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Refrigeración por Inmersión: ¿El futuro de los Centros de Datos?

¿Será la refrigeración por inmersión el futuro de los centros de datos? Analizamos a fondo cómo la tecnología de la Refrigeración por Inmersión está cambiando el paradigma de los Centros de Datos.


Con la cada vez mayor creciente demanda de centros de datos alrededor de todo el globo, los CDP se están viendo en un proceso constante de optimización y mejora tecnológica para dar solución a las demandas de las grandes empresas. Parte de estos esfuerzos se han visto claramente volcados a cubrir tres factores fundamentales en la carrera por convertirse en la mejor ubicación para almacenar datos: el espacio; ahorro energético; y la densidad de potencia.

Es precisamente aquí donde está irrumpiendo un nuevo sistema de refrigeración para centros de datos que tiene todas las papeletas para convertirse en el futuro de las salas de almacenaje de datos: la Refrigeración por Inmersión.

¿Cómo se refrigera un centro de datos?

Almacenar grandes cantidades de datos en supercomputadoras y que estos estén disponibles veinticuatro horas al día los siete días de la semana, precisa no solamente de estar conectado a una red eléctrica constantemente en una ubicación determinada, sino prevenir que dichos superordenadores no se apaguen por sobrecalentamiento que podría llegar a romper o fundir las piezas que los componen, o incluso provocar un incendio.

Para ello, los centros de datos, se han refrigerado tradicionalmente mediante diversos sistemas que pronto podrían llegar a considerarse obsoletos si se consolidan los sistemas de refrigeración por inmersión.

Sistemas de refrigeración por aire acondicionado

De la misma manera que refrigeramos nuestros domicilios con aparatos de aire acondicionado, los centros de datos utilizan un sistema similar para mantener una temperatura baja en las instalaciones.

Se trata de recoger el aire caliente expulsado por los servidores y llevarlo hasta el equipo de aire acondicionado para, una vez refrigerado, volverlo a impulsar, generalmente por el falso suelo, hasta el pasillo frio o entrada de los racks.

El principal inconveniente de este sistema es el altísimo consumo energético que supone, ya que tanto el propio sistema de enfriamiento, como el uso de ventiladores para la extracción e impulsión consumen una grandísima cantidad de energía.

Pasillo frío, pasillo caliente

La colocación de racks en pasillos fríos/calientes ha conseguido un ahorro energético importante. Gracias a la segregación del aire logramos mayor eficiencia al subir el punto de consigna y reducir los caudales de aire. Este sistema consiste en colocar los racks de tal forma que todas las puertas delanteras de los racks aspiren el aire refrigerado del pasillo frio, y todos los servidores expulsan el aire caliente por la parte trasera, de tal manera que consigamos concentrar el calor en los pasillos calientes e inyectar el refrigerado en el pasillo frio para conseguir temperaturas de aire homogéneas en la entrada de los servidores.

Sistemas de refrigeración por agua

Este sistema tradicional de refrigeración de los centros de datos no debe confundirse con el sistema de refrigeración por inmersión.

El sistema de refrigeración por agua transporta el fluido refrigerado, a través de tuberías y bombas, al interior de los servidores para absorber, por contacto en un intercambiador, el calor de los principales componentes electrónicos

Este sistema de refrigeración tiene dos importantes ventajas: la primera es que elimina el ruido que provocan los grandes ventiladores en los sistemas anteriormente descritos; la segunda ventaja es el espacio que necesita, siendo mucho menor al del sistema de refrigeración por aire acondicionado.

FREE Cooling

Como su propio nombre indica, la refrigeración por aire exterior aprovecha las bajas temperaturas de las ubicaciones en las que se encuentran estos centros de datos, lo que supone un ahorro energético por no necesitar enfriar el aire, pero sigue necesitando de ventiladores que introduzcan el aire frío a las instalaciones y saquen el aire caliente.

Hot Huts

Una forma de mejorar la eficiencia del enfriamiento es mantener el aire caliente aislado del resto de la habitación.

Esto se consigue a través de lo que se llama "hot huts", habitaciones pequeñas ubicadas detrás de las filas de servidores que absorben todo el aire caliente que sale de ellas.

Sistemas de refrigeración por inmersión

¿Qué es?

Immersion Cooling o Refrigeración por Inmersión es una nueva técnica de enfriamiento en la que los servidores están sumergidos en un líquido dieléctrico. El líquido en contacto directo con componentes calientes absorbe el calor que, a continuación, a través de intercambiadores de calor lo disipa en el exterior.

¿Qué son los líquidos dieléctricos?

Los fluidos adecuados para el enfriamiento por inmersión tienen muy buenas propiedades termodinámicas y aislantes para asegurar que puedan entrar en contacto con los componentes electrónicos. Son líquidos transparentes, incoloros, no conductivos, no inflamables, libres de residuos y térmica y químicamente estables.

En general, hay dos categorías líquidas principales: los hidrocarburos (aceites minerales, sintéticos y Bioaceites) y los fluorocarbonos (refrigerantes).

En función del líquido dieléctrico utilizado encontramos aplicaciones de una y dos fases.

Enfriamiento por inmersión en UNA FASE: utiliza aceites que no cambian de estado, es decir, no evaporan dentro del tanque debido a su alto punto de ebullición, por lo tanto, requiere circulación forzada del líquido dieléctrico a través de los componentes electrónicos calientes antes de llegar al intercambiador de calor.

Enfriamiento por inmersión en DOS FASES: utiliza los fluoro carbono (refrigerante) que “hierve” en la superficie de los componentes electrónicos, absorbiendo el calor en el proceso de evaporación. Estas aplicaciones no requieren bombas, ni circulación forzada del líquido dieléctrico a través de los servidores. El intercambio de calor ocurre pasivamente por el proceso natural de evaporación. El gas en fase vapor se enfría de nuevo en un intercambiador de calor situado en la parte superior del tanque para permitir el flujo retorne a fase líquida.

Un concepto revolucionario

Observamos que en los sistemas tradicionales descritos anteriormente la refrigeración se produce en el exterior del rack y se transporta hasta los servidores, y recordamos que nuestro diseño será más eficiente cuanto más cerca estén los recursos frigoríficos de la verdadera fuente de calor (el microprocesador: 70ºC–90ºC) para incrementar, con la proximidad, el intercambio térmico y mejorar la eficiencia.

Pues bien, teniendo en cuenta lo anterior, vemos como los sistemas de inmersión introducen un concepto revolucionario: los servidores se colocan dentro de nuestro sistema de refrigeración, hasta tal punto que pasan a formar parte del circuito frigorífico: desaparece el evaporador siendo el microprocesador y resto de componentes electrónicos los que van a producir la evaporación del refrigerante… ¡Sorprendente! Hasta ahora algo inimaginable.

Ventajas de la refrigeración por inmersión

  • Menor consumo en servidores y refrigeración
  • Capacidad para alta densidad (up 250 kW/tanque)
  • Permite conseguir PUE cercanos a 1
  • Ahorro de espacio (up 100 kW/m2)
  • Reducción de componentes (2 intercambiadores, aceites/refrigerante y bomba)
  • Simplificación del diseño y la instalación => Gastos de capital reducidos (Reducción CAPEX 25%)
  • Sistema robusto y fácil de mantener => Gastos operativos reducidos (Reducción OPEX 40% - dependiendo de la región)
  • Mayor vida útil del hardware: componentes que no están sujetos a variaciones de temperatura, reduciendo el potencial de fallas y que no requieren ventiladores de enfriamiento, eliminando la degradación de componentes de la vibración.
  • Extremadamente limpio: se eliminan el flujo de aire, el polvo y el ruido.
  • Menor impacto medioambiental. Los refrigerantes o aceites utilizados son fluidos respetuosos con el medio ambiente sin destrucción de ozono

Cuadro resumen principales ventajas:

(Fuente: Submer)

Mayor eficiencia

La refrigeración por inmersión permite a los operadores reducir drásticamente el consumo de energía a través de la eliminación de la costosa infraestructura de climatización tradicional que incluye ventiladores en servidores, compresores, ventiladores de circulación de aire, y otros sistemas auxiliares activos como humectador y deshumidificadores. Estos sistemas se sustituyen por eficientes bombas de circulación de líquidos de baja velocidad e intercambiadores de calor y/o aerorefrigeradores.

La reducción de consumo que se puede lograr mediante el uso de enfriamiento por inmersión es del 90% en refrigeración y un 40% en el consumo total del data center.


(Fuente: Submer)

Desafíos de la refrigeración por inmersión

  • No hay formación específica ni documentación
  • No hay empresas especializadas
  • Estandarización
  • No hay normativa
  • La mayoría de los actuales de servidores se diseñan para baja densidad, porque están pensados para refrigeración por aire
  • Hadware no viene preparado para inmersión, por lo tanto, hay que adaptarlo

Fujitsu, Submer y la suma de los esfuerzos de Investech, 3M y la Universidad Politécnica de Madrid a la vanguardia de la Refrigeración por Inmersión

Durante el pasado mes de Abril, algunas personas del equipo de Datacenter Dynamics, junto con Saul Valera, Director General de Cliatec, fuimos invitados a la presentación del proyecto de Inmersion Cooling que está llevando a cabo Investech, junto con 3M y la Universidad Politécnica de Madrid quienes desde 2015 están llevando a cabo un proceso de investigación en el que han ido formulando todas las cuestiones que se les iban presentando, y sacando conclusiones sobre las necesidades del mercado.

En palabras de Marc García, CEO “en Investech estamos intentando que al tratarse de un producto y una tecnología que no está desarrollada cien por cien, esto supone un gran reto y una enorme desventaja importante ya que no existe un estándar general de implementación. Por tanto lo que queremos es ofrecer una solución end to end. Desde Investech nos hemos cuidado mucho de mirar siempre todos los tipos de productos que existen en el mercado, pensando en cómo se pueden adaptar a la refrigeración por inmersión. Para ello lo más importante es hacer una auditoría con cada empresa para conocer qué necesita”

¿Para qué ámbitos de actuación y en qué proyectos se está aplicando esta tecnología?

En conversaciones con Adriano Galano, Director desarrollo de negocio de de Fujitsu y Daniel Pope CEO de Submer Immersion Cooling pudimos desde DCD preguntar acerca de los proyectos en los que se están implementando estas tecnologías.

En palabras de Galano “Esta tecnología se empieza a utilizar en proyectos de todos los tamaños, pero el denominador común son aquellos clientes que en cumplimiento de su Responsabilidad Social Corporativa toman medidas para la reducción de la huella de CO2 y la eficiencia energética de Data Center. Y por supuesto en todas las instituciones que tienen que hacer frente al pago de la factura eléctrica de su TI y el equipamiento asociado.”

Por su parte Daniel Pope, de Submer Immersion Cooling, compañía especializada en la producción y comercialización de este tipo de tecnología dijo que “los early-adopters fueron los centros de High Performance Compute (HPC), investigación y supercomputación. Ahora ya disponemos de clientes tanto en los mercados de Telco, datacenter de colocation y tradicional, datacenter corporativo (in-house), gobiernos y hyperscale cloud providers.”

Conclusión

Estamos viviendo un momento apasionante en cuanto a los procesos de refrigeración de los centros de datos se refiere. Desde los sistemas tradicionales de aire acondicionado o por aire exterior, al revolucionario sistema de refrigeración por inmersión. Sin duda una tecnología que va a jugar un papel importantísimo no sólo en la transformación digital de muchísimas empresas a nivel global, sino también en el nuevo paradigma hacia el cual están evolucionando los Centros de Datos de todo el mundo gracias al Internet de las Cosas y al 5G.

Todavía no tenemos una respuesta clara a cómo van a reaccionar los mercados frente a esta tecnología, lo que sí está claro es que los sistemas de Refrigeración por Inmersión no se van a quedar al margen, y van a desempeñar un papel crucial en la evolución natural de los centros de datos de todo el mundo.


Por Saúl Varela Garcia, Director General de cliAtec | 360º Data Center,
Jose Luis Friebel, Managing Director Spain & Latam DatacenterDynamics
y Gabriel Carrillo Martínez-Feduchi, Editor y Redactor de Contenidos Digitales | DatacenterDynamics

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