El enfriamiento por inmersión es una práctica de enfriamiento de TI mediante la cual los componentes de TI y otros componentes electrónicos, incluidos servidores completos y dispositivos de almacenamiento, [1] se sumergen en un líquido dieléctrico o refrigerante térmicamente conductor . El calor se elimina del sistema haciendo circular el líquido en contacto directo con los componentes calientes y luego a través de intercambiadores de calor fríos. Los fluidos adecuados para el enfriamiento por inmersión tienen muy buenas propiedades aislantes para garantizar que puedan entrar en contacto de manera segura con componentes electrónicos energizados.
Líquidos dieléctricos
En general, hay dos categorías principales de líquidos, hidrocarburos (es decir, aceites minerales, sintéticos o biológicos) y fluorocarbonos (es decir, líquidos totalmente diseñados). Los líquidos dieléctricos se dividen en aplicaciones monofásicas y bifásicas.
- Monofásico utiliza un método de circulación para el líquido dieléctrico a través de componentes electrónicos calientes y un enfoque de intercambio de calor.
- La inmersión en dos fases utiliza un proceso de evaporación a baja temperatura para enfriar la electrónica caliente y transferir el calor del líquido. El gas se enfría nuevamente mediante un método de intercambio de calor para permitir el flujo de retorno al volumen de líquido más grande.
Formas y formas
El "chasis cerrado" requiere conectores sin goteo para interactuar con el chasis individual. Estos chasis generalmente se basan en implementaciones de estilo de rack tradicionales. Los conectores sin goteo generalmente requieren un pequeño circuito de enfriamiento de circuito cerrado con un refrigerante para proteger la integridad del flujo a través de tuberías y conectores relativamente pequeños. El circuito cerrado se facilita mediante una unidad de distribución de refrigerante o CDU, que normalmente puede facilitar varios estantes a la vez.
"Baño abierto" se refiere a la interfaz líquido-aire "abierta" y, por lo tanto, la tensión superficial entre el líquido y el aire es un elemento distintivo. Los sistemas de baño abiertos suelen ser tanques que contienen un cuerpo más grande de líquido dieléctrico donde los componentes electrónicos se sumergen en el baño. Varios conjuntos electrónicos comparten el mismo líquido. Este líquido puede basarse en tecnología monofásica o bifásica. Independientemente del término, los sistemas de baño abiertos se pueden sellar completamente, pero siempre se abren desde la parte superior para dar servicio a los equipos de TI. El circuito de agua para los sistemas de inmersión en baño abierto está conectado a una CDU que hace circular el líquido dieléctrico, o bien a un dispositivo de intercambio de calor integrado que forma parte del tanque. Para una interfaz de instalación, las CDU generalmente están diseñadas para 100 kW o más, mientras que un dispositivo de intercambio de calor integrado generalmente está diseñado para una capacidad de enfriamiento de 10-100 kW.
"Híbrido" se refiere a combinaciones de las formas y formas mencionadas anteriormente. Existen numerosas soluciones en la industria que ya cuentan con enfoques únicos y diversos. Estos pueden no siempre encajar en una definición designada. Dependiendo de qué aspecto sea relevante, estas estrategias pueden posicionarse como cualquier definición superpuesta.
Evolución
El enfriamiento por inmersión tiene el potencial de convertirse en una solución de enfriamiento de servidor popular, en particular para los centros de datos ecológicos , [2] ya que permite a los operadores reducir drásticamente su uso de energía mediante la eliminación de la costosa infraestructura de enfriamiento por aire, incluidos los ventiladores de servidor integrados, CRAC. , Compresores de aire acondicionado, ventiladores de circulación de aire, conductos necesarios, manipuladores de aire y otros sistemas auxiliares activos como deshumidificadores. Estos sistemas se reemplazan con bombas de circulación de líquido eficientes de baja velocidad y sistemas de intercambiador de calor y / o enfriadores en seco. La reducción de energía que se puede lograr mediante el uso de enfriamiento por inmersión a menudo se mide en términos de eficacia en el uso de energía (PUE). Sin embargo, es importante señalar que las definiciones de PUE para dispositivos enfriados por aire y dispositivos enfriados por inmersión en líquido difieren en un aspecto importante, lo que hace que estas comparaciones directas sean engañosas a favor del enfriamiento por aire.
- La PUE para centros de datos refrigerados por aire, según la definición de Green Grid, incluye la energía utilizada por los ventiladores y otros componentes de enfriamiento activos que se encuentran a bordo de los servidores como parte de la energía del equipo de TI,
- El PUE para refrigeración por inmersión en líquido excluye estos valores del componente Energía de equipos de TI porque estos elementos del sistema (en particular los ventiladores a bordo) generalmente se eliminan del equipo de TI, ya que no son necesarios para hacer circular los refrigerantes dieléctricos y, a menudo, impiden la circulación de los refrigerantes dieléctricos. el refrigerante dieléctrico.
Esta discrepancia en la definición de PUE para los diferentes métodos de enfriamiento da como resultado que el PUE de los centros de datos refrigerados por aire generalmente se exagere entre un 10 y un 20% en comparación con el PUE de una instalación refrigerada por inmersión líquida del mismo uso de energía.
Los servidores y otro hardware de TI enfriado por enfriamiento por inmersión no requieren ventiladores para hacer circular el líquido dieléctrico, por lo que se eliminan del sistema antes de la inmersión. Las pastas térmicas que se usan típicamente en esparcidores de calor para CPU y otros chips pueden requerir reemplazo con un compuesto diferente para evitar la degradación térmica dentro del líquido dieléctrico. Dependiendo del tipo de aplicación, se pueden usar soldadura, lámina de indio [3] y epoxis termoconductores como materiales de reemplazo.
Las temperaturas utilizadas en el enfriamiento por inmersión están determinadas por la temperatura más alta a la que los dispositivos sumergidos pueden operar de manera confiable. Para los servidores, este rango de temperatura suele estar entre 15 y 65 ° C (59 a 149 ° F), sin embargo, en los dispositivos de minería criptográfica basados en ASIC, este rango a menudo se extiende hasta 75 ° C. Este aumento en el extremo superior del rango de temperatura permite que los operadores de los centros de datos utilicen enfriadores secos completamente pasivos o torres de enfriamiento adiabático o evaporativo mucho más eficientes [4] en lugar de enfriadores de agua o enfriadores de aire basados en enfriadores. Este aumento en el rango de temperatura también permite a los operadores que utilizan refrigerantes de inmersión monofásicos utilizar de manera más efectiva el cambio en la temperatura exterior para obtener un enfriamiento más eficiente de sus sistemas porque los sistemas monofásicos no están limitados en su efectividad por el punto de ebullición del refrigerante como es el caso de los refrigerantes bifásicos.
Varias marcas relevantes como Intel y Facebook ya han validado las ventajas de sumergir servidores. [5] [6]
Las aplicaciones comerciales actuales para la refrigeración por inmersión van desde soluciones orientadas a centros de datos para refrigeración de servidores básicos, [7] [8] clústeres de servidores, aplicaciones HPCC [9] y minería de criptomonedas . [10] y arquitecturas convencionales de alojamiento web y basadas en la nube. Los fabricantes de vehículos eléctricos y baterías también emplean refrigeración por inmersión líquida en baterías, trenes de transmisión, sistemas de recuperación de energía cinética , motores eléctricos, controladores de motores eléctricos y otros subsistemas electrónicos a bordo. La refrigeración por inmersión líquida también se utiliza en la gestión térmica de LED, láseres, máquinas de rayos X y dispositivos de imágenes por resonancia magnética.
Una industria diferente en la que se aplica el enfriamiento por inmersión a los componentes electrónicos es la investigación en alta mar donde los vehículos submarinos operados a distancia con equipos electrónicos se llenan con dieléctricos líquidos monofásicos para protegerlos de la corrosión en el agua de mar y como un fluido de compensación de presión para evitar ser aplastados por la extrema presión ejercida sobre el ROV mientras trabajaba en las profundidades del mar. Esta aplicación también incluye la refrigeración de los motores eléctricos utilizados para la propulsión submarina.
Hasta aproximadamente 2014, la tecnología generalmente solo se utilizaba en proyectos especiales de supercomputación muy intensivos, similares a las aplicaciones informáticas Cray. Sin embargo, desde el dramático aumento en el consumo global de energía por parte de los centros de datos, ahora hay un enfoque en la eficiencia energética que ha impulsado el uso de enfriamiento por inmersión líquida tanto en los centros de datos como en las operaciones de criptominería para reevaluar su aplicación. Además, la llegada de nuevas CPU y GPU de muy alta densidad para su uso en procesamiento en tiempo real, inteligencia artificial, aprendizaje automático y operaciones de minería de datos está presionando a los usuarios y operadores de centros de datos para que evalúen el enfriamiento por inmersión líquida para la capacidad de enfriar racks de alta densidad como así como reducir la huella mecánica total de los centros de datos.
Desde 2005, varias empresas intentaron reclamar patentes basadas en el enfoque de baño abierto con instalaciones de bombas externas. La mayoría, si no todas, de estas afirmaciones se han negado sobre la base de que IBM ya había patentado la tecnología.
Historia
Hitos de inmersión de los siglos XIX y XX:
- La inmersión de sistemas eléctricos (específicamente transformadores) en fluidos dieléctricos para la gestión térmica se utilizó antes de 1887. [11]
- La primera patente que menciona explícitamente el uso de aceite como refrigerante y aislante se encuentra en la patente presentada para un transformador de corriente constante en 1899 por Richard Fleming de Lynn, Massachusetts, cedente de la General Electric Company de Nueva York [12]
- La primera referencia al uso específico de fluidos dieléctricos que se utilizan para enfriar "computadoras" es en 1966 por Oktay Sevgin de IBM. [13]
- En 1968, Richard C. Chu y John H. Seely, que trabajaban para IBM, patentaron un "Sistema de enfriamiento por inmersión para componentes empaquetados modularmente". [14]
- Seymour R. Cray Jr., fundador de Cray Research, LLC, patentó un "conjunto electrónico de alta densidad refrigerado por inmersión" en 1982. [15]
- El Cray T90 (lanzado en 1995) utilizaba grandes intercambiadores de calor de líquido a líquido refrigerado y líquidos refrigerantes por inmersión de una o dos fases para eliminar el calor [16]
- Debido a la llegada de CMOS, se lograron ahorros de energía significativos en las CPU, lo que redujo rápidamente los desafíos de enfriamiento de los sistemas HPC. No fue hasta la segunda década que la inmersión recuperó la tracción debido al aumento de las propiedades térmicas de las virutas.
Hitos de inmersión del siglo XXI:
- En 2006, Hardcore Computer Inc se fundó con el concepto de introducir PC con chasis cerrado para juegos.
- En 2009, Green Revolution Cooling reinició el concepto de enfriamiento por inmersión en baño abierto al llevar un sistema comercial de inmersión en baño abierto a la industria de HPC.
- En 2010, Midas Green Technologies fundó el primer centro de datos comercial de refrigeración por inmersión del mundo.
- En 2011, Iceotope lanzó la primera tecnología comercial basada en chasis cerrado estilo rack, diseñada específicamente para implementaciones de centros de datos.
- En 2016, Asperitas creó el primer sistema de inmersión de baño abierto monofásico con circulación de convección natural sin bomba de alta densidad.
- A partir de 2016, el aumento de las criptomonedas se convierte en una fuerza impulsora principal y significativa detrás de la inmersión. Esto se debe a las ventajas de alto TCO que son muy valoradas en la minería de criptomonedas. Este período ha permitido que muchas tecnologías de inmersión adquieran una experiencia esencial y maduren sus tecnologías.
- 2017 muestra un gran volumen de nuevas empresas en el dominio del enfriamiento por inmersión. Principalmente relacionado con las criptomonedas y los crecientes desafíos de energía y enfriamiento en la industria de los centros de datos.
- En 2018, Open Compute Project adopta oficialmente la inmersión en un nuevo proyecto de Rack & Power como parte de ACS (Advanced Cooling Solutions).
- En 2019, los primeros estándares documentados de la industria para la inmersión se presentan en la cumbre OCP en San José.
- En 2019, Midas Green Technologies diseñó y construyó el primer centro de datos de inmersión completamente en contenedores.
Técnicas de enfriamiento por inmersión del servidor
Refrigeración por inmersión en baño abierto
El enfriamiento por inmersión en baño abierto es una técnica de enfriamiento del centro de datos que implica sumergir completamente los equipos de TI en líquido dieléctrico. El aspecto "abierto" no se refiere a un sistema abierto o sellado, sino que se refiere a la interfaz líquido-aire "abierta" y, por lo tanto, la tensión superficial entre el líquido y el aire es un elemento distintivo. [17]
Estos baños permiten que el líquido refrigerante se mueva a través de los componentes de hardware o servidores sumergidos en él. [18]
La inmersión monofásica requiere la circulación de los líquidos dieléctricos mediante bombas o por flujo de convección natural. [19] Estos líquidos permanecen siempre en estado líquido durante el funcionamiento. Nunca hierven ni se congelan. El refrigerante dieléctrico se bombea a través de un intercambiador de calor externo donde se enfría con cualquier refrigerante de la instalación, o el refrigerante de la instalación se bombea a través de un intercambiador de calor sumergido, lo que facilita la transferencia de calor dentro del líquido dieléctrico.
En sistemas de dos fases , los fluorocarbonos [20] se utilizan como fluidos de transferencia de calor. El calor se elimina en un sistema de dos fases, donde el líquido hierve literalmente cuando entra en contacto con componentes calientes, debido a su bajo punto de ebullición. [21] El sistema aprovecha un concepto conocido como “ calor latente ” que es el calor (energía térmica) requerido para cambiar la fase de un fluido, esto ocurre cuando el refrigerante de dos fases entra en contacto con la electrónica calentada en el baños que están por encima del punto de ebullición de los refrigerantes. Una vez que el refrigerante de dos fases entra en su fase gaseosa, debe enfriarse o condensarse, generalmente mediante el uso de serpentines enfriados por agua colocados en la parte superior del tanque. Una vez condensado, el refrigerante de dos fases vuelve a gotear en el tanque de enfriamiento primario. El refrigerante de dos fases en el tanque generalmente permanece a su "temperatura de saturación". La energía transferida desde los servidores al refrigerante de dos fases hará que una parte se convierta en gas. El gas se eleva por encima del nivel del líquido donde entra en contacto con un condensador que está más frío que la temperatura de saturación. Esto hace que el refrigerante en estado gaseoso se condense de nuevo en forma líquida y vuelva al baño. [22]
Refrigeración por inmersión de chasis cerrado
Un enfoque diferente para el enfriamiento por inmersión en baño abierto son las soluciones de enfriamiento por inmersión para servidores sellados, donde los servidores se construyen especialmente en una carcasa hermética a los líquidos. El refrigerante dieléctrico se hace circular por el interior o se bombea a través de cada servidor para recoger el calor de los componentes. Luego, el calor se lleva a un colector o placa posterior en el bastidor donde circula directamente fuera del edificio a una torre de enfriamiento o intercambiador de calor o se enfría directamente en el bastidor con una infraestructura de refrigeración de la instalación. [23]
La principal ventaja de este enfoque es que los servidores se montan en recipientes independientes que se pueden reemplazar fácilmente en el bastidor y no es necesario colocarlos en baños horizontales. La desventaja más común es que no se puede utilizar todo el hardware, ya que el proveedor define las especificaciones de hardware de los servidores sellados.
Ver también
- Dieléctrico líquido
- Novec 649
- Hidrofluoroéter
Referencias
- ^ https://www.datacenterknowledge.com/power-and-cooling/five-reasons-data-center-liquid-cooling-rise
- ^ "Ocho tendencias emergentes del centro de datos a seguir en 2016" . Robert Gates. 15 de diciembre de 2015.
- ^ "Hoja de indio - un material de interfaz térmica" . Consultado el 25 de julio de 2017 .
- ^ "Enfriamiento por inmersión líquida del centro de datos con torres de enfriamiento adiabáticas" . Tecnologías submarinas. 2 de enero de 2016.
- ^ "Ice X: Intel y SGI prueban el enfriamiento de inmersión total para servidores" . Computerworld, Inc. 8 de abril de 2014.
- ^ "Facebook arroja servidores a sus espaldas en HOT TUBS of OIL" . El registro. 14 de octubre de 2013.
- ^ "Alivio de enfriamiento por inmersión líquida para centros de datos ultra densos" . TechTarget. 5 de octubre de 2014.
- ^ "¿Qué es el enfriamiento por inmersión en líquido? - Definición de WhatIs.com" . WhatIs.com . Consultado el 25 de julio de 2017 .
- ^ "El enfriamiento por inmersión se intensifica para los clústeres de HPC" . insideHPC. 7 de mayo de 2014.
- ^ "BitFury para lanzar centro de datos de enfriamiento de inmersión energéticamente eficiente" . Business Wire. 11 de diciembre de 2015.
- ^ "Historia del transformador y su aceite aislante" (PDF) .
- ^ "Transformador de corriente constante" (PDF) .
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- ^ "Selección de fluidos y efectos de las propiedades en el enfriamiento por inmersión monofásico y bifásico" (PDF) . JOHN R. SAYLOR, AVRAM BAR-COHEN, MIEMBRO MAYOR, IEEE, TIEN-YU LEE, TERRY W. SIMON, WE1 TONG Y PEY-SHEY WU. 4 de noviembre de 1988.
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- ^ "Immersion-2 Rack Platform (PUE 1.01)" . AlliedControl. 22 de enero de 2014.
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