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Cualquiera que se haya zambullido en una piscina fría en un día caluroso comprende la eficacia de la refrigeración por líquido. Esto ciertamente no es un concepto nuevo. Los radiadores de automóviles, uno de los primeros ejemplos de refrigeración por líquido en la industria, han existido durante casi 125 años.
Cualquiera que se haya zambullido en una piscina fría en un día caluroso comprende la eficacia de la refrigeración por líquido. Esto ciertamente no es un concepto nuevo. Los radiadores de automóviles, uno de los primeros ejemplos de enfriamiento por líquido en la industria, han existido durante casi 125 años. El uso de la refrigeración por líquido, entre otros métodos de reducción de la temperatura, tampoco es una idea nueva para los centros de datos, donde el calor no controlado generado por los servidores, los procesadores de alta potencia y una gran variedad de equipos electrónicos podría provocar graves problemas. Si bien las aplicaciones de refrigeración por líquido en centros de datos se han limitado relativamente a sistemas específicos que generan mucho calor, las cargas de trabajo con un uso intensivo de recursos computacionales y de datos de las nuevas configuraciones de servidores siguen elevando las temperaturas, lo que ha despertado un mayor interés por los enfoques de gestión térmica por líquido de aplicación más amplia.
El diseño físico del centro de datos da prioridad a la reducción del calor, ya que, en lo que respecta a los sistemas electrónicos, las altas temperaturas merman el rendimiento y pueden llegar a provocar daños en los sistemas. Si bien el límite absoluto de temperatura ambiental del centro de datos es de 28 °C, según algunas recomendaciones del sector, el rango de temperatura ideal debería situarse entre los 23 °C y los 24 °C. [1] Como puede imaginar, esto se traduce en una elevada factura de aire acondicionado, por no mencionar el considerable consumo que supone para la red eléctrica. Por lo tanto, garantizar que la temperatura de los sistemas de servidores (y otros equipos electrónicos) se controle en la medida de lo posible es fundamental no solo para el almacenamiento y el procesamiento ininterrumpidos de los datos, sino también para lograr un funcionamiento más eficiente desde el punto de vista energético y con menores costos.
Además de la refrigeración activa por aire (aire acondicionado, ventiladores, etc.) y de diseños estructurales optimizados, como los pisos elevados, que ayudan a maximizar las posibilidades de circulación del aire, resulta igualmente fundamental refrigerar los sistemas electrónicos (en particular, en los racks de servidores) desde el interior hacia el exterior. El uso de materiales de interfaz térmica (TIM), disipadores de calor y sistemas de refrigeración líquidos en los componentes electrónicos de los servidores de alta densidad constituye el principal método para lograr una reducción de la temperatura durante la aplicación. En todos estos enfoques se está produciendo una innovación a gran escala, ya que los volúmenes y las velocidades de los datos, impulsados por la inteligencia artificial, la minería de datos y el análisis, no hacen más que aumentar y volverse cada vez más intensos.
La refrigeración líquida en los centros de datos adopta diversas formas, desde tuberías de refrigeración conectadas a placas de refrigeración o chasis entre placas de circuito impreso (PCB) y módulos, hasta sistemas de refrigeración por inmersión que sumergen racks completos. El concepto es relativamente sencillo: un refrigerante líquido (agua o refrigerante dieléctrico) circula a través de tuberías u otras estructuras, enfriando la interfaz metálica que actúa como dispositivo de captación de calor para los chips de computación de alto rendimiento. En el caso de la refrigeración por inmersión, los componentes se sumergen por completo [2] en depósitos, donde circula un refrigerante dieléctrico que no daña los componentes para reducir el calor operativo del sistema.Si bien las placas de refrigeración para placas de servidor/racks y la refrigeración por inmersión se han utilizado únicamente en áreas específicas del centro de datos, se prevé que este método de control de temperatura experimente una tasa de crecimiento anual compuesto (CAGR) del 20 % entre 2022 y 2028 [3] a medida que el volumen y la intensidad de los datos continúan aumentando.
Los operadores de centros de datos se ven impulsados no solo a gestionar la optimización del rendimiento mediante la reducción del calor, sino también a garantizar que las fábricas de datos sean más sustentables y eficientes desde el punto de vista energético. La refrigeración por aire tiene sus límites cuando las densidades de energía son elevadas. El enfriamiento líquido amplifica la ecuación de reducción de temperatura y lo hace con recirculación (es decir, con una reducción de residuos) o refrigerantes que son altamente eficaces. Esto reduce significativamente el consumo de energía. La pregunta es: ¿pueden ampliarse aún más los efectos positivos de la refrigeración por líquido?
En el pasado, se han hecho intentos para mejorar aún más la disipación térmica en los sistemas de refrigeración líquida mediante el uso de materiales de interfaz térmica (TIM) entre el componente y las tuberías, placas o chasis metálicos del sistema de refrigeración líquida.. Esto acelera la disipación térmica entre lo que, de otro modo, serían contactos metal contra metal. Esta idea tiene mérito. Lamentablemente, los materiales de interfaz térmica disponibles (en forma de almohadillas, adhesivos, geles y líquidos) o bien no son adecuados (geles y líquidos) para la aplicación, o bien no pueden soportar la fricción (almohadillas y adhesivos) que suelen provocar los componentes enchufables al introducirse en la carcasa o la PCB al insertarse en estructuras de placas compartimentadas y refrigeradas por líquido. Los materiales se desprenden o se raspan y, en esencia, dejan de ser eficaces.
Sin embargo, las recientes innovaciones en materia de TIM están demostrando su potencial para mejorar la refrigeración por líquido. Se ha demostrado que este material de interfaz microtérmica (mTIM), de gran durabilidad y aplicado en una capa ultrafina, proporciona una notable reducción del calor en los módulos ópticos enchufables (POM) para transceptores; además, acelera la disipación térmica al crear una interfaz termoconductiva, lo cual resulta superior a la transferencia de calor de metal a metal. Esta solución, que actualmente se utiliza en los módulos POM de 400 GbE de OSFP en centros de datos, ha demostrado una reducción significativa de la temperatura en comparación con una interfaz metal-metal. El efecto acumulativo de la reducción de calor por cada POM (una tarjeta de línea puede contener hasta 32 POM) es aún más significativo. Aunque la investigación sobre el rendimiento del mTIM en diseños de refrigeración tanto por tuberías como por refrigeración por inmersión en líquido se encuentra aún en una fase inicial, las propiedades y características de este recubrimiento duradero sugieren que podría ofrecer una aceleración considerable de la refrigeración en estructuras de refrigeración por líquido. El material tiene compatibilidad con múltiples metales, tiene un grosor ultradelgado de 25 µm (+/- 5 µm) y es muy duradero.
A medida que los racks de servidores de los centros de datos se calientan cada vez más y hasta las soluciones de refrigeración por líquido más eficaces llegan al límite de su capacidad, las innovaciones en materia de control térmico (como mTIM) pueden ser una opción a tener en cuenta para lograr un funcionamiento aún más sustentable y de alto rendimiento.
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