El enfriamiento por inmersión es una práctica de enfriamiento de TI mediante la cual los servidores completos se sumergen en un fluido dieléctrico, no conductor de electricidad, que tiene una conductividad térmica significativamente mayor que el aire. El calor se elimina de un sistema poniendo el refrigerante en contacto directo con los componentes calientes y haciendo circular el líquido calentado a través de intercambiadores de calor . Esta práctica es muy eficaz porque los refrigerantes líquidos pueden absorber más calor del sistema y se distribuyen más fácilmente a través del sistema que el aire. El enfriamiento por inmersión tiene muchos beneficios, incluidos, entre otros: sostenibilidad, rendimiento, confiabilidad y costo.
A diferencia de muchos otros dispositivos, las computadoras no pueden utilizar refrigeración por inmersión en agua , ya que el agua común es conductora de electricidad y rompería los componentes electrónicos. Por lo tanto, los fluidos utilizados en la refrigeración por inmersión son líquidos dieléctricos para garantizar que puedan entrar en contacto de manera segura con los componentes electrónicos energizados.
En general, los líquidos dieléctricos utilizados para el enfriamiento por inmersión se dividen en dos categorías: hidrocarburos (es decir, aceites minerales, sintéticos o biológicos) y fluorocarbonos (líquidos totalmente diseñados). Los líquidos dieléctricos se dividen en aplicaciones monofásicas y bifásicas, que se diferencian en si el fluido refrigerante se convierte o no en gas durante el ciclo de enfriamiento.
Un chasis cerrado requiere conectores sin goteo para interactuar con el chasis individual. Estos chasis suelen basarse en implementaciones de estilo de bastidor tradicional. Los conectores sin goteo suelen requerir un pequeño circuito cerrado de refrigeración con un refrigerante para proteger la integridad del flujo a través de tuberías y conectores relativamente pequeños. El circuito cerrado se facilita mediante una CDU o unidad de distribución de refrigerante, que normalmente puede facilitar varios bastidores a la vez.
Un baño abierto se refiere a la interfaz "abierta" líquido-aire y, por lo tanto, la tensión superficial entre el líquido y el aire es un elemento distintivo. Los sistemas de baño abierto suelen ser tanques que contienen una mayor cantidad de líquido dieléctrico en el que se sumergen los componentes electrónicos. Varios conjuntos electrónicos comparten el mismo líquido. Este líquido puede basarse en tecnología monofásica o bifásica. Independientemente del término, los sistemas de baño abierto pueden estar completamente sellados, pero siempre se abren desde la parte superior para realizar el mantenimiento de los equipos informáticos. El tanque de refrigerante para los sistemas de inmersión de baño abierto está conectado a una CDU que hace circular el líquido dieléctrico o a un dispositivo de intercambio de calor integrado que forma parte del tanque. Para una interfaz de instalación, las CDU suelen estar diseñadas para 100 kW o más, mientras que un dispositivo de intercambio de calor integrado suele estar diseñado para una capacidad de refrigeración de 10 a 100 kW.
El enfriamiento híbrido se refiere a combinaciones de aparatos de baño cerrados y abiertos. [3]
El enfriamiento por inmersión reduce el consumo de energía al eliminar la infraestructura de enfriamiento de aire, incluidos los ventiladores de servidor integrados, los CRAC, los compresores de aire acondicionado, los ventiladores de circulación de aire, los conductos necesarios, los manipuladores de aire y otros sistemas auxiliares activos, como los deshumidificadores. Estos sistemas se reemplazan por bombas de circulación de líquido y sistemas de intercambiadores de calor o enfriadores secos.
El consumo de energía en los centros de datos se mide a menudo en términos de eficacia de uso de energía (PUE). Las definiciones de PUE para dispositivos refrigerados por aire y dispositivos refrigerados por inmersión en líquido son diferentes, lo que hace que estas comparaciones directas sean inexactas. La PUE para los centros de datos refrigerados por aire incluye la energía utilizada por los ventiladores y otros componentes de refrigeración activos que se encuentran en los servidores. La PUE para la refrigeración por inmersión en líquido excluye estos valores del componente de energía del equipo de TI porque estos elementos del sistema (en particular, los ventiladores integrados) generalmente se eliminan del equipo de TI, ya que no son necesarios para hacer circular los refrigerantes dieléctricos. Esta discrepancia en la definición de PUE para los diferentes métodos de refrigeración da como resultado que la PUE de los centros de datos refrigerados por aire generalmente se sobrestime cuando se compara con la PUE de una instalación refrigerada por inmersión en líquido con el mismo consumo de energía. [4]
Los servidores y otros equipos informáticos refrigerados por inmersión no requieren ventiladores para hacer circular el líquido dieléctrico, por lo que se retiran del sistema antes de la inmersión. Las pastas térmicas que se utilizan normalmente en los disipadores de calor de las CPU y otros chips pueden requerir un reemplazo por un compuesto diferente para evitar la degradación térmica dentro del líquido dieléctrico. [5] Según el tipo de aplicación, se pueden utilizar soldadura, láminas de indio 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 que se sumergen pueden operar de manera confiable. Para los servidores, este rango de temperatura suele estar entre 15 y 65 °C (59 y 149 °F); [6] sin embargo, en los dispositivos de minería de criptomonedas basados en ASIC, este rango a menudo se extiende hasta 75 °C. [7] Este aumento en el extremo superior del rango de temperatura permite a los operadores de centros de datos utilizar refrigeradores secos completamente pasivos o torres de enfriamiento adiabático o evaporativo mucho más eficientes [8] en lugar de enfriamiento por aire o por agua 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 las temperaturas exteriores 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. [9]
Varias marcas relevantes como Intel y Facebook ya han validado las ventajas de sumergir servidores. [10] [11]
Las aplicaciones comerciales actuales para el enfriamiento por inmersión varían desde soluciones orientadas a centros de datos para enfriamiento de servidores básicos, [12] [13] clústeres de servidores, aplicaciones HPCC [14] y minería de criptomonedas . [15] y arquitecturas de alojamiento web y basadas en la nube convencionales. Los fabricantes de vehículos eléctricos y baterías también emplean enfriamiento por inmersión líquida en baterías, transmisión, sistemas de recuperación de energía cinética , motores eléctricos, controladores de motores eléctricos y otros subsistemas electrónicos de a bordo. [ cita requerida ] El enfriamiento por inmersión líquida también se utiliza en la gestión térmica de LED, láseres, máquinas de rayos X y dispositivos de imágenes por resonancia magnética. [ cita requerida ]
El enfriamiento por inmersión se aplica a los componentes electrónicos en la investigación en aguas profundas, donde los vehículos submarinos operados de forma remota con equipos electrónicos se llenan con dieléctricos líquidos monofásicos para protegerlos de la corrosión en el agua de mar y como un fluido compensador de presión para evitar que la carcasa sea aplastada por la presión extrema ejercida sobre el ROV mientras trabaja en las profundidades del mar. [ cita requerida ] Esta aplicación también incluye el enfriamiento de los motores eléctricos utilizados para la propulsión submarina.
Hasta aproximadamente 2014, la tecnología se utilizaba típicamente solo en proyectos especiales de supercomputación muy intensivos, como Cray Computer Applications. [16] Aunque el aumento esperado en el consumo global de energía por parte de los centros de datos se ha mantenido estable, [17] hay un mayor enfoque en la eficiencia energética que ha impulsado el uso de refrigeración por inmersión líquida tanto en los centros de datos como en las operaciones de minería de criptomonedas para reevaluar su aplicación. La llegada de nuevas CPU y GPU de muy alta densidad para su uso en operaciones de procesamiento en tiempo real, inteligencia artificial, aprendizaje automático y minería de datos está llevando a los usuarios y operadores de centros de datos a evaluar la refrigeración por inmersión líquida para la capacidad de enfriar racks de alta densidad, así como reducir la huella mecánica total de los centros de datos.
La creciente adopción de chipsets de CPU y GPU con TDP más elevado en los centros de datos en los últimos años ha hecho que la refrigeración por inmersión se convierta en una solución para los centros de datos que permite abordar las limitaciones técnicas de las plataformas refrigeradas por aire. Con plataformas como Grace-Blackwell GB200 NVL72 de NVIDIA que requieren hasta 140 kW de refrigeración por rack, [18] la refrigeración líquida a gran escala está surgiendo como una tecnología importante para ofrecer capacidad de alojamiento para estas nuevas plataformas. Esta necesidad a gran escala está impulsando nuevos formatos, la adopción por parte de la industria y métodos de implementación: en 2023, Firmus Technologies lanzó una plataforma de inmersión monofásica que es capaz de modernizar salas de datos refrigeradas por aire completas mediante módulos de 1 MW, [19] comprometiéndose a instalar la tecnología en regiones de Singapur, India y Australia.
Hitos de la inmersión en los siglos XIX y XX:
Hitos de la inmersión en el siglo XXI:
El enfriamiento por inmersión en baño abierto es una técnica de enfriamiento de centros de datos que implica sumergir completamente el equipo de TI en un líquido dieléctrico. El aspecto "abierto" no se refiere a un sistema abierto o sellado, sino a la interfaz "abierta" entre el líquido y el aire y, por lo tanto, la tensión superficial entre el líquido y el aire es un elemento distintivo. [30]
Estos baños permiten que el fluido refrigerante se mueva a través de los componentes de hardware o servidores sumergidos en él. [31]
La inmersión monofásica de doble circuito requiere la circulación de los líquidos dieléctricos mediante bombas o por flujo de convección natural. [32] Estos líquidos siempre permanecen 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 los sistemas bifásicos , se utilizan fluorocarbonos [33] como fluidos de transferencia de calor. El calor se elimina en un sistema bifásico, donde el líquido hierve cuando entra en contacto con componentes calientes debido a su bajo punto de ebullición. [34] El sistema aprovecha un concepto conocido como " calor latente ", que es el calor (energía térmica) necesaria para cambiar la fase de un fluido, esto ocurre cuando el refrigerante bifásico entra en contacto con los componentes electrónicos calentados en el baño que están por encima del punto de ebullición del refrigerante. Después de que el refrigerante bifásico entra en su fase gaseosa, debe enfriarse o condensarse, normalmente mediante el uso de serpentines enfriados por agua colocados en la parte superior del tanque. Después de que se condensa, el refrigerante bifásico gotea de nuevo en el tanque de enfriamiento primario. El refrigerante bifásico en el tanque generalmente permanece a su "temperatura de saturación". La energía transferida desde los servidores al refrigerante bifásico hará que una parte de este hierva y 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 gaseoso se vuelva a condensar en líquido y vuelva a caer en el baño. [35]
El enfriamiento por inmersión de servidores sellados encierra los servidores en carcasas herméticas. El refrigerante dieléctrico circula dentro de cada servidor o se bombea a través de él para recolectar calor de los componentes. El fluido calentado circula hasta un intercambiador de calor en el bastidor, desde donde se lo hace circular directamente fuera del edificio hasta una torre de enfriamiento o un intercambiador de calor, o se lo enfría directamente en el bastidor con una infraestructura de refrigerante de instalaciones. [36] La principal ventaja de este enfoque es que los servidores se montan en recipientes autónomos que se pueden reemplazar en el bastidor sin acceder al fluido. Una desventaja es que no se puede utilizar todo el hardware, ya que el proveedor define las especificaciones de hardware de los servidores sellados.
Algunos fluidos de enfriamiento por inmersión a base de hidrocarburos presentan un riesgo de incendio ya que tienen un punto de inflamación . [37]
En los últimos años [ ¿cuándo? ] , la refrigeración por inmersión, en particular para la minería de bitcoins, se ha convertido en un método popular para generar calor utilizable. En climas fríos, un solo minero ASIC puede proporcionar una conversión de calor eléctrico de ultraalta eficiencia [ cita requerida ] suficiente para calentar una casa entera. La refrigeración por inmersión ofrecía un medio para convertir silenciosamente el calor residual de la operación minera para calentar agua, derretir nieve, alimentar la calefacción por suelo radiante y calentar jacuzzis, piscinas, tiendas, dependencias, cobertizos e invernaderos. Existe una razón convincente para combinar las operaciones de minería de bitcoins con granjas verticales interiores e invernaderos tradicionales para compensar o eliminar el costo de calefacción de las instalaciones. Las instalaciones recreativas interiores y exteriores, tanto públicas como privadas, también pueden beneficiarse del calor residual "gratuito". Algunas empresas proporcionan calefacción basada en computación para operaciones residenciales y comerciales. [ cita requerida ]
El sobrecalentamiento de las celdas y los paquetes de baterías de iones de litio es un desafío tecnológico constante para la conversión y el almacenamiento de energía electroquímica, incluso en los vehículos eléctricos. El enfriamiento por inmersión es una técnica de gestión térmica prometedora para abordar estos desafíos. [38] El enfriamiento por inmersión de las baterías es especialmente beneficioso en condiciones de abuso, donde se necesita evitar la propagación térmica a través del módulo o paquete de baterías. El enfriamiento por inmersión está ganando prominencia como una aplicación emergente dentro de la industria automotriz. Con una capacidad de transferencia de calor de 50 a 100 veces mayor que los métodos de enfriamiento indirecto, el enfriamiento por inmersión se destaca como una solución eficiente y poderosa. [39] Actualmente, el enfriamiento por inmersión se utiliza predominantemente en los deportes de motor y en modelos de vehículos de alta gama, lo que demuestra su eficacia en tecnologías automotrices de vanguardia. [40]