Les opérateurs de centres de données évaluent les technologies de refroidissement liquide pour augmenter l’efficacité énergétique à mesure que les applications informatiques à forte intensité de traitement augmentent. Selon le groupe Dell’Oro, les revenus du marché du refroidissement liquide s’approchent de 2 milliards de dollars d’ici 2027 avec un TCAC de 60 % pour les années 2020 à 2027, alors que les organisations adoptent plus de services infonuagiques, utilisent l’intelligence artificielle (IA) pour alimenter l’analyse avancée et la prise de décision automatisée et permettent les applications de chaîne de blocs et de cryptomonnaie.
Implications matérielles de l’IA pour la gestion thermique, 2023 Dell’Oro Group
Actuellement, les centres de données prennent en charge les exigences d’alimentation de bâti supérieures à 20 kilowatts (kW), mais le marché se dirige vers 50 kW ou plus. Les unités de traitement centrales (UC) et les unités de traitement graphique (UCG) de nouvelle génération ont des propriétés de densité thermique plus élevées que les architectures de génération précédente. De plus, les fabricants de serveurs emballent plus d’UCT et de processeurs graphiques dans chaque bâti pour répondre à la demande croissante d’applications informatiques et d’IA haute performance.
Le traitement de l’air affiche maintenant ses limites. Le refroidissement à l’air traditionnel ne peut pas refroidir ces bâtis à haute densité de manière efficace et durable.
Par conséquent, les opérateurs de centres de données étudient leurs options de refroidissement liquide. Le refroidissement liquide tire parti des propriétés de transfert thermique plus élevées de l’eau ou d’autres fluides pour soutenir un refroidissement efficace et rentable des bâtis à haute densité et peut être jusqu’à 3 000 fois plus efficace que l’utilisation d’air. Éprouvé depuis longtemps pour les applications d’ordinateur central et de jeu, le refroidissement liquide s’étend pour protéger les serveurs montés sur bâti dans les centres de données du monde entier. Vertiv a créé un large éventail de ressources pour vous aider à comprendre les défis, les opportunités et les exigences techniques que présente le refroidissement liquide. Ces ressources vous aideront à décider comment appliquer et mettre à l’échelle le refroidissement liquide dans l’ensemble de l’empreinte de votre centre de données.
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Comprendre les options et les performances de refroidissement liquide
Les opérateurs de centres informatiques suivent l’un des trois chemins avec le refroidissement liquide. Ils développent des centres de données à liquide seulement, des installations à refroidissement par air à l’épreuve du temps avec une nouvelle infrastructure pour soutenir les bâtis à refroidissement par liquide à l’avenir et intègrent le refroidissement par liquide dans les installations à refroidissement par air actuelles qui n’ont pas l’infrastructure nécessaire pour le soutenir. La plupart choisiront probablement cette dernière voie, afin d’obtenir une capacité qui répond aux besoins de l’entreprise à court terme et offre un retour sur investissement rapide.
L’installation du refroidissement liquide peut devenir compliquée. Les équipes des centres de données voudront travailler avec un partenaire pour examiner les problèmes clés, y compris les exigences en matière de plomberie, la distribution du refroidissement, l’équilibrage de la capacité, les stratégies d’atténuation des risques et les systèmes de rejet de chaleur.
Vos options de refroidissement liquide comprennent :
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Échangeurs thermiques de porte arrière – Les échangeurs thermiques passifs ou actifs remplacent la porte arrière du bâti d’équipement informatique par un échangeur thermique liquide. Ces systèmes peuvent être utilisés en conjonction avec des systèmes de refroidissement par air pour refroidir les environnements avec des densités de bâtis mixtes.
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Refroidissement liquide directement sur la puce – Les plaques froides directement sur la puce reposent sur les composants générateurs de chaleur du tableau pour évacuer la chaleur par des plaques froides monophasées ou des unités d’évaporation biphasées. Ces technologies de refroidissement peuvent éliminer environ 70 à 75 % de la chaleur générée par l’équipement dans le bâti, laissant 25 à 30 % qui doivent être éliminés par les systèmes de refroidissement à l’air.
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Refroidissement par immersion – Les systèmes de refroidissement par immersion monophasés et biphasés submergent les serveurs et autres composants dans le bâti dans un liquide diélectrique thermoconducteur, éliminant ainsi le besoin de refroidissement par air. Cette approche maximise les propriétés de transfert thermique du liquide et est la forme de refroidissement liquide la plus écoénergétique sur le marché.
Six éléments à prendre en considération lors de l’introduction du refroidissement liquide dans les centres de données refroidis à l’air
Alors que des centres de données liquides uniquement sont en cours de développement et que certains nouveaux centres de données refroidis par air sont conçus pour accueillir des bâtis refroidis par liquide à l’avenir, le scénario le plus courant auquel les opérateurs font face aujourd’hui est l’intégration du refroidissement liquide dans les installations refroidies par air existantes qui n’ont pas l’infrastructure nécessaire pour le soutenir.
Cela peut, sans surprise, devenir compliqué. Si vous envisagez d’apporter du liquide dans un centre de données refroidi à l’air, voici quelques problèmes clés que vous devriez être prêt à résoudre.
Le type de liquide utilisé et le rapport charge thermique/liquide influencent considérablement la conception globale du système d’une installation hybride. Des rapports chaleur-liquide plus élevés réduisent la demande sur l’infrastructure de refroidissement de l’air. Les variables de la charge thermique, des débits de liquide et de la pression fonctionnent ensemble pour contribuer à la solution de refroidissement liquide globale et doivent être envisagées tôt dans le processus d’apport de liquide dans le support.
Le composant le plus fondamental de l’infrastructure de refroidissement liquide, la tuyauterie qui transporte le liquide de refroidissement vers le bâti, peut également être le plus difficile à déployer dans une installation existante.
Dans la plupart des cas, une approche progressive est nécessaire pour minimiser les perturbations des opérations. En colocation, les opérateurs ajoutent de la plomberie à une ou deux suites en réponse aux exigences connues des clients. À mesure que les demandes des clients augmentent, elles s’étendront à des suites supplémentaires. La même approche est appliquée dans l’entreprise où une section d’angle du centre de données peut être consacrée aux bâtis refroidis par liquide.
Pour les centres de données à plancher surélevé, des canalisations mal planifiées peuvent obstruer le débit d’air. Des simulations de dynamique des fluides informatiques (CFD) doivent être utilisées pour configurer la tuyauterie afin de minimiser l’impact sur le débit d’air à travers le sol.
Dans les centres de données de dalles, la tuyauterie est généralement passée sur les allées et la structure du plafond est soutenue avec des bacs d’égouttement sous tous les raccords pour minimiser l’impact des fuites potentielles. La compatibilité des matériaux mouillés et le choix du bon type de raccords sont également essentiels au succès à long terme d’un déploiement de refroidissement liquide.
Distribution
Avec le refroidissement par liquide, vous devez établir une boucle de refroidissement secondaire dans l’installation qui permet un contrôle précis du liquide distribué au bâti. Le composant clé de cette boucle est l’unité de distribution du liquide de refroidissement (CDU). Le CDU offre un contrôle de la température et du débit et la capacité de maintenir l’hygiène des liquides en utilisant la filtration pour capturer les débris.
Pour les projets plus petits, un CDU avec un échangeur de chaleur liquide-air peut simplifier le déploiement, en supposant que le système de refroidissement d'air peut gérer la chaleur rejetée par le CDU. Dans la plupart des cas, le CDU utilisera un échangeur de chaleur liquide-liquide pour capturer la chaleur renvoyée des grilles et la rejeter par le système d'eau glacée. Bien que les UFC puissent être positionnées sur le périmètre du centre de données, la plupart des unités sont conçues pour s’adapter à la rangée afin qu’elles puissent être situées à proximité des bâtis qu’elles supportent.
Vertiv™’utilise comme un échangeur de chaleur liquide-air pour les puces de refroidissement.
Équilibrage de la capacité
Les méthodes de refroidissement liquide les plus couramment utilisées aujourd’hui, les échangeurs de chaleur de porte arrière et les plaques froides directement sur puce, fonctionnent avec les systèmes de refroidissement à air plutôt que de façon indépendante. Le refroidissement par immersion, monophasé et biphasique, fait également des progrès.
Vous devrez déterminer la charge thermique totale que chaque système supportera, la capacité de refroidissement d’air que le système liquide déplacera et où le système de refroidissement liquide peut introduire de nouvelles exigences sur les systèmes de refroidissement d’air. Par exemple, les échangeurs de chaleur de la porte arrière expulsent l’air refroidi dans le centre de données, et le système de refroidissement d’air doit pouvoir gérer la chaleur du bâti si une ou plusieurs portes arrière sont ouvertes pour l’entretien. Dans les applications de porte arrière, un refroidisseur est généralement utilisé pour atteindre les températures d'eau désirées. Il peut y avoir une occasion de convertir les centrales de traitement d'air existantes de la salle informatique en refroidisseurs intérieurs ayant la même empreinte.
Conçu pour éliminer les obstacles au refroidissement liquide dans un environnement refroidi par air, le refroidisseur intérieur divisé Liebert® XDM est un échangeur liquide-liquide pour les applications de refroidissement de porte arrière qui offre un déploiement facile et rentable dans n’importe quel centre de données.
Le plus grand obstacle à la croissance du refroidissement liquide a été les préoccupations concernant les risques associés au déplacement du liquide vers le support. Les systèmes refroidis par liquide d’aujourd’hui minimisent ce risque en limitant le volume de fluides distribués et en intégrant la technologie de détection des fuites dans les composants du système et aux emplacements critiques du système de tuyauterie.
Lorsque des fluides diélectriques sont utilisés, le risque de dommages matériels causés par des fuites est éliminé, mais le coût élevé de ces fluides justifie l’inclusion de systèmes de détection des fuites similaires à ceux utilisés dans les systèmes à base d’eau. Le projet Open Compute a publié un excellent document sur les technologies et les stratégies de détection des fuites, la détection et l’intégration des fuites, qui est recommandé pour toute personne apportant du liquide dans son centre de données.
Les systèmes de rejet de chaleur finaux doivent être adaptés à l’échelle du déploiement, au type de liquide utilisé et à l’emplacement géographique du déploiement. Les tours de refroidissement ou les refroidisseurs secs existants peuvent être utilisés pour le rejet de chaleur de refroidissement liquide, mais des modifications, telles que l’ajout d’une assistance adiabatique à un système de refroidissement sec, peuvent être nécessaires pour maintenir les basses températures d’alimentation requises par les systèmes de refroidissement liquide. Travaillez avec votre partenaire d’infrastructure pour évaluer les systèmes de rejet de chaleur existants en fonction des exigences spécifiques du système de refroidissement liquide en cours de déploiement.
L’introduction du refroidissement liquide dans un centre de données refroidi par air nécessite une planification et une ingénierie minutieuses, mais les technologies et les meilleures pratiques sont disponibles aujourd’hui pour soutenir un déploiement réussi et minimalement perturbateur.
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Comment calculer l’impact du refroidissement liquide sur l’efficacité
Comme indiqué ci-dessus, l’adoption du refroidissement liquide des centres informatiques 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 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 des économies d’énergie et l’efficacité.
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.
Principaux points à retenir de l’analyse de l’efficacité énergétique du refroidissement liquide du centre de données
Efficacité de la consommation d’énergie
L’UEP n’est pas une bonne mesure de l’efficacité du refroidissement liquide du centre de données. Contrairement au refroidissement par air, le refroidissement par liquide affecte le numérateur (puissance totale du centre de données) et le dénominateur (puissance de l’équipement informatique) dans le calcul de l’UEP, ce qui le rend inefficace pour comparer l’efficacité des systèmes de refroidissement par liquide et par air.
Efficacité totale de l’utilisation
- D’autres mesures, comme l’efficacité totale de l’utilisation (TUE, Total Usage Effectiveness) 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.
- TUE = ITUE x PUE (ITUE = Énergie totale dans l’équipement informatique/Énergie totale dans les composants de calcul)
- Ou TUE = Puissance totale pour le centre de données/Puissance totale pour le calcul, le traitement et le stockage des composants
Dans les centres de données à haute densité, le refroidissement liquide améliore 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.
Efficacité accrue grâce aux technologies de refroidissement liquide
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 par 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.
Solutions de refroidissement de centre de données : Présentez les liquides en toute confiance
Pour en savoir plus sur l’introduction en toute confiance du refroidissement liquide dans votre centre de données, regardez cette vidéo
Options pour les systèmes hybrides de refroidissement par air/liquide et les centres de données entièrement refroidis par liquide
Peu importe où vous en êtes dans votre parcours de refroidissement liquide, Vertiv offre des solutions et des services pour vous aider à atteindre vos objectifs commerciaux et vos exigences techniques.
En tant que chef de file mondial de la gestion thermique, Vertiv apporte une approche holistique à l’installation refroidie par liquide. Nos solutions sont basées sur des années de recherche et de développement en collaboration avec les universités partenaires du Center for Energy-Smart Electronic Systems (ES2), le Green Grid and Open Compute Project et Green Revolution Cooling.
Grâce à ces efforts et à notre programme intensif de recherche et développement sur le refroidissement liquide, Vertiv suit le rythme des exigences changeantes des clients. Nous offrons un portefeuille de solutions qui prennent en charge le refroidissement hybride par air et liquide, ainsi que des centres de données entièrement refroidis par liquide, notamment :
- Unités de distribution de liquide de refroidissement (CDU) et refroidisseurs intérieurs conçus pour fournir des solutions d’infrastructure complètes pour le refroidissement liquide des centres de données
- Échangeurs de chaleur actifs et passifs pour portes arrière
- Systèmes de rejet de chaleur conçus pour fonctionner avec les CDU et les refroidisseurs de refroidissement liquide
- Solutions de modernisation qui permettent de modifier l’équipement de refroidissement de l’air pour soutenir le refroidissement liquide
- Pratiques et services établis pour la mise en service, le démarrage et l’exploitation de l’infrastructure de refroidissement liquide
Réimpression du rapport d’aperçu du marché à partir de l’information du marché mondial de S&P
Vertiv prend en charge le refroidissement liquide pour l’informatique à haute densité avec une nouvelle unité de distribution de liquide de refroidissement
