Os data centers de inteligência artificial estão implementando soluções de resfriamento líquido para melhorar o gerenciamento térmico à medida que as cargas de trabalho da computação de alta performance (HPC) aumentam. Uma das opções mais comuns é o resfriamento direto ao chip, que aproveita as propriedades de alta transferência térmica do líquido para remover o calor dos chips individuais do processador.
O resfriamento líquido auxiliado por ar oferece uma vantagem estratégica para empresas que buscam aproveitar a inteligência artificial (IA) e manter uma vantagem competitiva. A combinação de métodos eficientes de resfriamento líquido direto e resfriamento na sala pode ajudar as organizações a reduzir os custos de energia, estimular a performance e atender às demandas do data center de IA.
Visão geral do resfriamento líquido no data center
A adoção generalizada de serviços de HPC, como IA, aprendizado de máquina (ML) e análise de dados, causa um rápido aumento na densidade dos chips, servidores e racks e no consumo de energia. À medida que as densidades dos racks sobem para 20 quilowatts (kW) e se aproximam rapidamente de 50 kW, os níveis de calor da infraestrutura da HPC levam ao limite os recursos dos métodos tradicionais de resfriamento de salas. Além disso, há uma crescente pressão global sobre os data centers e outras empresas para continuamente reduzir o consumo de energia. Para atender a essas demandas, os operadores de data centers estão investigando suas opções de resfriamento líquido (consulte a Figura 1).
O resfriamento líquido aproveita as propriedades de transferência térmica mais altas da água ou de outros fluidos dielétricos para dissipar o calor dos componentes do servidor de forma eficiente. Essa solução é 3.000 vezes mais eficaz do que usar apenas o resfriamento a ar para infraestrutura de HPC, cujos níveis de calor superam os recursos dos métodos tradicionais. O resfriamento líquido inclui várias técnicas para gerenciar o calor em data centers de inteligência artificial.
Opções de resfriamento de HPC
Os operadores de data centers estão adotando três abordagens para o resfriamento líquido: construir data centers totalmente resfriados a líquido, modernizar instalações resfriadas a ar para suportar racks resfriados a líquido no futuro e integrar o resfriamento líquido em instalações resfriadas a ar existentes. A maioria dos operadores provavelmente escolherá a última abordagem para aumentar a capacidade, atender às necessidades imediatas dos negócios e obter um rápido retorno sobre o investimento. As opções de resfriamento líquido para infraestrutura de HPC incluem trocadores de calor da porta traseira (RDHx), resfriamento direto ao chip e resfriamento por imersão.
Saiba mais
Opções de resfriamento líquido para data centers
Os operadores de data centers estão avaliando tecnologias de resfriamento líquido para aumentar a eficiência energética à medida que aumentam as aplicações da computação com intenso processamento.
Entendendo o resfriamento direto ao chip
O resfriamento direto ao chip é uma tecnologia avançada de gerenciamento térmico empregada principalmente em data centers que usam hardware de HPC para dissipar o calor de forma eficiente. Esse método envolve a circulação de um líquido refrigerante dielétrico seguro diretamente sobre as superfícies dos chips de computador através de placas frias (cold plates) para absorver e remover o calor de forma eficiente (consulte a Figura 2). Isso pode manter as temperaturas dos processadores em níveis ótimos, independentemente da carga e das condições climáticas externas.
O resfriamento direto ao chip melhora a eficiência energética, minimiza o risco de superaquecimento e melhora a performance geral do sistema. Os operadores de data center de HPC consideram essa abordagem um método eficiente para o resfriamento de data centers, uma vez que o resfriamento é aplicado diretamente aos componentes geradores de calor dos processadores e de outros hardwares. Essa tecnologia é especialmente crítica à medida que os data centers evoluem para lidar com as crescentes demandas computacionais e lutam por maior densidade e eficiência.
Componentes básicos dos sistemas de resfriamento direto ao chip
O resfriamento direto ao chip dissipa o calor diretamente do chip, permitindo que os data centers suportem densidades de rack mais altas ao mesmo tempo que maximiza a eficiência energética. Esta solução de resfriamento líquido tem vários componentes que funcionam perfeitamente. Os componentes do resfriamento direto ao chip incluem o seguinte:
- O líquido de resfriamento é constituído por um composto ou fluido dielétrico especialmente projetado para uso direto no chip
- Um tubo (ou circulador) que move o líquido
- Uma placa por onde o líquido pode passar
- Um material de interface térmica que conduz o calor da fonte para a placa
Como funciona o resfriamento direto ao chip?
O resfriamento direto ao chip remove o calor por meio de um processo de uma ou duas etapas. Esses métodos aumentam a eficiência dos sistemas de resfriamento em data centers de inteligência artificial.
Resfriamento direto ao chip de uma etapa
O resfriamento direto ao chip de uma etapa envolve o uso de uma placa fria (cold plate) para transferir calor dos componentes do servidor, como CPUs e GPUs. Um fluido de resfriamento absorve o calor e flui através da unidade de distribuição de líquido refrigerante (CDU), onde um trocador de calor o transfere para outro meio para a rejeição externa (consulte a Figura 3). Os refrigerantes não condutores reduzem os riscos elétricos, aumentando a segurança e a confiabilidade do sistema.
A seleção do fluido é determinada pelo balanceamento das propriedades de captura térmica e de viscosidade do fluido. A água entrega a capacidade de captura de calor mais alta, mas é frequentemente misturada com glicol, o que reduz a captura de calor, mas aumenta a viscosidade para aumentar a eficiência do bombeamento. Estes sistemas também podem usar fluido dielétrico para mitigar o dano de um vazamento; no entanto, o fluido dielétrico tem uma capacidade de transporte térmico mais baixa do que a mistura de água/glicol.
Resfriamento direto ao chip em duas etapas
Com placas frias (cold plates) de duas etapas, um líquido dielétrico de baixa pressão flui para as evaporadoras, onde o calor gerado pelos componentes do servidor ferve o fluido. O vapor resultante transporta o calor para longe da evaporadora e o transfere para fora do rack para uma rejeição eficaz do calor.
Benefícios do resfriamento direto ao chip
Computando a eficiência trazida pelo resfriamento direto ao chip, a tecnologia está ganhando impulso devido a aprendizagem e inovação contínuas que proporciona ao setor:
Maior confiabilidade e performance: O resfriamento direto ao chip e outras soluções de resfriamento líquido minimizam o risco de sobreaquecimento e mantêm as temperaturas de operação uniformes e mais baixas, o que é crucial para manter a confiabilidade e a longevidade do hardware de HPC e evitar a degradação da peformance.
Maior consideração ao design do sistema e à implementação: O resfriamento direto ao chip pode ser perfeitamente integrado aos designs de servidores existentes, minimizando disrupções nas operações e simplificando o processo de implementação.
Escalabilidade preparada: O resfriamento líquido permite que mais processadores sejam alojados em um espaço físico menor e elimina a necessidade de expansões ou novas construções. Ao proporcionar um gerenciamento térmico mais eficaz, o resfriamento direto ao chip facilita a escalabilidade conforme a necessidade, tornando mais fácil o crescimento das operações sem comprometer a performance e a execução dos serviços.
Custo total de propriedade (TCO) reduzido: Em seu relatório, a American Society of Heating, Refrigerating, and Air-Conditioning Engineers (ASHRAE) descobriu que os data centers que utilizam resfriamento a ar e a líquido podem reduzir o TCO em comparação com sistemas resfriados exclusivamente a ar. Essa redução se deve à maior densidade, maior utilização de free-cooling e melhor performance por watt.
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A Datacenter Dynamics relata que o resfriamento é responsável por até 40% da conta de energia total do data center. Com isso em mente, a importância de encontrar a solução mais adequada não deve ser subestimada.
Preparando para a implementação de resfriamento líquido no data center
Não existe uma abordagem única para o resfriamento da IA, pois as empresas têm necessidades de computação distintas. Para atender aos seus requisitos específicos, os data centers modernos, incluindo aqueles focados em inteligência artificial, podem começar a implementar o resfriamento direto ao chip ou outros métodos para o resfriamento de HPC, executando as seguintes etapas:
Determinar os requisitos de resfriamento: As equipes de TI e de facilities devem decidir como alocar recursos para as novas cargas de trabalho de IA ou de computação de alta performance para atender às necessidades atuais e futuras nos próximos um a dois anos, seja convertendo alguns racks de cada vez ou destinando uma sala inteira.
Mensurar o footprint térmico: As equipes de resfriamento precisam identificar a configuração da IA, avaliar os requisitos não padrão e avaliar o fluxo de ar existente, enquanto abordam as lacunas entre as novas cargas térmicas e os limites do resfriamento.
Avaliar as taxas de vazão: As equipes podem optar por fazer o upgrade das soluções de resfriamento com base no ciclo de vida dos equipamentos de TI, especialmente se as próximas atualizações do hardware exigirem capacidade adicional para os chips de última geração.
Explorando soluções para implantação de resfriamento direto ao chip em data centers
As equipes de TI e de facilities podem começar a implementar soluções de resfriamento líquido direto ao chip ou outras soluções de resfriamento líquido para data centers após instalar uma infraestrutura dedicada que crie um circuito de resfriamento de fluido, permitindo a transferência de calor entre a instalação e os circuitos secundários e devem usar um fluido outro que não seja a água da instalação para o resfriamento (consulte a Figura 4).
CDU de líquido para líquido
As CDUs fornecem líquido refrigerante controlado e livre de contaminantes para placas frias (cold plates) de resfriamento direto ao chip, bem como para trocadores de calor da porta traseira e sistemas de resfriamento por imersão. Equipes com acesso a água gelada podem usar uma CDU de líquido para líquido para fornecer um circuito de resfriamento separado para os equipamentos de TI resfriados por líquido, mantendo-o isolado do sistema principal de água gelada da instalação. A escolha dessa solução os permite escolher o fluido e a taxa de vazão para os racks, como água tratada ou uma mistura de água e glicol.
Diferentemente dos sistemas tradicionais de refrigeração de conforto que muitas vezes são desligados após o expediente e durante as estações que não necessitam refrigeração, o sistema de água gelada deve operar continuamente para uma implementação bem-sucedida. Priorizar a qualidade da água por meio de opcionais para filtragem também é essencial ao usar sistemas de água gelada existentes. Além disso, as CDUs de líquido para líquido exigem a instalação de tubulação e bombas para se conectar à água da instalação, o que pode afetar os cronogramas de implementação.
CDU de líquido para ar
As CDUs de líquido para ar fornecem um circuito secundário de fluido independente para o rack, dissipando o calor dos componentes de TI mesmo sem acesso a água gelada. O fluido aquecido retorna para a CDU e flui através das serpentinas do trocador de calor (HX). Ventiladores sopram ar sobre essas serpentinas, dissipando o calor do data center. A infraestrutura de resfriamento a ar existente captura então esse calor e o expulsa para fora, permitindo que os data centers continuem usando métodos tradicionais de resfriamento de salas com resfriamento direto ao chip.
As CDUs de líquido para ar podem acelerar a implementação de resfriamento líquido utilizando as unidades de resfriamento de sala existentes para rejeição de calor. Esta opção requer modificações mínimas para conectar tubulações de água aos sistemas dos prédios, ocupa menos espaço e tem custos iniciais e de instalação mais baixos em comparação com as CDUs de líquido para líquido. No entanto, as CDUs de líquido para ar têm capacidade de resfriamento limitada, o que pode ser uma consideração relevante para data centers de inteligência artificial.
CDU de líquido para refrigerante
As CDUs de líquido para refrigerante fornecem líquido diretamente ao chip e utilizam condensadoras à base de refrigerante para a rejeição de calor por expansão direta (DX). Essa abordagem maximiza a infraestrutura de DX existente enquanto melhora a capacidade de resfriamento líquido onde necessário. Ela permite que os data centers implementem rapidamente o resfriamento de HPC sem precisar de água gelada no local, possibilitando configurações modulares sem reformar completamente a infraestrutura de resfriamento existente.
As CDUs de líquido para refrigerante que operam com a tecnologia de rejeição de calor de economização por refrigerante bombeado (PRE) fornecem resfriamento com base na temperatura ambiente, reduzindo o uso de energia. Os componentes internos resfriam a rede secundária de fluidos para entregar resfriamento de alta densidade diretamente às placas frias (cold plates) do servidor.
Trocador de calor de porta traseira (RDHXs)
Os data centers podem implementar RDHX como um primeiro passo para o resfriamento de alta densidade. Quando dimensionados adequadamente, os RDHxs podem ser usados com os sistemas de resfriamento a ar existentes, sem exigir mudanças estruturais significativas no espaço de produção (white space). Eles também podem eliminar a necessidade de estratégias de confinamento (consulte a Figura 5). As unidades passivas funcionam bem para cargas de 5 a 25 kW, enquanto os RDHX ativos fornecem até 50 kW em capacidade nominal e foram testados a até 70+ kW em alguns casos.
Considerações para uma integração bem-sucedida do resfriamento direto ao chip
Implementar tecnologias de resfriamento direto ao chip envolve uma avaliação cuidadosa de vários desafios que podem afetar sua integração. As principais considerações para garantir uma implantação bem-sucedida incluem compatibilidade com a infraestrutura existente, gerenciamento eficaz dos fluidos e abordar as limitações de capacidade dos equipamentos.
Distribuição de fluidos
Projetar sistemas de distribuição de fluidos seguros e eficientes com riscos mínimos de vazamento, juntamente com a detecção proativa de vazamento, é essencial para uma implantação bem-sucedida. As equipes de TI e de facilities devem verificar a composição química, a temperatura, a pressão e as conexões do sistema para evitar vazamentos ou falhas. A implementação de conexões com desconexão rápida e válvulas de corte melhora a capacidade de manutenção, facilita a desconexão das conexões e permite a intervenção imediata no vazamento. Além disso, o design dos componentes de infraestrutura crítica, particularmente para CDUs, é vital. Essas tecnologias fornecem controle preciso sobre o volume e a pressão dos fluidos para mitigar o impacto de quaisquer vazamentos.
Detecção e intervenção em vazamentos
Um sistema abrangente de detecção de vazamentos melhora a segurança e a confiabilidade das configurações de resfriamento líquido, fornecendo alertas oportunos para possíveis problemas, o que ajuda a reduzir o tempo de inatividade e evitar danos aos equipamentos. Métodos de detecção indireta monitoram mudanças na pressão e na vazão, enquanto métodos diretos usam sensores ou cabos para localizar vazamentos com precisão. A configuração adequada desses sistemas é crucial; a redução de alarmes falsos mantém a eficiência operacional e ainda permite a detecção de vazamentos reais que precisam de atenção urgente.
Trabalhar em estreita colaboração com parceiros de infraestrutura é importante para customizar o sistema para aplicações específicas, maximizando a eficácia das estratégias de intervenção manual e automatizada para proteger configurações de alta densidade acima de 30 kW.
Gerenciamento de fluidos
O gerenciamento de fluidos envolve serviços personalizados para atender às necessidades de líquido refrigerante dos sistemas de resfriamento líquido. Esses serviços incluem remoção de contaminação, purga de ar, amostragem de líquido refrigerante, testes de qualidade, ajustes e descarte ambientalmente correto. Ao colaborar com os principais fornecedores de líquidos refrigerantes, o serviço de gerenciamento de fluidos da Vertiv assegura o desempenho e a confiabilidade ótimas dos sistemas de resfriamento líquido da Vertiv.
Leia mais:
Como implementar o resfriamento líquido em data centers existentes
À medida que a demanda por modelos de inteligência artificial (IA) e aprendizado de máquina (ML) aumenta, você provavelmente está desenvolvendo sua estratégia de resfriamento e explorando novas opções. Crie seu roadmap para adotar o resfriamento líquido com este guia técnico, que apresenta estratégias práticas para adotar o resfriamento líquido para cargas de TI de 1 MW.
Escolha o seu caminho para a alta densidade
A tecnologia de resfriamento direto ao chip está transformando os data centers, lidando com as intensas cargas térmicas associadas às cargas de trabalho da HPC, como a IA, o aprendizado de máquina e a análise de big data. Com a crescente demanda por potência de processamento, soluções de resfriamento mais eficientes são essenciais para manter o desempenho ótimo.
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