtener más información sobre las tendencias que impulsan la adopción del enfriamiento líquido, consulte la entrada del blog, Enfriamiento líquido: Soluciones de centros de datos para la computación de alta densidad, la cual resume el análisis de un panel de expertos en enfriamiento líquido en la Cumbre Global OCP 2022.
