Miguel López
Editor SeniorCalor. El peor enemigo, lo que más limita a un procesador es el calor que genera cuando trabaja a pleno rendimiento. Es lo que provoca que tu ordenador portátil suene como un avión a punto de despegar cuando abres algún juego, y la causa de que uno de los gastos más grandes de un centro de datos sea su refrigeración.
La solución para mitigar este calor ha sido casi siempre la ventilación mediante conductos de aire, con algunos ejemplos más avanzados utilizando conductos de refrigeración líquida. Pero ¿y si pudiéramos ir más allá y directamente sumergir los servidores en recipientes llenos de líquido? Eso es lo que precisamente logra la refrigeración por inmersión, y ya hay varias compañías que lo ofrecen como alternativa.
Sumergir los servidores en líquido ya no es una locura
No, no te lo estás imaginando mal: la refrigeración por inmersión consiste en sumergir servidores enteros en líquido, para que así el calor que generan se transfiera fácilmente a ese líquido y se refrigere con más eficiencia. Microsoft lo ha probado sumergiendo servidores en el mar con resultados positivos, pero en este caso hablamos de hundir los servidores de los centros de datos en tanques llenos de líquido lo suficientemente grandes para que queden completamente sumergidos. He aquí un vídeo de Fujisu mostrando el proceso:
El líquido que se utiliza en estos casos es dieléctrico, lo que significa que es capaz de aislar la corriente eléctrica que necesitan los dispositivos electrónicos (al contrario que el agua, un líquido conductor). Ese líquido puede ser un aceite mineral, agua desionizada o una solución creada específicamente para este uso.
Generalmente podemos clasificar la refrigeración por inmersión en dos grandes tipos: la inmersión por fase simple y la inmersión por fase doble. La inmersión por fase simple utiliza un líquido refrigerante que recibe el calor de los servidores sumergidos y pasa por un circuito hacia otro tanque donde un circuito de agua lo refrigera de nuevo.
Una vez enfriado, el líquido vuelve hacia los servidores para volver a cumplir su función. En este caso el líquido refrigerante no llega nunca a hervir ni a evaporarse, ni tampoco a congelarse. Gracias a ello no hacen falta instalaciones demasiado complejas.
La inmersión de dos fases va más allá: utiliza un líquido dieléctrico con un punto de ebullición bajo frente a los 100ºC del agua) y deja que éste hierva y evapore debido al calor que generan los servidores sumergidos. El vapor que se eleva desde el tanque pasa por unos condensadores, para que ahí vuelva a un estado líquido y "llueva" encima del tanque pudiendo empezar el proceso de nuevo. 3M tiene un vídeo donde podemos ver uno de estos tanques lleno de refrigerante hirviendo:
Este proceso tiene la ventaja de necesitar menos circuitos y válvulas, pero el vapor que se escape de los condensadores provoca pérdidas del líquido. Aún así, compañías como la del vídeo superior anuncian ahorros de costes de energía de hasta un 95%.
Objetivos, ventajas e inconvenientes de la inmersión de servidores
Detalle de una de las soluciones de refrigeración por inmersión de la empresa Submer.
La web de la empresa Submer describe a quién puede ir enfocada este tipo de refrigeración de los servidores: empresas cuyos centros de datos no puedan estar en zonas de clima frío, o personas que necesiten exprimir el rendimiento máximo de sus servidores con actividades como el renderizado de gráficos (ojo a esos servicios de juegos en la nube como GeForce Now o Google Stadia), o bien el minado de criptomonedas que ya vuelve a ser protagonista de un gran consumo de energía.
Esa actividad es precisamente en la que se enfocan otras empresas como SCATE Ventures, quienes ponen encima de la mesa el problema de los chips con cada vez más transistores y más pequeños y que por lo tanto generan cada vez más calor. Promocionan sus métodos de inmersión garantizando de un 25% a un 55% más capacidad de hashing dependiendo de los modelos de servidores que se utilicen gracias a la eficiencia resultante de hundirlos en líquido. Según Fujitsu, la refrigeración por inmersión puede ahorrar incluso un 40% de energía frente a la refrigeración convencional por aire.
La ventaja principal es, pues, evidente: como los servidores se refrigeran mejor, sus chips pueden trabajar a más potencia y ser más eficientes. Además, podemos retirar todos los ventiladores de refrigeración por aire que puedan incluir. Eso a su vez nos da centros de datos silenciosos, y que pueden evitar averías provocadas por polvo, partículas flotantes o vibraciones que provoquen esos ventiladores.
A nivel ambiental, además de la mejor eficiencia en el consumo de energía, también podemos añadir que los líquidos dieléctricos usados pueden ser biodegradables, con una vida útil que puede superar los veinte años y que no contribuyan en absoluto al calentamiento global. Y el mismo hecho de ser un líquido hace que proteja los servidores sumergidos en él de corrosiones que pueden aparecer con el tiempo.
Sin embargo no todo son beneficios. Para empezar, la inversión inicial para tener un centro de datos que refrigere por inmersión es más alta. Y bastante definitiva, porque revertir a refrigeración estándar de nuevo cuesta mucho más por tener que cambiar toda la instalación.
También se requiere más espacio físico en el centro de datos, ya que los servidores pasan de estar colocados horizontalmente en racks a estar sumergidos de forma vertical en tanques (aunque se compensa por no tener que instalar ventilación por aire). Y los tanques llenos de líquido pesarán mucho, de modo que el centro de datos tiene que estar preparado para soportarlo con suelos reforzados si es necesario. Tampoco olvidemos que hay que estar preparados ante cualquier fuga de líquido refrigerante de esos tanques, que puede ser desastrosa.
La compañía de servidores Rittal pone un equilibrio en forma de cifra: cree que la refrigeración por inmersión es rentable sólo en casos de centros de datos que necesiten tener una densidad de servidores tal que consuman 100kW por cada rack. En casos donde las necesidades sean menos estrictas, la refrigeración convencional o la refrigeración líquida son métodos que pueden dar mejores resultados.
Vamos hacia un mundo cada vez más conectado, así que cada vez vamos a necesitar más y más centros de datos que consumirán más energía. Métodos como la refrigeración por inmersión, bien implementados, pueden ser un buen modo de reducir el impacto que comportan todos esos servidores funcionando constantemente.
El artículo se ha editado el 18 de febrero para corregir una confusión: la empresa Submer utiliza líquido de fase simple y no de fase doble.
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13 comentarios
MahoCanarias
Me gusta más la solución de Microsoft de encapsular los servidores y sumergirlos, porque estas parecen más liosas y caras.
Álvaro
En 2011, un profesor nos enseñó en clase cómo se estaba montando un PC sumergido en aceite como refrigerante.
2011, oiga. Tampoco es tanta novedad.
Gustavo Woltmann
Como os leo algo relacionado con aprovechar la energía y calor desprendido sería más que óptimo.
pitruskin
Ya hay edificios que trabajan con cogeneración en España. El calor que emite el centro de datos se aprovecha para calentar la calefacción de las oficinas.
Los CPDs ya funcionan la mayoría con "free cooling" cogiendo el aire de la calle con lo que el consumo energético es muy bajo. En Madrid un 80% del año funcionan así.
El resto para ahorrar electricidad, usan enfriamiento adiabatico, que no es más que rociar con vapor de agua las máquinas de clima exteriores para que el salto térmico sea menor. De esta manera se ahorra en electricidad y se gasta en agua, pero como el agua es muy barata en España, parece que todo es muy eficiente.
polvs
Muy interesante el recopilatorio del post y los comentarios.
Igual esto se percibe como una visión sesgada ya que formo parte del equipo de Submer, pero me gustaría complementar la información con detalles que creo interesantes ya que no sabía que se iba a publicar nada sobre nosotros y hay muchos temas de propiedad intelectual y acuerdos de confidencialidad con nuestros clientes e integradores de sistemas internacionales que no nos dejan hablar libremente de todo lo que hacemos.
Unos puntos a destacar sobre el mundo de los centros de datos y nuestra implementación de “immersion cooling” en Submer:
- Los centros de datos e infraestructura de internet y computación, se estima que consume más electricidad que India (6% de la electricidad mundial) y que el consumo del mundo IT puede subir hasta el 20% de cara al 2025 con el llamado "Tsunami of Data" derivado del IoT, 5G, crecimiento del contenido digital...
- Hay una métrica para calcular la eficiencia de los centros de datos llamada Power Usage Effectiveness. Se trata del ratio entre el consumo de energía global del centro de datos (principalmente computación y refrigeración y en menor medida; conversión de AC-DC, iluminación del edificio...) vs sólo la computación (donde está el valor real). Cuanto más próximo a 1, significa que más eficiente es. La media de la industria está estancada alrededor de un PUE de >1.6 desde 2013 (datos de Uptime Institute). Se ha tocado techo en la eficiencia que pueden dar las tecnologías tradicionales de aire. Si nos fijamos en la industria del automòvil, hace mucho tiempo que cambiaron a radiadores con líquido para refrigerar ya que hay un límite físico en la capacidad que tiene el aire para disipar el calor.
- Para intentar ser más eficientes usan tecnologías de “free air cooling” y “evaporative cooling”, es decir, usar aire del exterior (con sus problemas de calidad de aire que derivan) y tecnologías de evaporación de agua para reducir el consumo eléctrico de los aires acondicionados gigantes y ventiladores que consumen de media alrededor del 40% de la electricidad. Pero por contrapartida, y esto es un pequeño secreto oscuro de la industria, evaporan una brutalidad de agua. Se estima que un datacenter medio evapora una piscina olímpica cada dos días…
Por eso hay otra métrica llamada Water Usage Effectiveness, pero nadie se fija mucho en ella por desgracia…
- También hay otra métrica un poco enterrada que se llama el IT Usage Effectiveness, y se trata de medir cómo de eficiente es el HW de computación. Y es que si hacemos zoom en lo que teóricamente aporta valor en el centro de datos dentro del cálculo del PUE, vemos que los servidores consumen entre un 10 y un 25% de su energía ¡también en mover aire por sus ventiladores de dentro! Es una locura el impacto global en sostenibilidad que tiene todo lo que hay detrás en la infraestructura que soporta internet y las apps que tanto usamos.
- A todo esto se le suman dos tendencias tecnológicas; 1- la alta densidad, en la que ya no hay un servidor físico por cada aplicación, ara se virtualiza la capacidad lógica para correr muchas aplicaciones y servicios en un sólo servidor físico y además aparece HW para tareas específicas tipo minería de cryptomonedas (ASICs, FPGAs…) o HW con mucho más potencial gráfico para gaming online y rendering con muchas GPUs que en el mismo espacio físico pueden generar muchísima más potencia eléctrica y calor. Y 2- El “Edge Computing”, llevar la computación cerca del uso final para reducir las latencias al mínimo para servicios como las telecomunicaciones, IoT, coches conectados, 5G, high frequency trading, gaming online…
Con todos estos problemas y tendencias convergiendo, en Submer, startup de aquí por cierto, somos los únicos que hemos unido a un equipo de expertos en HW, SW, química y robótica y hemos desarrollado una tecnología modular y escalable que permite ahorrar más del 95% de los costes de refrigeración, el 85% del espacio (sí, nuestra implementación ahorra espacio gracias a la modularidad de nuestros tanques junto con la alta densidad que permitimos y HW hiper-convergente), alargamos la vida útil del HW en un 30% (no hay partículas en suspensión chocando, partes móviles, cambios bruscos de temperatura, nuestro fluido biodegradable admite contaminación sin crear cortocircuitos…) y ahorramos el 99% del agua ya que trabajamos con un circuito cerrado incluso empoderando la economía circular y re-aprovechando el calor para otros procesos (“district heating”, industrias adyacentes al centro de datos, calentar edificios, acuaponia...) permitiendo eventualmente que nuestros clientes puedan incluso monetizar esta energía térmica o generar electricidad mediante tecnologías de “Organic Rankine Cycle”, y eso que antes era un problema, el calor se acaba convirtiendo en un beneficio.
Todo ello pudiéndose ubicar en cualquier zona y región independientemente del clima y reduciendo al máximo las distancias físicas para la latencia (centros de datos tradicionales, en torres de telecomunicaciones, espacios cerrados sin acceso exterior, en grandes edificios hyper-scale, etc.) lo que acaba haciendo que para nuevas instalaciones o centros de datos se ahorre un 50% del CAPEX en el propio edificio/continente (podemos ponerlo en un centro de datos tradicional, pero si es una instalación nueva nos da igual el suelo técnico, falsos techos, pasillos fríos, salas blancas... que son carísimas) dando lugar a un retorno de la inversión desde el primer día.
El roadmap de lo que viene relacionado con robótica también es muy interesante pero no puedo hablar mucho de ello :p
¡Perdonad por la parrafada y muchas gracias por compartir!
*@mlopca, no nos conocemos pero estaré encantado de compartir más detalles de lo que hacemos y material gráfico interesante. ¡Muchas gracias por mencionarnos en el post! :)