A adoção do arrefecimento líquido de centros de dados continua a ganhar impulso com base na sua capacidade de fornecer arrefecimento mais eficiente e eficaz de bastidores de TI de alta densidade. No entanto, os designers e operadores de centros de dados não têm dados que pudessem ser utilizados para projetar o impacto do arrefecimento líquido na eficiência do centro de dados e ajudá-los a otimizar a implementação de arrefecimento líquido para eficiência energética.
Para preencher esse vazio, uma equipa de especialistas da NVIDIA e da Vertiv realizou a primeira análise principal do impacto do arrefecimento líquido no PUE do centro de dados e no consumo de energia. A análise completa foi publicada pela Sociedade Americana de Engenheiros Mecânicos (ASME) no artigo Análise da Eficácia da Utilização de Energia de um Centro de Dados Arrefecido Híbrido a Ar de Alta Densidade. Esta publicação resume a metodologia, os resultados e as principais conclusões dessa análise.
Metodologia para a análise de eficiência energética de arrefecimento líquido do centro de dados
Para a nossa análise, escolhemos um centro de dados de média dimensão (1-2 megawatt), Tier 2 em Baltimore, Maryland. A instalação aloja 50 bastidores de alta densidade dispostos em duas filas. A linha de base para a análise foi o arrefecimento a 100% a ar fornecido por duas unidades de tratamento de ar de sala de computadores de perímetro (CRAH) com contenção de corredor quente. As unidades de arrefecimento são suportadas por um chiller Vertiv™ Liebert® AFC com capacidade de arrefecimento livre, arrefecimento livre adiabático, arrefecimento híbrido e arrefecimento mecânico adiabático.
O arrefecimento líquido é ativado pelo arrefecimento direto ao chip através de placas frias de microcanal montadas nos principais componentes de TI geradores de calor e suportadas por duas unidades de distribuição de líquido de refrigeração (CDUs) Vertiv™ Liebert® XDU com permutadores de calor líquido-líquido.
Esquema do centro de dados utilizado para a análise de energia com o Vertiv™ Liebert® XDU e o Vertiv™ Liebert® PCW.
A análise empregava uma abordagem de “parte inferior para cima” desagregando a carga de TI em subsistemas que permitia o impacto de um aumento progressivo na percentagem da carga arrefecida por líquido a ser calculada com precisão para cada subsistema. Em seguida, realizámos quatro estudos, aumentando a percentagem de arrefecimento líquido em cada estudo, ao mesmo tempo que implementámos otimizações para a temperatura da água arrefecida, temperatura do ar de fornecimento e temperatura de entrada secundária, possibilitadas pela utilização de arrefecimento líquido.
- Estudo 1: arrefecimento a ar a 100% com uma temperatura da água arrefecida de 7,2 graus Celsius (45 Fahrenheit), temperatura do ar de fornecimento de 25 C (77 F) e temperatura da entrada secundária de 32 C (89,6 F).
- Estudo 2: 61,4% da carga é arrefecida por líquido com 38,6% arrefecida por ar. A temperatura da água arrefecida é elevada para 18 C (64,4 F), a temperatura do ar de alimentação é mantida a 25 C (77 F) e a temperatura da entrada secundária é mantida a 32 C (89,6 F).
- Estudo 3: 68,6% da carga é arrefecida por líquido com 31,4% arrefecida por ar. A temperatura da água arrefecida é elevada para 25 C (77 F), a temperatura do ar de alimentação é elevada para 35 C (95 F) e a temperatura da entrada secundária é mantida a 32 C (89,6 F).
- Estudo 4: 74,9% da carga é arrefecida por líquido e 25,1% por ar. A temperatura da água arrefecida é mantida a 25 C (77 F), a temperatura do ar de alimentação é mantida a 35 C (95 F) e a temperatura da entrada secundária é elevada para 45 C (113 F).
Impacto da introdução do arrefecimento líquido no consumo de energia do centro de dados e PUE
A implementação total do arrefecimento líquido no Estudo 4 (74,9%) produziu uma redução de 18,1% na potência das instalações e uma redução de 10,2% na potência total do centro de dados em comparação com o arrefecimento a 100% do ar. Isto tem o efeito de reduzir não só os custos de energia dos dados em 10% anualmente, mas também para centros de dados que utilizam fontes de energia baseadas em carbono, reduzindo as emissões de Âmbito 2 na mesma quantidade.
A potência total do centro de dados foi reduzida com cada aumento na percentagem da carga arrefecida pelo arrefecimento direto ao chip. Do Estudo 1 a 2, o consumo de energia foi reduzido em 6,4%; foi alcançada uma redução adicional de 1,8% entre o Estudo 2 e 3; e foi observada outra melhoria de 2,5% entre o Estudo 3 e 4.
Com base nesses resultados, a PUE do centro de dados calculada para cada estudo pode ser surpreendente. A PUE caiu apenas 3,3%, de 1,38 no Estudo 1 para 1,34 no Estudo 4 e, na verdade, permaneceu plana em 1,35 para os Estudos 2 e 3.
Se estiver familiarizado com a forma como o PUE é calculado, pode já ter adivinhado o motivo desta discrepância. O PUE é essencialmente uma medida da eficiência da infraestrutura que é calculada dividindo a energia total do centro de dados pela energia de TI. Mas o arrefecimento líquido não só reduziu o consumo do lado das instalações, como também reduziu o consumo de energia de TI (de acordo com a definição PUE) ao reduzir a procura de ventiladores de servidor.
O consumo de energia da ventoinha do servidor diminuiu 41% entre o Estudo 1 e o Estudo 2 e 80% entre o Estudo 1 e o Estudo 4. Isto resultou numa redução de 7% na potência de TI entre o Estudo 1 e 4.
Ao contrário do arrefecimento a ar, o arrefecimento líquido afeta o numerador (potência total do centro de dados) e o denominador (potência do equipamento de TI) no cálculo PUE, o que o torna ineficaz para comparar a eficiência dos sistemas de arrefecimento líquido e a ar.
No nosso artigo, propomos a Eficiência Total de Utilização (TUE) como uma métrica melhor para este fim e vou explicar porque é que esta decisão foi tomada numa publicação de seguimento. A AUT para o centro de dados que foi objeto da nossa análise melhorou 15,5% entre o Estudo 1 e 4, que acreditamos ser uma medida precisa dos ganhos na eficiência do centro de dados alcançados através da implementação otimizada de arrefecimento líquido.
Principais conclusões da análise de eficiência energética de arrefecimento líquido do centro de dados
A análise forneceu várias informações sobre a eficiência do arrefecimento líquido do centro de dados e como pode ser otimizado. Incentivo os designers de centros de dados, em particular, a ler o artigo completo, que inclui os dados de apoio que foram utilizados para obter os resultados indicados na secção anterior. Aqui estão algumas das principais conclusões que podem ser do interesse de um público mais amplo.
- Em centros de dados de alta densidade, o arrefecimento líquido proporciona melhorias na eficiência energética dos sistemas de TI e instalações em comparação com o arrefecimento a ar. No nosso estudo totalmente otimizado, a introdução do arrefecimento líquido criou uma redução de 10,2 % na potência total do centro de dados e uma melhoria de mais de 15 % na TUE.
- Maximizar a implementação de arrefecimento líquido do centro de dados — em termos da percentagem da carga de TI arrefecida por líquido — proporciona a mais elevada eficiência. Com o arrefecimento direct-to-chip, não é possível arrefecer toda a carga com líquido, mas aproximadamente 75 % da carga pode ser arrefecida eficazmente através do arrefecimento líquido direct-to-chip.
- O arrefecimento líquido pode permitir temperaturas de entrada de água arrefecida, ar de abastecimento e secundárias mais elevadas que maximizam a eficiência da infraestrutura das instalações. O arrefecimento com água quente, em particular, deve ser considerado. As temperaturas de entrada secundárias no nosso estudo final foram aumentadas para 45 C (113 F) e isto contribuiu para os resultados alcançados, ao mesmo tempo que aumentou as oportunidades de reutilização do calor residual.
- O PUE não é uma boa medida da eficiência do arrefecimento líquido do centro de dados e métricas alternativas como o TUE irão revelar-se mais úteis na orientação de decisões de design relacionadas com a introdução de arrefecimento líquido num centro de dados arrefecido a ar.
Por fim, quero agradecer aos meus colegas da Vertiv e da NVIDIA pelo seu trabalho nesta análise inovadora. As conclusões não só quantificam as poupanças de energia que podem ser alcançadas através do arrefecimento líquido, como também fornecem aos designers dados valiosos que podem ser utilizados para otimizar as instalações de arrefecimento líquido do centro de dados.
Para mais informações sobre as tendências que impulsionam a adoção de arrefecimento líquido, consulte a publicação do blog, Arrefecimento Líquido: Soluções de centros de dados para computação de alta densidade, que resumem as perspetivas de um painel de especialistas em arrefecimento líquido na Cimeira Global do OCP 2022.
