La refrigeración por inmersión es una práctica de refrigeración de TI mediante la cual se sumergen servidores completos en un fluido dieléctrico y eléctricamente no conductor 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 circulan más fácilmente a través del sistema que el aire. El enfriamiento por inmersión tiene muchos beneficios, que incluyen, entre otros: sostenibilidad, rendimiento, confiabilidad y costo.
A diferencia de muchos otros dispositivos, las computadoras no pueden utilizar refrigeración por agua por inmersión , porque el agua corriente es conductora de electricidad y romperá los componentes electrónicos. Por lo tanto, los fluidos utilizados en el enfriamiento por inmersión son líquidos dieléctricos para garantizar que puedan entrar en contacto de manera segura con 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 conectarse al chasis individual. Estos chasis suelen basarse en implementaciones tradicionales de estilo rack. Los conectores sin goteo generalmente requieren un pequeño circuito de enfriamiento de circuito cerrado con refrigerante para proteger la integridad del flujo a través de tuberías y conectores relativamente pequeños. El circuito cerrado lo facilita 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 líquido-aire "abierta" y, por tanto, la tensión superficial entre el líquido y el aire es un elemento distintivo. Los sistemas de baño abiertos suelen ser tanques que contienen una masa más grande de líquido dieléctrico donde se sumergen los componentes electrónicos 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 arriba para dar servicio a los equipos de TI. El tanque de refrigerante para sistemas de inmersión en 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 mediante la eliminación de la infraestructura de enfriamiento de aire, incluidos ventiladores de servidor integrados, CRAC, compresores de aire acondicionado, ventiladores de circulación de aire, conductos necesarios, manejadores de aire y otros sistemas auxiliares activos, como deshumidificadores. Estos sistemas se reemplazan con bombas de circulación de líquidos y sistemas de intercambiadores de calor y/o enfriadores secos.
El uso de energía en los centros de datos a menudo se mide en términos de efectividad del uso de energía (PUE). Las definiciones de PUE para dispositivos enfriados por aire y dispositivos enfriados por inmersión líquida son diferentes, lo que hace que estas comparaciones directas sean inexactas. El PUE para 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. El PUE para refrigeración por inmersión líquida excluye estos valores del componente Energía de equipos de TI porque estos elementos del sistema (en particular, los ventiladores a bordo) generalmente se eliminan de los equipos 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 enfriamiento da como resultado que el PUE de los centros de datos enfriados por aire generalmente se sobreestime en comparación con el PUE de una instalación enfriada por inmersión líquida con el mismo uso de energía. [4]
Los servidores y otro hardware de TI enfriado mediante enfriamiento 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 disipadores de calor para CPU y otros chips pueden requerir reemplazo con un compuesto diferente para evitar la degradación térmica dentro del líquido dieléctrico. [5] Dependiendo del tipo de aplicación, se pueden usar soldadura, lámina de indio y epoxis térmicamente conductores 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 funcionar 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 criptominería 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 enfriadores secos completamente pasivos o torres de enfriamiento adiabático o evaporativo mucho más eficientes [8] en lugar de enfriamiento por aire o enfriadores de agua basados en enfriadores. Este aumento en el rango de temperatura también permite a los operadores que usan 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]
Múltiples marcas relevantes como Intel y Facebook ya han validado las ventajas de los servidores sumergidos. [10] [11]
Las aplicaciones comerciales actuales para el enfriamiento por inmersión van 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 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. [ cita necesaria ] 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 necesaria ]
El enfriamiento por inmersión se aplica a componentes electrónicos en investigaciones en aguas profundas, donde vehículos submarinos operados remotamente con equipos electrónicos se llenan con dieléctricos líquidos monofásicos para protegerlos de la corrosión en el agua de mar y como fluido compensador de presión para evitar que la carcasa se aplaste. por la extrema presión ejercida sobre el ROV mientras trabajaba en las profundidades del mar. [ cita necesaria ] Esta aplicación también incluye el enfriamiento de los motores eléctricos utilizados para la propulsión submarina.
Hasta aproximadamente 2014, la tecnología normalmente solo se utilizaba 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 la utilización de enfriamiento por inmersión líquida tanto en los centros de datos como en las operaciones de criptominería para reevaluar su solicitud. 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 llevando a los usuarios y operadores de centros de datos a evaluar la capacidad del enfriamiento por inmersión líquida para enfriar racks de alta densidad, así como reducir la huella mecánica total de los centros de datos.
Hitos de la inmersión de los siglos XIX y XX:
Hitos de la inmersión del siglo XXI:
El enfriamiento por inmersión en baño abierto es una técnica de enfriamiento de centros de datos que implica sumergir completamente los equipos de TI en un 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. [27]
Estos baños permiten mover el fluido refrigerante a través de los componentes de hardware o servidores sumergidos en él. [28]
La inmersión monofásica de doble circuito requiere la circulación de los líquidos dieléctricos mediante bombas o mediante flujo de convección natural. [29] Estos líquidos siempre permanecen en estado líquido mientras están en 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 bifásicos se utilizan fluorocarbonos [30] como fluidos caloportadores. El calor se elimina en un sistema de dos fases, donde el líquido hierve cuando entra en contacto con componentes calientes debido a su bajo punto de ebullición. [31] 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 baño que están por encima del punto de ebullición del refrigerante. Una vez que el refrigerante de dos fases 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. Una vez condensado, el refrigerante de dos fases vuelve a gotear al tanque de enfriamiento primario. El refrigerante bifásico del depósito generalmente permanece a su "temperatura de saturación". La energía transferida desde los servidores al refrigerante de dos fases hará que una parte del mismo 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 condense nuevamente en líquido y vuelva a caer al baño. [32]
El enfriamiento por inmersión sellado para servidores encierra los servidores en carcasas herméticas. El refrigerante dieléctrico circula por el interior o se bombea a través de cada servidor para recoger el calor de los componentes. El fluido calentado circula a un intercambiador de calor en el rack donde circula directamente fuera del edificio a una torre de enfriamiento o a un intercambiador de calor o se enfría directamente en el rack con una infraestructura de refrigeración de la instalación. [33] 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 incendio . [34]
En los últimos años [ ¿cuándo? ] , el enfriamiento 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 eficiencia ultra alta, suficiente para calentar una casa entera. El enfriamiento por inmersión ofrecía un medio para convertir silenciosamente el calor residual de la operación minera en calentar agua, derretir nieve, generar calefacción en el piso y calentar jacuzzis, piscinas, tiendas, dependencias, cobertizos e invernaderos. Existen argumentos convincentes 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 ofrecen calefacción basada en informática para operaciones residenciales y comerciales. [ cita necesaria ]
El sobrecalentamiento de las celdas y paquetes de baterías de iones de litio es un desafío tecnológico continuo 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. [35] El enfriamiento por inmersión de las baterías es específicamente beneficioso en condiciones de abuso, donde es necesario evitar la propagación térmica a través del módulo o paquete de baterías. La refrigeración por inmersión está ganando importancia como 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. [36] Actualmente, el enfriamiento por inmersión se utiliza predominantemente en deportes de motor y modelos de vehículos de alta gama, lo que demuestra su eficacia en tecnologías automotrices de vanguardia. [37]