A adoção do resfriamento líquido em data centers continua a ganhar impulso com base em sua capacidade de entregar resfriamento mais eficiente e eficaz para os racks de TI de alta densidade. No entanto, designers e operadores de data center não tinham dados que pudessem ser usados para projetar o impacto do resfriamento líquido na eficiência do data center e ajudá-los a otimizar a implantação do resfriamento líquido para eficiência energética.
Para preencher essa lacuna, uma equipe de especialistas da NVIDIA e da Vertiv realizou a primeira grande análise do impacto do resfriamento líquido na PUE do data center e no consumo de energia. A análise completa foi publicada pela Sociedade Americana de Engenheiros Mecânicos (American Society of Mechanical Engineers, ASME) no artigo Análise da Eficácia no Uso de Energia em um Data Center de Alta Densidade com Resfriamento Híbrido Líquido-Ar. Esta publicação resume a metodologia, os resultados e as principais conclusões dessa análise.
Metodologia para a análise de eficiência energética do resfriamento líquido no data center
Para nossa análise, escolhemos um data center Tier 2 de tamanho médio (1 a 2 megawatts) em Baltimore, Maryland. A instalação abriga 50 racks de alta densidade dispostos em duas filas. A linha de base para a análise foi 100% de resfriamento a ar fornecido por duas unidades perimetrais de tratamento de ar de sala de computadores (Computer Room Air Handler, CRAH), de água gelada e com confinamento de corredor quente. As unidades de refriamento têm o suporte de um chiller Vertiv™ Liebert® AFC com free-cooling, free-cooling adiabático, resfriamento híbrido e recursos de resfriamento mecânico adiabático.
O resfriamento por líquido é possibilitado pelo resfriamento direto ao chip através de placas frias de microcanais montadas nos componentes de TI que mais geram calor e apoiadas por duas unidades de distribuição de líquido (CDUs) Vertiv™ Liebert® XDU com trocadores de calor de líquido-líquido.
Esquema do data center usado para a análise de energia com a Vertiv™ Liebert® XDU e o Vertiv™ Liebert® PCW.
A análise empregou uma abordagem “de baixo para cima” ao desagregar a carga de TI em subsistemas que permitiram o impacto de um aumento progressivo no percentual de carga resfriada a líquido a ser calculado com precisão para cada subsistema. Em seguida, realizamos quatro estudos, aumentando o percentual de resfriamento líquido em cada estudo, ao mesmo tempo que implementamos otimizações para a temperatura da água gelada, temperatura do ar de fornecimento e temperatura do ar na entrada de ar secundária habilitadas pelo uso de resfriamento líquido.
- Estudo 1: resfriamento 100% a ar com uma temperatura de água gelada de 7,2 graus Celsius (45 Fahrenheit), temperatura do ar de fornecimento de 25 C (77 F) e temperatura do ar na entrada de ar secundária de 32 C (89,6 F).
- Estudo 2: 61,4% da carga é resfriada a líquido com 38,6% resfriada a ar. A temperatura da água gela é elevada para 18 C (64,4 F), a temperatura do ar de fornecimento é mantida em 25 C (77 F) e a temperatura do ar da entrada de ar secundária é mantida a 32 C (89,6 F).
- Estudo 3: 68,6% da carga é resfriada a líquido com 31,4% resfriada a ar. A temperatura da água gelada é elevada para 25 C (77 F), a temperatura do ar de fornecimento é elevada para 35 C (95 F) e a temperatura do ar na entrada de ar secundária é mantida a 32 C (89,6 F).
- Estudo 4: 74,9% da carga é resfriada a líquido e 25,1% a ar. A temperatura da água gelada é mantida a 25 C (77 F), a temperatura do ar de fornecimento é mantida a 35 C (95 F) e a temperatura do ar na entrada de ar secundária é elevada para 45 C (113 F).
Impacto da introdução do resfriamento líquido no consumo de energia e na PUE do data center
A implementação completa do resfriamento líquido no Estudo 4 (74,9%) produziu uma redução de 18,1% na energia da instalação e uma redução de 10,2% na energia total do data center em comparação com 100% de resfriamento a ar. Isso tem o efeito de não apenas reduzir os custos de energia do data center em 10% anualmente, mas - para data centers que usam fontes de energia à base de carbono - reduzir as emissões de Escopo 2 na mesma quantidade.
A energia total do data center foi reduzida a cada aumento no percentual de carga resfriada por resfriamento direto ao chip. Do Estudo 1 ao 2, o consumo de energia foi reduzido em 6,4%; uma redução adicional de 1,8% foi alcançada entre os Estudos 2 e 3; e outra melhora de 2,5% foi observada entre os Estudos 3 e 4.
Com base nesses resultados, a PUE do data center 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 estável em 1,35 para os Estudos 2 e 3.
Se você está familiarizado com a forma como a PUE é calculada, talvez já tenha adivinhado o motivo dessa discrepância. A PUE é essencialmente uma medida da eficiência da infraestrutura que é calculada dividindo-se a energia total do data center pela energia de TI. Mas o resfriamento líquido não apenas reduziu o consumo na instalação, mas também reduziu o consumo de energia de TI (de acordo com a definição da PUE) reduzindo a demanda por ventiladores de servidor.
O consumo de energia do ventilador do servidor diminuiu em 41% entre o Estudo 1 e o Estudo 2 e em 80% entre o Estudo 1 e o Estudo 4. Isso resultou em uma redução de 7% na energia de TI entre os estudos 1 e 4.
Ao contrário do resfriamento a ar, o resfriamento a líquido afeta o numerador (energia total do data center) e o denominador (energiaa do equipamento de TI) no cálculo da PUE, o que a torna ineficaz para comparar a eficiência dos sistemas de resfriamento a ar e líquido.
Em nosso artigo, propomos a Eficácia no Uso Total (Total Usage Effectiveness, TUE) como uma métrica melhor para esse objetivo e explicarei por que essa decisão foi tomada em uma postagem posterior. A TUE para o data center que foi objeto de nossa análise melhorou 15,5% entre os Estudos 1 e 4, o que acreditamos ser uma medida precisa dos ganhos na eficiência do data center obtidos por meio da implantação otimizada de resfriamento líquido.
Principais conclusões da análise da eficiência energética do resfriamento líquido no data center
A análise forneceu vários insights sobre a eficiência do resfriamento líquido no data center e como ele pode ser otimizado. Eu incentivaria os designers de data centers, em particular, a ler o artigo completo, que inclui os dados de apoio que foram usados para cacular os resultados apresentados na seção anterior. Aqui estão algumas das principais conclusões que podem ser de interesse para um público mais amplo.
- Em data centers de alta densidade, o resfriamento líquido oferece melhorias na eficiência energética dos sistemas de TI e das instalações em comparação com o resfriamento a ar. Em nosso estudo totalmente otimizado, a introdução do resfriamento líquido resultou em uma redução de 10,2% na energia total do data center e uma melhoria de mais de 15% na TUE.
- Maximizar a implementação do resfriamento líquido no data center — em termos do percentual de carga de TI resfriada a líquido — entrega a maior eficiência. Com o resfriamento direto ao chip, não é possível resfriar toda a carga com líquido, mas aproximadamente 75% da carga pode ser efetivamente resfriada pelo resfriamento direto ao chip.
- O resfriamento a líquido pode permitir temperatudas mais elevadas da água gelada, do ar de fornecimento e do ar na entrada de ar secundária, o que maximiza a eficiência da infraestrutura da instalação. O resfriamento a água quente, em particular, deve ser considerado. As temperaturas do ar na entrada de ar secundária em nosso estudo final foram elevadas para 45 C (113 F) e isso contribuiu para os resultados alcançados, ao mesmo tempo que aumentou as oportunidades de reutilização de calor residual.
- A PUE não é uma boa medida da eficiência do resfriamento líquido do data center, e métricas alternativas como TUE serão mais úteis na orientação das decisões de projeto relacionadas à introdução do resfriamento líquido em um data center resfriado a ar.
Por fim, quero agradecer aos meus colegas da Vertiv e da NVIDIA por seu trabalho nesta análise inovadora. Os resultados não apenas quantificam a economia de energia que pode ser obtida através do resfriamento a líquido, mas também fornecem aos designers dados valiosos que podem ser usados para otimizar as instalações de resfriamento líquido do data center.
Para obter mais informações sobre as tendências que impulsionam a adoção do resfriamento líquido, consulte a publicação do blog, Liquid Cooling: Soluções de data center para computação de alta densidade, que resumem as percepções de um painel de especialistas em resfriamento líquido na Cúpula Global OCP 2022.
