L’adoption du refroidissement liquide des centres de données continue de prendre de l’élan en raison de sa capacité à fournir un refroidissement plus efficace des bâtis informatiques à haute densité. Pourtant, les concepteurs et les opérateurs de centres de données n’ont pas eu de données qui pourraient être utilisées pour projeter l’impact du refroidissement liquide sur l’efficacité du centre de données et les aider à optimiser le déploiement du refroidissement liquide pour l’efficacité énergétique.
Pour combler ce vide, une équipe de spécialistes de NVIDIA et Vertiv a effectué la première analyse majeure de l’impact du refroidissement liquide sur l’UEP du centre de données et la consommation d’énergie. L’analyse complète a été publiée par l’American Society of Mechanical Engineers (ASME) dans l’article Power Usage Effectiveness Analysis of a High-Density Air-Liquid Hybrid Cooled Data Center. Cette publication résume la méthodologie, les résultats et les principaux points à retenir de cette analyse.
Méthodologie pour l’analyse de l’efficacité énergétique du refroidissement liquide du centre de données
Pour notre analyse, nous avons choisi un centre de données de taille moyenne (1 à 2 mégawatts), de niveau 2, à Baltimore, Maryland. L’installation abrite 50 bâtis haute densité disposés en deux rangées. La référence pour l’analyse était le refroidissement à 100 % de l’air fourni par deux unités de traitement de l’air de salle informatique (CRAH) périmétriques avec confinement de l’allée chaude. Les unités de refroidissement sont prises en charge par un refroidisseur AFC Vertiv™ Liebert® avec refroidissement libre, refroidissement libre adiabatique, refroidissement hybride et capacités de refroidissement mécanique adiabatique.
Le refroidissement liquide est activé par le refroidissement direct à la puce par le biais de plaques froides microcanaux montées sur les principaux composants informatiques générateurs de chaleur et prises en charge par deux unités de distribution de liquide de refroidissement (CDU) Vertiv™ 
Schéma du centre de données utilisé pour l’analyse de l’énergie mettant en vedette les Vertiv™. et Vertiv . Liebert® XDU et Vertiv™ .
L’analyse a utilisé une approche « ascendante » en désagrégeant la charge informatique en sous-systèmes qui a permis l’impact d’une augmentation progressive du pourcentage de la charge refroidie par liquide pour être calculée avec précision pour chaque sous-système. Nous avons ensuite mené quatre études, augmentant le pourcentage de refroidissement liquide dans chaque étude tout en mettant en œuvre des optimisations de la température de l’eau glacée, de la température de l’air d’alimentation et de la température d’entrée secondaire activées par l’utilisation du refroidissement liquide.
- Étude 1 : Refroidissement à 100 % de l'air avec une température d'eau glacée de 7,2 degrés Celsius (45 Fahrenheit), une température d'air d'alimentation de 25 C (77 F) et une température d'entrée secondaire de 32 C (89,6 F).
- Étude 2 : 61,4 % de la brassée est refroidie par liquide et 38,6 % par air. La température de l’eau froide est augmentée à 18 °C (64,4 °F), la température de l’air d’alimentation est maintenue à 25 °C (77 °F) et la température d’entrée secondaire est maintenue à 32 °C (89,6 °F).
- Étude 3 : 68,6 % de la charge est refroidie par liquide et 31,4 % par air. La température de l’eau froide est augmentée à 25 °C (77 °F), la température de l’air d’alimentation est augmentée à 35 °C (95 °F) et la température d’entrée secondaire est maintenue à 32 °C (89,6 °F).
- Étude 4 : 74,9 % de la charge est refroidie par liquide et 25,1 % par air. La température de l’eau froide est maintenue à 25 °C (77 °F), la température de l’air d’alimentation est maintenue à 35 °C (95 °F) et la température d’entrée secondaire est augmentée à 45 °C (113 °F).
Impact de l’introduction du refroidissement liquide sur la consommation d’énergie des centres de données et les PUE
La mise en œuvre complète du refroidissement liquide dans l’étude 4 (74,9 %) a produit une réduction de 18,1 % de l’alimentation de l’installation et une réduction de 10,2 % de l’alimentation totale du centre de données par rapport au refroidissement à 100 % de l’air. Cela a pour effet non seulement de réduire les coûts énergétiques des données de 10 % par an, mais aussi de réduire les émissions de portée 2 de la même quantité pour les centres de données utilisant des sources d’énergie à base de carbone.
La puissance totale du centre de données a été réduite avec chaque augmentation du pourcentage de la charge refroidie par refroidissement direct à la puce. De l’étude 1 à l’étude 2, la consommation d’énergie a été réduite de 6,4 %; une réduction supplémentaire de 1,8 % a été obtenue entre les études 2 et 3; et une autre amélioration de 2,5 % a été observée entre les études 3 et 4.
Selon ces résultats, l’UEP du centre de données calculée pour chaque étude pourrait s’avérer surprenante. L’UEP n’a chuté que de 3,3 %, passant de 1,38 dans l’étude 1 à 1,34 dans l’étude 4 et est restée stable à 1,35 pour les études 2 et 3.
Si vous connaissez le calcul de l’UEP, vous avez peut-être déjà deviné la raison de cette divergence. L’UEP est essentiellement une mesure de l’efficacité de l’infrastructure qui est calculée en divisant l’alimentation totale du centre de données par l’alimentation des TI. Mais le refroidissement liquide n’a pas seulement réduit la consommation du côté de l’installation, il a également réduit la consommation d’énergie des TI (selon la définition de l’UEP) en réduisant la demande des ventilateurs de serveur.
La consommation d’énergie du ventilateur du serveur a diminué de 41 % entre l’étude 1 et l’étude 2, et de 80 % entre l’étude 1 et l’étude 4. Cela a entraîné une réduction de 7 % de la puissance des TI entre les études 1 et 4.
Contrairement au refroidissement par air, le refroidissement par liquide affecte à la fois le numérateur (puissance totale du centre de données) et le dénominateur (puissance de l’équipement informatique) dans le calcul du PUE, ce qui le rend inefficace pour comparer l’efficacité des systèmes de refroidissement par liquide et par air.
Dans notre article, nous proposons l’efficacité totale de l’utilisation (ETU) comme meilleure mesure à cette fin et j’expliquerai pourquoi cette décision a été prise dans un message de suivi. Le TUE pour le centre de données qui a fait l’objet de notre analyse s’est amélioré de 15,5 % entre les études 1 et 4, ce qui, selon nous, est une mesure précise des gains d’efficacité du centre de données réalisés grâce au déploiement optimisé du refroidissement liquide.
Principaux points à retenir de l’analyse de l’efficacité énergétique du refroidissement liquide du centre de données
L’analyse a fourni de multiples renseignements sur l’efficacité du refroidissement liquide des centres de données et sur la façon dont il peut être optimisé. J’encouragerais les concepteurs de centres de données, en particulier, à lire l’article complet, qui comprend les données à l’appui qui ont été utilisées pour obtenir les résultats énoncés dans la section précédente. Voici quelques-uns des principaux points à retenir qui pourraient intéresser un public plus large.
- Dans les centres de données à haute densité, le refroidissement liquide offre des améliorations de l’efficacité énergétique des systèmes informatiques et des installations par rapport au refroidissement par air. Dans notre étude entièrement optimisée, l’introduction du refroidissement liquide a entraîné une réduction de 10,2 % de l’alimentation totale du centre de données et une amélioration de plus de 15 % du TUE.
- L’optimisation de la mise en œuvre du refroidissement liquide du centre de données, en termes de pourcentage de la charge informatique refroidie par liquide, offre la plus grande efficacité. Avec le refroidissement direct à la puce, il n’est pas possible de refroidir toute la brassée avec du liquide, mais environ 75 % de la charge peut être refroidie efficacement par refroidissement liquide direct à la puce.
- Le refroidissement liquide peut permettre des températures plus élevées de l'eau réfrigérée, de l'air d'alimentation et des températures d'entrée secondaires qui maximisent l'efficacité de l'infrastructure de l'installation. Le refroidissement à l’eau chaude, en particulier, doit être envisagé. Les températures d’entrée secondaires de notre étude finale ont été augmentées à 45 °C (113 °F), ce qui a contribué aux résultats obtenus tout en augmentant les possibilités de réutilisation de la chaleur résiduelle.
- L’UEP n’est pas une bonne mesure de l’efficacité du refroidissement liquide d’un centre de données, et d’autres mesures comme l’UET s’avéreront plus utiles pour guider les décisions de conception liées à l’introduction du refroidissement liquide dans un centre de données refroidi par air.
Enfin, je tiens à remercier mes collègues de Vertiv et NVIDIA pour leur travail sur cette analyse révolutionnaire. Les résultats quantifient non seulement les économies d’énergie qui peuvent être réalisées grâce au refroidissement liquide, mais fournissent également aux concepteurs des données précieuses qui peuvent être utilisées pour optimiser les installations de refroidissement liquide du centre de données.
Pour en savoir plus sur les tendances qui favorisent l’adoption du refroidissement liquide, consultez le billet de blogue Liquid Cooling : Solutions de centre de données pour le calcul haute densité, qui résume les idées d’un groupe d’experts en refroidissement liquide au sommet mondial de l’OCP 2022.
