Refrigeración líquida para data centers: donde la refrigeración y los servidores entran en contacto

La refrigeración líquida para servidores lleva ya algunos años en auge. En los últimos tres años, el desarrollo de la inteligencia artificial ha impulsado aplicaciones con densidades de potencia cada vez más altas que requieren refrigeración líquida para disipar el calor generado en volúmenes tan pequeños. En consecuencia, el crecimiento del mercado de estas soluciones de refrigeración es evidente y es más rápido que el de otras tecnologías, incluso teniendo en cuenta la expansión general del sector.

En cuanto a las tecnologías de refrigeración líquida, destacan las soluciones de inmersión y las de direct-to-chip.

Aquí es donde se sitúa la feria SC2024, a la que tuve el placer de asistir en Atlanta a finales de noviembre de 2024. La feria de supercomputación se celebra cada año en Estados Unidos. Sin embargo, la última edición atrajo a un número especialmente elevado de actores del sector que operan en IT (servidores, software, etcétera) e infraestructuras (energía, refrigeración, etcétera). Fue una oportunidad importante para los actores de la industria mundial, la ocasión de reunirse, discutir y presentar las últimas tendencias, fomentar mejores colaboraciones y hacer sostenible este vertiginoso desarrollo tecnológico. Durante la feria, vimos algunos usos potenciales especialmente interesantes de esta tecnología. Por ejemplo, el Instituto Nacional Italiano de Astrofísica (INAF) presentó el uso de la inteligencia artificial para crear modelos tridimensionales de galaxias, demostrando cómo la tecnología puede utilizar los datos adquiridos por drones para construir un modelo de un deslizamiento de tierra y predecir su comportamiento.

Tendencias tecnológicas en refrigeración líquida

En cuanto a las tecnologías de refrigeración líquida, destacan las soluciones de inmersión y las de direct-to-chip. Ambos sistemas de disipación están conectados a una CDU (Coolant Distribution Unit), que permite disipar el calor mediante intercambio con un sistema conectado externamente, normalmente equipado con una torre evaporativa o enfriadora. En el área de exposición se mostraron varios tipos de CDU, entre ellos las CDU montadas en rack, que ocupan un espacio del rack de servidores para ser refrigeradas; y las CDU montadas en el suelo (o CDU externas), que son unidades independientes diseñadas para dar servicio a varios racks. La tendencia de aumentar continuamente la potencia a disipar está llevando a CDU cada vez más grandes (superiores a 1 MW). Esto implica que, a partir de una determinada densidad, es prácticamente imposible utilizar una CDU en rack, debido al tamaño necesario para intercambiadores de calor y bombas. Sin embargo, una CDU en rack utiliza un espacio en rack que podría albergar servidores.

Evidentemente, nos encontramos en plena evolución tecnológica y, en la actualidad, existen diversas soluciones que garantizan la máxima flexibilidad de aplicación. Sin embargo, la refrigeración por aire no ha desaparecido por completo, como ocurre, por ejemplo, en las soluciones de refrigeración por chip, en las que la refrigeración líquida se utiliza para eliminar solo aproximadamente el 80% del calor (el del chip) y sigue siendo necesaria la refrigeración por aire para los demás componentes. Se pueden encontrar soluciones de refrigeración líquida asistida por aire, en las que la CDU extrae el calor del servidor y lo elimina en un intercambiador de calor refrigerado por aire del ambiente. En estos casos, predomina la refrigeración líquida para la extracción del calor, mientras que se puede mantener un sistema de aire tradicional que enfríe el entorno para beneficiarse de la refrigeración gratuita, dadas las temperaturas de diseño relativamente altas (en torno a los 25 ºC-30 ºC).

Tendencias de aumento de la temperatura

Una de las tendencias más evidentes que surgen en congresos y espacios de exposición es que el aumento de la densidad térmica continuará durante los próximos años, a raíz del desarrollo de nuevos chips que concentran cada vez más potencia de cálculo (y, por lo tanto, energía eléctrica) en el mismo espacio.

Este gráfico presentado recientemente por OCP (Open Compute Group) es el resultado de las predicciones de los principales fabricantes de HW y operadores de centros de datos. Muestra que en los próximos 3-4 años (en la ordenada) la potencia de las GPU para IA crecerá una vez y media hasta alcanzar los 1,5 kW. La curva roja muestra cómo las CPU (utilizadas en servidores normales), aunque en un rango completamente diferente, sufrirán un aumento similar al pasar de 400 W a 600 W, entrando por tanto en el rango interesante para aplicaciones de refrigeración líquida. Sin embargo, la curva azul muestra claramente que una mayor potencia requiere temperaturas más bajas del fluido refrigerante, siendo el sistema el mismo, tanto es así que, en previsión de esta evolución, la citada asociación ha recomendado una temperatura de diseño de 30°C, lo que, aguas abajo de un mayor intercambio después de la CDU, hará necesaria la refrigeración mecánica (con un enfriador) al menos como respaldo o durante las épocas más calurosas del año.

De las tendencias termodinámicas a la creciente interacción entre IT y refrigeración

Durante la SC24 también se debatió un interesante boletín de Ashrae que contenía las directrices sobre refrigeración líquida presentadas en un manual publicado recientemente.

En la siguiente tabla se resumen algunos de los puntos clave:

Varios indicios son realmente interesantes y merece la pena examinarlos más a fondo:

• Evidencias de las dos preocupaciones principales: la primera y más notoria es que la temperatura elevada para el servidor, pero que las oscilaciones de temperatura son igualmente perjudiciales porque reducen la eficacia de la GPU.

• Igualmente interesantes son los requisitos de diseño basados en la redundancia y la inercia para aumentar la resiliencia del sistema.

• Una vez más, es evidente que la CDU es una prescripción clave del sistema.

• Además de la necesidad de una correcta puesta en servicio, las directrices operativas hacen mucho hincapié en la cuestión de la calidad del flujo de fluido en los intercambiadores porque sus minúsculos canales podrían obstruirse fácilmente. Por lo tanto, una filtración eficiente es vital para la continuidad del servicio.

Por último, una mención especial merece la necesidad de una mayor interacción entre el sistema de refrigeración y el servidor. En esta cuestión, cada vez es más popular el uso del protocolo Redfish, que tiene su origen en el sector de las TI y se utiliza para comunicar parámetros de funcionamiento de los microprocesadores, como la temperatura. La aplicación del mismo protocolo a otros componentes del sistema, como los dispositivos de refrigeración, permitirá ajustar las estrategias de control para optimizar la refrigeración en función del uso real del servidor. En otras palabras, aquí es donde la TI y la refrigeración entran en contacto, con un sistema más interdependiente, de baja inercia y altamente dinámico, donde la propia IA puede utilizarse para ajustar dinámicamente el sistema para maximizar la eficiencia y preservar la continuidad del servicio del servidor.

Finalmente, hay que mencionar las estrategias de migración de carga. Esta interdependencia del sistema podría permitir que los procesos informáticos se trasladen a otra GPU o rack en caso de deriva de temperatura o cambios importantes para dar tiempo al sistema a estabilizarse.

Así, parafraseando a JFK, podríamos decir "No preguntes qué puede hacer el sistema de refrigeración por tu servidor, pregunta qué puede hacer tu servidor por el sistema de refrigeración".