Refrigeración por pulverización para servidores, una buena opción

Investigadores de la Universidad Técnica de Nanyang (NTU) de Singapur proponen un método más sostenible para refrigerar los servidores de los centros de datos, reduciendo hasta un 26% los costes energéticos y la huella de carbono.

En Singapur, en concreto, los centros de datos representan el 7% del consumo total de electricidad, según los investigadores. Con la creciente demanda de recursos informáticos, es crucial encontrar una solución que reduzca el consumo de energía y el impacto ambiental de estos entornos.

El componente que más se calienta en los servidores de centros de datos es la CPU, que requiere un disipador de calor específico refrigerado por aire. Además, el espacio del centro de datos en su conjunto también necesita refrigeración por aire acondicionado. Sin embargo, los sistemas convencionales de refrigeración por aire son térmicamente ineficaces y consumen mucha energía, ya que requieren una gran diferencia de temperatura entre la fuente de calor y el medio refrigerante. Como resultado, entre el 30% y el 55% de la energía consumida por los centros de datos se destina a los sistemas de refrigeración.

Y lo que es más importante, la creciente miniaturización de los chips electrónicos provocará inevitablemente un aumento del flujo térmico, mientras que el esquema de refrigeración por aire se limita a una meseta relativamente baja de 37 W/cm2, según los investigadores de NUT. Por tanto, llaman la atención sobre la urgente necesidad de estrategias de refrigeración más eficaces.

Teniendo en cuenta todos estos puntos y considerando que, debido a sus mejores propiedades térmicas, la refrigeración líquida se ha visto como una alternativa prometedora al método basado en el aire, la solución desarrollada por los científicos de la NTU adoptó un spray especial de fluidos no conductores para refrigerar directamente la CPU.

El esquema de refrigeración líquida indirecta, que utiliza sistemas de circulación de fluidos, se pasó por alto debido a la preocupación por las fugas de refrigerante. En cambio, la refrigeración por inmersión, que según los estudios es eficiente desde el punto de vista energético, superior a los métodos de refrigeración por aire en los trópicos, puede resultar difícil y cara de implantar en grandes centros de datos.

Fue entonces cuando surgió la idea de la refrigeración por pulverización, que rocía fluido dieléctrico directamente sobre las CPU y utiliza una combinación de mecanismos de eliminación del calor muy eficaces, como la evaporación y la ebullición. Los gases y fluidos sobrantes se recogen en un sistema cerrado, se condensan en líquido a temperatura ambiente en el trópico (unos 30 grados centígrados) y vuelven a circular para ser reutilizados por el sistema.

“La inspiración de nuestra solución es sencilla. Si queremos apagar un fuego de leña, nos enseñan a apuntar el extintor a la base del fuego en vez de intentar eliminar las llamas o alrededor del fuego. Pensando de forma similar, desperdiciamos mucha energía intentando enfriar el aire alrededor de la fuente de calor, cuando deberíamos enfriarlo directamente”, explica Wong Teck Neng, profesor de la NTU que dirige el proyecto de investigación.

El catedrático comenta que el enfoque selectivo es más inteligente, sobre todo en entornos tropicales, donde la elevada humedad y el calor pueden ejercer presión sobre los sistemas tradicionales de refrigeración por aire. Por ejemplo, un centro de datos convencional tiene que funcionar a unos 18 grados centígrados. En comparación, los entornos que utilizan refrigeración por pulverización pueden mantener su temperatura óptima en torno a los 55 grados centígrados, sin necesidad de utilizar sistemas de aire acondicionado que consumen mucha energía. La Eficacia del Uso de la Energía (PUE) -la relación entre la energía total utilizada por el centro de datos y la energía real suministrada a los servidores- del nuevo prototipo puede alcanzar valores cercanos a 1,08 (cuanto más cerca de 1, mejor). Los centros de datos refrigerados por aire, en general, tienen valores de PUE en torno a 1,8.

Según la potencia que consumen los servidores en un rack, el calor residual es de unos 7 kW por metro cúbico en los modelos convencionales refrigerados por aire. En comparación, el prototipo refrigerado por pulverización utilizado en la investigación ha demostrado ser capaz de disipar mucho más calor, haciendo frente a densidades de hasta 23 kW por metro cúbico.

Además, con la nueva solución de refrigeración por pulverización, se calcula que se pueden reunir servidores de mayor potencia informática en un espacio más reducido que el de los centros de datos actuales. Los investigadores calculan que esto puede traducirse en un ahorro de espacio de alrededor del 30% con respecto a los centros de datos convencionales que utilizan sistemas refrigerados por aire, una ventaja significativa ante la escasez de suelo que probablemente veremos en el futuro en algunas regiones.

Según los investigadores, la refrigeración por pulverización también permitirá que las CPU funcionen a mayor velocidad que las actuales, limitadas por la refrigeración por aire (a mayor velocidad, mayor temperatura). Otra ventaja es que el nuevo método propuesto por los científicos de la NTU es altamente escalable y fácilmente adaptable a los centros de datos modernos.

En cuanto al impacto ambiental, los estudios realizados por el equipo de investigación demostraron que, considerando una carga informática de 1 megavatio en el centro de datos, el sistema de refrigeración por pulverización puede reducir hasta 1.550 toneladas anuales de emisiones de CO2 en comparación con los sistemas convencionales refrigerados por aire. Además, las operaciones energéticamente eficientes derivadas de la refrigeración por pulverización pueden suponer un ahorro del 26% en los costes energéticos anuales.

Durante la investigación, se utilizó un sistema de rack refrigerado por pulverización a escala real alojado en una caja capaz de albergar hasta 12 servidores. Unos pulverizadores con múltiples boquillas rocían el líquido sobre cada CPU. También hay un sistema de recogida del líquido vaporizado y un condensador que funciona a temperatura ambiente para convertir los gases en líquido. No se requiere ningún sistema de refrigeración.

Ya se han solicitado patentes para la tecnología; una ya se ha concedido en Estados Unidos en julio de 2022.