Los centros de datos de inteligencia artificial están implementando soluciones de enfriamiento líquido para mejorar el gerenciamiento térmico a medida que aumentan las cargas de trabajo de computación de alto rendimiento (HPC). Una de las opciones más comunes es el enfriamiento directo al chip, el cual aprovecha las propiedades de alta transferencia térmica del líquido para eliminar el calor de los chips individuales del procesador.
El enfriamiento líquido asistido 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 enfriamiento de sala y líquido directo puede ayudar a las organizaciones a reducir los costos energéticos, aumentar el rendimiento y satisfacer las demandas de los centros de datos de IA.
Descripción general del enfriamiento líquido del centro de datos
La adopción generalizada de los servicios de HPC, como la IA, el aprendizaje automático (ML) y el análisis de datos, genera un rápido aumento en el consumo energético y las densidades de los chips, los servidores y racks. A medida que las densidades de los racks aumentan a 20 kilovatios (kW) y se acercan rápidamente a 50 kW, los niveles de calor de la infraestructura de HPC están llevando las capacidades de los métodos tradicionales de enfriamiento de salas a sus límites. Además, existe una creciente presión global sobre los centros de datos y otras empresas para reducir continuamente el consumo energético. Para satisfacer estas demandas, los operadores de centros de datos están investigando sus opciones de enfriamiento líquido (consulte la Figura 1).
El enfriamiento líquido 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 efectiva que el uso de enfriamiento por aire solo para la infraestructura de HPC, cuyos niveles de calor superan las capacidades de los métodos tradicionales. El enfriamiento líquido incluye varias técnicas para gestionar el calor en centros de datos de inteligencia artificial.
Opciones de enfriamiento de HPC
Los operadores de centros de datos están adoptando tres enfoques para el enfriamiento líquido: la construcción de centros de datos completamente enfriados por líquido, la adaptación de instalaciones enfriadas por aire para soportar racks enfriados por líquido en el futuro y la integración del enfriamiento líquido en instalaciones existentes enfriadas por aire. La mayoría de los operadores probablemente elijan este último enfoque para aumentar la capacidad, satisfacer las necesidades comerciales inmediatas y lograr un rápido retorno de la inversión. Las opciones de enfriamiento líquido para la infraestructura de HPC incluyen intercambiadores de calor de puerta trasera (RDHx), enfriamiento directo al chip y enfriamiento por inmersión.
Más información
Opciones de enfriamiento líquido para centros de datos
Los operadores de centros de datos están evaluando tecnologías de enfriamiento líquido para aumentar la eficiencia energética a medida que crecen las aplicaciones informáticas de procesamiento intensivo.
Comprensión del enfriamiento directo al chip
El enfriamiento directo al chip es una avanzada tecnología de gerenciamiento térmico que se emplea principalmente en centros de datos que utilizan hardware de HPC para disipar el calor de manera eficiente. Este método implica hacer circular un refrigerante líquido dieléctrico seguro directamente sobre las superficies de los chips de computadora a través de placas frías para absorber y eliminar el calor de manera eficiente (consulte la Figura 2). Esto puede mantener las temperaturas de los procesadores a niveles óptimos, independientemente de la carga y los climas externos.
El enfriamiento directo al chip mejora la eficiencia energética, minimiza el riesgo de sobrecalentamiento y mejora el rendimiento general del sistema. Los operadores de centros de datos de HPC consideran que este enfoque es un método eficiente de enfriamiento de centros de datos, ya que el enfriamiento se aplica directamente a los componentes generadores de calor de los procesadores y otro hardware. Esta tecnología es especialmente crítica a medida que los centros de datos evolucionan para manejar las crecientes demandas computacionales y se esfuerzan por lograr una mayor densidad y eficiencia.
Componentes básicos de los sistemas de enfriamiento directo al chip
El enfriamiento directo al chip disipa el calor directamente del chip, lo cual le permite a los centros de datos soportar mayores densidades de rack y maximizar la eficiencia energética. Esta solución de enfriamiento líquido tiene varios componentes que funcionan sin problemas. Los componentes del enfriamiento directo al chip incluyen los siguientes:
- El líquido refrigerante está compuesto por un compuesto dieléctrico o fluido especialmente diseñado para ser aplicado directamente sobre el chip
- Un tubo (o circulador) que mueve el líquido
- Una placa donde el líquido puede pasar
- Un material de interfaz térmica que conduce el calor desde la fuente hasta la placa
¿Cómo funciona el enfriamiento directo al chip?
El enfriamiento directo al chip extrae calor a través de un proceso monofásico o bifásico. Estos métodos mejoran la eficiencia de los sistemas de enfriamiento en los centros de datos de inteligencia artificial.
Enfriamiento monofásico directo al chip
El enfriamiento monofásico directo al chip implica el uso de una placa fría para transferir el calor de los componentes del servidor como CPU y GPU. Un fluido refrigerante 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 su rechazo exterior (consulte la Figura 3). Los refrigerantes no conductores reducen los riesgos eléctricos, para mejorar la seguridad y confiabilidad la del sistema.
La selección del fluido se determina al equilibrar 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 cual reduce la captura de calor, pero aumenta la viscosidad para mejorar la eficiencia del bombeo. Estos sistemas también pueden utilizar fluido dieléctrico para mitigar los daños provocados por una fuga; sin embargo, el fluido dieléctrico tiene una menor capacidad de transporte térmico que la mezcla de agua/glicol.
Enfriamiento de dos fases directo al chip
Con las placas frías de dos fases, 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 lejos del evaporador y lo transfiere fuera del estante para un rechazo efectivo del calor.
Beneficios del enfriamiento directo al chip
Calculando la eficiencia que aporta el enfriamiento directo al chip, la tecnología está ganando fuerza para el aprendizaje continuo y la innovación que proporciona a la industria:
Mayor confiabilidad y rendimiento: Las soluciones de enfriamiento directo al chip y otras soluciones de enfriamiento líquido minimizan el riesgo de sobrecalentamiento y mantienen temperaturas de funcionamiento uniformes y más bajas, lo cual es crucial para mantener la confiabilidad y la longevidad del hardware de HPC y evitar la degradación del rendimiento.
Mayor consideración del diseño y la implementación del sistema: El enfriamiento directo al chip puede integrarse sin problemas en los diseños de servidores existentes, lo cual minimiza las interrupciones en las operaciones y optimiza el proceso de implementación.
Escalabilidad lista: El enfriamiento líquido permite alojar más procesadores en una espacio más pequeño y elimina la necesidad de expansiones o nuevas construcciones. Al proporcionar un gerenciamiento térmico más eficaz, el enfriamiento directo al chip facilita la escalabilidad cuando se necesita, lo cual promueve el crecimiento de las operaciones sin comprometer el rendimiento y la ejecución de servicios.
Menor Costo total de propiedad (TCO): En su informe, la Sociedad Estadounidense de Ingenieros de Calefacción, Refrigeración y Aire Acondicionado (American Society of Heating, Refrigerating, and Air-Conditioning Engineers, ASHRAE) descubrió que los centros de datos que utilizan enfriamiento por aire y por líquido pueden reducir el TCO en comparación con los sistemas exclusivamente enfriados por aire. Esta reducción se debe a una mayor densidad, una mayor utilización de enfriamiento libre y un mejor rendimiento por vatio.
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Transformación de enfriamiento del DCD
Datacenter Dynamics informa que el enfriamiento representa hasta el 40 % de la factura energética total del centro de datos. Con esto en mente, la importancia de encontrar la solución más adecuada no debe subestimarse.
Preparación para la implementación del enfriamiento líquido del centro de datos
No existe una solución de enfriamiento de IA única, ya que las empresas tienen necesidades de computación distintas. Para abordar sus requisitos únicos, los centros de datos modernos, incluidos aquellos enfocados en la inteligencia artificial, pueden comenzar a implementar el enfriamiento directo al chip u otros métodos de enfriamiento de HPC, por medio de dar los siguientes pasos:
Determinación de los requisitos de enfriamiento: Los equipos de TI y de las 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 durante los próximos uno a dos años, ya sea al convertir algunos racks a la vez o dedicar una sala completa.
Medición de la huella térmica: Los equipos de enfriamiento deben identificar la configuración de IA, evaluar los requisitos no estándar y evaluar el flujo de aire actual mientras abordan las brechas entre las nuevas cargas de calor y los límites de enfriamiento.
Evaluación de los caudales: Los equipos pueden optar por actualizar las soluciones de enfriamiento en función del 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 la implementación del enfriamiento directo al chip en centros de datos
Los equipos de TI y de las instalaciones pueden comenzar a implementar soluciones de enfriamiento directo al chip u otras soluciones de enfriamiento líquido del centro de datos después de instalar una infraestructura dedicada que cree un circuito de enfriamiento de fluidos que permita la transferencia térmica entre las instalaciones y los circuitos secundarios y el fluido que no sea agua de las instalaciones que se utilizará para el enfriamiento (consulte la Figura 4).
CDU de líquido a líquido
Las CDU proporcionan refrigerante controlado y sin contaminantes a las placas frías directas sobre el chip, así como a los intercambiadores de calor de la puerta trasera y a los sistemas de enfriamiento por inmersión. Los equipos con acceso a agua helada pueden usar una CDU de líquido a líquido para proporcionar un circuito de enfriamiento separado de equipo de TI refrigerado por líquido, al mantenerlo aislado del sistema de agua helada principal de la instalación. Optar por esta solución les permite elegir el fluido y la velocidad de flujo para las gradillas, como el agua tratada o una mezcla de agua y glicol.
A diferencia de los sistemas tradicionales de enfriamiento de confort que a menudo se apagan después del horario de atención y fuera de temporada, el sistema de agua helada debe funcionar continuamente para una implementación exitosa. Priorizar la calidad del agua a través de opciones de filtración también es esencial cuando se utilizan sistemas de agua helada existentes. Además, las CDU de líquido a líquido requieren la instalación de tuberías y bombas para conectarse al agua de la instalación, lo cual puede afectar los plazos de implementación.
CDU de líquido a aire
Las CDU de líquido a aire proporcionan un bucle de fluido secundario independiente al rack, lo cual disipa el calor de los componentes de TI incluso sin acceso a agua helada. El fluido calentado regresa a la CDU y fluye a través de los serpentines del intercambiador de calor (HX). Los ventiladores soplan aire sobre estos serpentines y dispersar el calor del centro de datos. La infraestructura enfriada por aire existente captura este calor y lo expulsa afuera; esto permite que los centros de datos continúen utilizando métodos tradicionales de enfriamiento de salas con enfriamiento directo al chip.
Las CDU de líquido a aire pueden acelerar la implementación de enfriamiento por líquido al utilizar unidades de enfriamiento de sala existentes para el rechazo del calor. Esta opción requiere modificaciones mínimas para conectar las tuberías de agua a los sistemas de construcción, ocupa menos espacio y tiene costos iniciales y de instalación más bajos en comparación con las CDU de líquido a líquido. Sin embargo, las CDU de líquido a aire tienen capacidad de enfriamiento limitada, lo cual 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 basados en refrigerante para el rechazo de calor por expansión directa (DX). Este enfoque maximiza la infraestructura DX existente y mejora la capacidad de enfriamiento de líquidos cuando es necesario. Permite que los centros de datos puedan implementar rápidamente el enfriamiento de HPC sin necesidad de agua helada en el sitio, lo cual facilita configuraciones modulares sin necesidad de transformar completamente la infraestructura de enfriamiento existente.
Las CDU de líquido a refrigerante que funcionan con tecnología de rechazo de calor de economización de refrigerante bombeado (PRE) proporcionan enfriamiento basado en las temperaturas ambiente, lo cual reduce el consumo energético. Los componentes internos enfrían la red de fluidos secundaria para suministrar enfriamiento 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 el enfriamiento de alta densidad. Cuando tienen el tamaño adecuado, los RDHx pueden utilizarse con sistemas de enfriamiento por aire existentes, sin necesidad de cambios estructurales significativos en el espacio libre. 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 exitosa del enfriamiento directo al chip
La implementación de tecnologías de enfriamiento directo al chip implica una evaluación cuidadosa de diversos desafíos que pueden afectar su integración. Las consideraciones clave incluyen la compatibilidad con la infraestructura actual, la gestión eficaz de fluidos y el abordaje de las limitaciones de capacidad del equipo para garantizar una implementación exitosa.
Distribución de fluidos
El diseño de sistemas de distribución de fluidos seguros y eficientes con riesgos mínimos de fuga, junto con la detección proactiva de fugas, es esencial para una implementación exitosa. Los equipos de TI y de las instalaciones deben verificar la composición química, la temperatura del sistema, la presión y los accesorios para evitar fugas o fallas. La implementación de conexiones de desconexión rápida y válvulas de cierre mejora la capacidad de servicio, facilita la desconexión de las conexiones y permite una intervención rápida de las fugas. Además, el diseño de los componentes críticos de la infraestructura, particularmente 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 integral de detección de fugas mejora la seguridad y confiabilidad de las configuraciones de enfriamiento líquido al proporcionar alertas oportunas sobre posibles problemas, lo cual ayuda a reducir los periodos de inactividad y evitar daños al equipo. Los métodos de detección indirecta monitorean 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 y, al mismo tiempo, permite la detección de fugas reales que necesitan atención urgente.
Trabajar estrechamente con los socios de infraestructura es importante para personalizar el sistema para aplicaciones específicas, al maximizar la efectividad de las estrategias de intervención manuales y automatizadas para proteger las configuraciones de alta densidad de más de 30 kW.
Manejo de fluidos
La gestión de fluidos implica servicios personalizados para satisfacer las necesidades de refrigerante de los sistemas de enfriamiento líquido. Estos servicios incluyen la eliminación de contaminación, la purga de aire, el muestreo de refrigerante, pruebas de calidad, ajustes y la eliminación ecológica. Al colaborar con los principales proveedores de refrigerantes, el servicio de gestión de fluidos de Vertiv garantiza el rendimiento óptimo y la confiabilidad de los sistemas de enfriamiento líquidao de Vertiv.
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Cómo implementar el enfriamiento líquido en centros de datos existentes
A medida que aumenta la demanda de modelos de inteligencia artificial (IA) y aprendizaje automático (ML), es probable que esté evolucionando su estrategia de enfriamiento y explorando nuevas opciones. Cree su hoja de ruta para adoptar el enfriamiento líquido con esta guía técnica, con estrategias prácticas para adoptar el enfriamiento líquido para cargas de TI de 1MW.
Elija su camino hacia la alta densidad
La tecnología de enfriamiento directo al chip está transformando los centros de datos al abordar las intensas cargas de calor asociadas a las cargas de trabajo de HPC, como la IA, el aprendizaje automático y el análisis de big data. Con la creciente demanda de energía de procesamiento, las soluciones de enfriamiento más eficientes son esenciales para mantener un rendimiento óptimo.
Dé el siguiente paso hacia la computación de alta densidad con confianza. No importa dónde comience o hacia dónde quiera ir, Vertiv puede personalizar soluciones para transformar las capacidades de enfriamiento de su centro de datos.
