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Ventajas de los distintos sistemas de refrigeración para un Data Center

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Resumen ejecutivo El enfriamiento completo de la sala no es una manera eficaz de controlar la temperatura en los centros de datos de próxima generación. Los equipos de IT más modernos de alta densidad y densidad variable generan condiciones para las que el enfriamiento de la sala nunca fue diseñada; por eso, los sistemas de enfriamiento resultan poco eficaces, impredecibles y con baja densidad de potencia. Las arquitecturas de enfriamiento por hilera y por rack fueron desarrolladas para encarar estos problemas.

Introducción En un centro de datos, toda la energía eléctrica suministrada a las cargas de IT termina convirtiéndose en calor residual que debe extraerse para evitar que se generen temperaturas extremas. Prácticamente todos los equipos de IT utilizan enfriamiento por aire, es decir que cada equipo toma aire del ambiente y emana calor residual hacia la salida de aire. Como los centros de datos pueden albergar miles de dispositivos informáticos, en consecuencia, pueden tener miles de vías de circulación de aire caliente que, al sumarse, representan el total de calor residual producido en el centro de datos, y este calor residual debe extraerse. El objetivo de los sistemas de aire acondicionado para centros de datos es capturar satisfactoriamente este complejo flujo de calor residual y extraerlo de la sala. El enfriamiento de la sala es el método convencional para refrigerar centros de datos. Mediante este método, uno o más sistemas de aire acondicionado que trabajan en paralelo despiden aire frío hacia el centro de datos y extraen el aire del ambiente más cálido. El principio básico de este método es que las unidades de aire acondicionado no solo brindan capacidad de enfriamiento en bruto, sino que también funcionan como grandes mezcladoras que agitan y mezclan constantemente el aire de la sala para generar una temperatura promedio homogénea y evitar que se produzcan concentraciones de calor. El enfoque resulta eficaz siempre que la energía necesaria para mezclar el aire sea una pequeña fracción del consumo total de energía del centro de datos. La experiencia y los datos de simulaciones demuestran que este sistema es efectivo cuando el promedio de densidad de potencia en el centro de datos se encuentra entre 1 y 2 kW por rack, es decir entre 323 y 753 W/m2.

Arquitectura de enfriamiento de la sala En la arquitectura de enfriamiento de la sala, las unidades CRAC se asocian con la sala y funcionan en simultáneo para disipar la carga térmica total de la sala. Una arquitectura de este tipo puede constar de una o más unidades de aire acondicionado que suministran aire frío sin ninguna restricción impuesta por ductos, reguladores, ventilaciones, etcétera, o bien el suministro o el retorno pueden tener una limitación parcial por un sistema de piso elevado o una cámara de retorno instalada en altura. Durante el diseño, la atención que se presta a la circulación del aire suele variar mucho. En salas pequeñas, a veces no se planifica la ubicación de los racks; por lo tanto, tampoco se planifican las limitaciones para la circulación de aire. En instalaciones más sofisticadas, puede utilizarse el piso elevado para distribuir el aire en una disposición de pasillo caliente/pasillo frío bien planificada, con el expreso propósito de dirigir y alinear el flujo de aire con los gabinetes de IT. El diseño de enfriamiento de la sala se ve muy afectado por las limitaciones exclusivas de cada sala, entre ellas, la altura del techo, la forma de la sala, las obstrucciones por encima y por debajo del piso, la disposición de los racks, la ubicación de la unidades CRAC, la distribución eléctrica entre las cargas de IT, etcétera. En consecuencia, la predicción y la uniformidad del rendimiento no son satisfactorias, en especial, a medida que aumenta la densidad de potencia. Por lo tanto, puede ser preciso recurrir a un complejo método de simulaciones por computadora denominado dinámica de fluidos computacional (CFD) para ayudar a

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comprender el rendimiento del diseño de instalaciones específicas. Más aun, las modificaciones, como los agregados, los traslados y los cambios de equipos informáticos, pueden invalidar el modelo de rendimiento y exigir pruebas o análisis más detallados. En especial para asegurarse de que existe redundancia en las unidades CRAC, debe realizarse un análisis muy complicado que resulta difícil de validar.

Arquitectura de enfriamiento por hilera En una arquitectura de enfriamiento por hilera, las unidades CRAC se asocian con una hilera y, a los efectos del diseño, se consideran unidades dedicadas a una hilera. Las unidades CRAC pueden montarse entre los racks de IT, en altura o debajo del piso. En comparación con la arquitectura de enfriamiento de la sala, el trayecto del aire es más corto y mejor definido. Además, la circulación de aire es mucho más predecible, puede utilizarse toda la capacidad nominal de la unidad CRAC y se logra una mayor densidad de potencia.

La arquitectura de enfriamiento por hilera presenta muchas ventajas adicionales, además del rendimiento en enfriamiento. Al reducirse el trayecto del aire, también se reduce la potencia que debe tener el ventilador de la unidad CRAC, con lo cual se aumenta la eficacia. No se trata de un beneficio menor si se tiene en cuenta que, en muchos centros de datos de poca carga, la potencia del ventilador de la unidad CRAC por sí sola supera el consumo energético total de las cargas de IT. El diseño de enfriamiento por hilera permite que la capacidad de enfriamiento y la redundancia respondan a la demanda real de las hileras específicas. Por ejemplo, la arquitectura de enfriamiento por hilera permite que una hilera de racks ejecute aplicaciones de alta densidad, como los servidores Blade, mientras otra hilera se ocupa de aplicaciones de baja densidad de potencia, como los gabinetes de comunicaciones. Es más, se puede apuntar a una redundancia N+1 o 2N para determinadas hileras. Las arquitecturas de enfriamiento por hilera pueden implementarse sin piso elevado. De este modo, aumenta la capacidad de carga del piso, reduce los costos de instalación, elimina la necesidad de rampas de acceso y permite que se monten centros de datos en edificios que no tienen la altura libre necesaria para permitir la instalación del piso elevado adecuado. Este problema cobra especial relevancia en instalaciones de alta densidad, en las que se requiere un piso elevado de un metro o más de altura.

El sistema entre hileras también puede configurarse

como sistema de contención de pasillo caliente, que extiende la capacidad de densidad de potencia. Este

diseño incrementa la previsibilidad del rendimiento ya que elimina cualquier posibilidad de mezcla de aire.

La disposición geométrica, sencilla y predefinida de la arquitectura de enfriamiento por hilera da lugar a un rendimiento predecible que el fabricante puede representar en su totalidad y es relativamente inmune a los efectos de la geometría de la sala u otras restricciones. Así se simplifica tanto la especificación como la implementación de los diseños, en especial con densidades superiores a los 5 kW por rack.

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Arquitectura de enfriamiento por rack En la arquitectura de enfriamiento por rack, las unidades CRAC se asocian con un rack y, a los efectos del diseño, se consideran unidades dedicadas a un rack. El montaje de las unidades CRAC se realiza directamente dentro de los racks de IT o en dirección a ellos. En comparación con la arquitectura de enfriamiento de la sala o por hilera, el trayecto del aire es aun más corto y mejor definido, de modo que la circulación de aire es totalmente inmune a cualquier variación de la instalación o restricción de la sala. Puede utilizarse toda la capacidad nominal de la unidad CRAC y es posible lograr la mayor densidad de potencia (hasta 50 kW por rack). Similar al enfriamiento por hilera, la arquitectura de enfriamiento por rack presenta otras características exclusivas, además de la capacidad de densidad extrema. Al reducirse el trayecto del aire, también se reduce la potencia que debe tener el ventilador de la unidad CRAC, con lo cual se aumenta la eficacia. Como se mencionó anteriormente, no se trata de un beneficio menor si se tiene en cuenta que, en muchos centros de datos de poca carga, la potencia del ventilador de la unidad CRAC por sí sola supera el consumo energético total de las cargas de IT. El diseño de enfriamiento por rack permite que la capacidad de enfriamiento y la redundancia respondan a la demanda real de las racks específicos, por ejemplo, diferentes densidades de potencia para servidores Blade en comparación con los gabinetes de comunicaciones. Es más, se puede apuntar a una redundancia N+1 o 2N para determinados racks. En contraste, la arquitectura de enfriamiento por hilera solo permite que estas características se especifiquen en el ámbito de la hilera, y la arquitectura de enfriamiento de la sala solo permite que se especifiquen en el ámbito de la sala. La principal desventaja de este enfoque es que se precisa una gran cantidad de dispositivos de aire acondicionado y tuberías correspondientes en comparación con los otros enfoques, en especial en instalaciones de baja densidad de potencia.

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Arquitectura mixta No existe impedimento para que las arquitecturas de enfriamiento de la sala, por hilera y por rack se utilicen juntas en la misma instalación. De hecho, existen muchos casos en los que una arquitectura mixta es muy útil. Específicamente, un centro de datos que funciona con un amplio espectro de densidades de potencia puede sacar provecho de una combinación de los tres tipos.

• Enfriamiento de la sala: Suministro a la sala, pero principalmente brinda servicio a un área de baja densidad con equipos mixtos, como equipos de comunicación, servidores de baja densidad y almacenamiento. Objetivo: entre 1 y 3 kW por rack; entre 323 y 861 W/m2. • Enfriamiento por hilera: Suministro a un área de densidad alta o ultra alta con servidores Blade o servidores de 1 U. Objetivo: densidades superiores a 5 kW por rack. • Enfriamiento por rack: Suministro aislado a racks de densidad alta o ultra alta. Objetivo: hasta 50 kW por rack.

Las arquitecturas de enfriamiento por hilera o por rack también son eficaces para aumentar la densidad dentro de un diseño existente de enfriamiento de la sala con baja densidad. En este caso, algunos pequeños grupos de racks en un centro de datos existente se equipan con sistemas de enfriamiento por hilera o por rack. Los equipos de enfriamiento por hilera o por rack aíslan los nuevos racks de alta densidad con gran eficacia y los transforman en “térmicamente neutros” para el sistema de enfriamiento de la sala existente. De esta manera, es posible agregar cargas de alta densidad a un centro de datos de baja densidad, sin necesidad de modificar el sistema de enfriamiento de la sala existente.

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Humidificación Una de las funciones clave de los sistemas de aire acondicionado para salas de cómputos es la de mantener la humedad para reducir la posibilidad de descargas estáticas perjudiciales. Esta función está integrada a la unidad de aire acondicionado. En arquitecturas en las que puede incrementarse la cantidad de unidades de aire acondicionado, surge naturalmente el interrogante de si también debe incrementarse la cantidad de dispositivos de humidificación. Esta cuestión es de especial importancia, puesto que las unidades de humidificación tienen conductos de agua y suelen requerir un nivel relativamente alto de mantenimiento. Un análisis cuidadoso de este problema muestra que la habitual integración de los equipos de humidificación en aire acondicionado no tiene sustento alguno y que la humidificación debería separarse de los equipos de aire acondicionado y efectuarse en el ámbito de la sala. Esto se debe a dos razones: • Las instalaciones de mayor densidad pueden contar con una gran cantidad de unidades CRAC, independientemente de la arquitectura elegida; no existe una necesidad técnica para tener tantas unidades de humidificación y existen muchas desventajas prácticas, como el mantenimiento, derivadas de tener grandes cantidades de humidificadores. • Cuando la sala tiene una gran cantidad de humidificadores es difícil coordinar el funcionamiento, y deriva en un desperdicio de agua y electricidad. • El aire frío puede contener menos humedad, e intentar forzar la humedad en la corriente de salida de aire frío de un aire acondicionado es poco eficiente o imposible dependiendo de la saturación.

Eficiencia eléctrica Los costos de electricidad representan una fracción cada vez mayor del total de costos operativos, debido a las tarifas de electricidad en aumento, el incremento de energía eléctrica requerida por servidor y el aumento de la densidad de potencia. Si bien se logra comprender la dependencia existente entre los costos de electricidad y las tarifas de electricidad y la potencia de los servidores, no suele contemplarse la incidencia de la densidad de potencia sobre los costos de electricidad. La densidad aumenta los costos de electricidad porque reduce en forma drástica la eficacia de los sistemas de aire acondicionado convencionales. En la arquitectura de enfriamiento por rack, los costos de electricidad son sistemáticamente bajos, porque las unidades CRAC se combinan con la carga y se dimensionan según la carga. Se evita la circulación de aire innecesaria. En una arquitectura de enfriamiento de la sala, los costos de electricidad son bastante bajos en entornos de baja densidad de potencia, pero se degeneran enormemente a medida que la densidad supera un promedio aproximado de 3 kW por rack. En esencia, se debe a que es necesario hacer circular más aire en grandes distancias y que las unidades CRAC deben consumir más energía para agitar o mezclar el aire dentro de la sala para evitar concentraciones de calor. Los costos de electricidad asociados con la arquitectura de enfriamiento de la sala son escasos en instalaciones de baja densidad, pero aumentan drásticamente en entornos de mayor densidad. El diseño de enfriamiento por hilera tiene una desventaja en entornos de poca densidad, debido a la necesidad de contar con unidades CRAC asignadas a cada hilera, aun cuando la carga sea muy poca. Es más, estas unidades tienen pérdida de electricidad incluso cuando funcionan muy por debajo de su capacidad nominal.

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Sin embargo, el diseño de enfriamiento por hilera brinda la mayor eficacia y los menores costos de electricidad cuando aumenta la densidad. Esto se debe a que las unidades CRAC están bien combinadas con las cargas de IT, la capacidad utilizable de las unidades CRAC se mantiene en entornos de alta densidad y una unidad CRAC redundante pueden respaldar a más de un rack.

Conductos de transporte de agua u otras fuentes de calor cerca de los equipos de IT Los estudios revelan que los usuarios están muy preocupados por las tuberías de agua o de refrigerante ubicadas junto a los equipos informáticos. Esta preocupación no surge de la tubería en sí, sino de la posibilidad de fuga de fluidos sobre los equipos de IT, con el consiguiente daño o período de inactividad. Los centros de datos de alta densidad con varias unidades de aire acondicionado suelen contar con diseños con agua helada y se espera que esta tendencia continúe debido a cuestiones económicas y ambientales. Si bien existen refrigerantes con menos posibilidades de producir daños en los equipos de IT, constituyen una alternativa más costosa que el agua en cada una de las arquitecturas de enfriamiento. La arquitectura de enfriamiento de la sala también permite la opción adicional de ubicar las unidades CRAC fuera del centro de datos y canalizar solo el aire. En entornos de alta densidad, la capacidad del aire para transferir calor es una limitación y debe ingresarse refrigerante al centro de datos. Gracias a los avances recientes en la tecnología de las tuberías, se consigue que el transporte de agua al centro de datos presente una mejora importante en la confiabilidad y una reducción drástica de las posibilidades de pérdidas.

Ubicación La ubicación de una unidad de aire acondicionado puede tener un efecto importantísimo en el rendimiento del sistema. En el caso de la arquitectura de enfriamiento por rack, este problema de previsibilidad del rendimiento queda totalmente eliminado dado que se determina la ubicación exacta de la unidad de aire acondicionado respecto de la carga objetivo. La ventaja es que el rendimiento del enfriamiento puede representarse en su totalidad con antelación. Si, como parte del diseño del sistema, se contempla una implementación en etapas, la ubicación de las futuras unidades de aire acondicionado necesita poca planificación o previsión, y se implementan automáticamente con cada rack. En el caso de la arquitectura de enfriamiento de la sala, la situación cambia de manera radical. La ubicación de las unidades de aire acondicionado presenta infinitas posibilidades y el rendimiento del sistema de enfriamiento se ve enormemente afectado por la ubicación de estas unidades de aire acondicionado. Más aun, las ubicaciones más eficaces pueden no ser viables, debido a las propiedades físicas de la sala, incluidas puertas, ventanas, rampas e imposibilidad de acceso de las tuberías. Como resultado, suele obtenerse un diseño subóptimo aun cuando se le dedique muchísimo trabajo de ingeniería. Además, la logística de las instalaciones de unidades de aire acondicionado para enfriamiento de la sala acostumbra a requerir que los aparatos se coloquen en la sala antes de comprender todas las etapas futuras de implementación de IT. Dado que puede desconocerse la disposición exacta de las etapas futuras de IT, la ubicación de las unidades de aire acondicionado suele ser bastante poco eficaz.

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La arquitectura de enfriamiento por hilera depende de sencillas reglas de diseño para ubicar las unidades de aire acondicionado. La cantidad y las ubicaciones de unidades de aire acondicionado por hilera se determinan por reglas que se han establecido a través de pruebas y simulaciones. Naturalmente esto incluye asegurarse de que las unidades de aire acondicionado estén dimensionadas en forma adecuada para la especificación de densidad de las hileras. Además, existen otras reglas, como la de evitar las ubicaciones al final de la hilera, que maximizan el rendimiento y la capacidad del sistema. En futuras implementaciones, se conserva alguna flexibilidad de ubicación hasta el momento de la implementación, donde los valores implementados de densidad de potencia promedio de cresta por rack o promedio de la hilera pueden utilizarse para establecer la cantidad y las ubicaciones de las unidades de aire acondicionado en un proceso oportuno. Si bien la arquitectura de enfriamiento por hilera no presenta la sencillez de planificación y ubicación del enfoque de enfriamiento por rack, es mucho más flexible que el enfoque de enfriamiento de la sala. La arquitectura de enfriamiento por hilera alcanza gran parte de la flexibilidad y la capacidad de densidad de potencia del enfoque de enfriamiento por rack, pero ocupando mucho menos espacio y a un costo mucho menor.

Redundancia Los sistemas de enfriamiento necesitan redundancia para permitir el mantenimiento de sistemas sin interrumpir el servicio y asegurar que el centro de datos cumpla su misión en caso de que un dispositivo de aire acondicionado presente alguna anomalía. Para asegurar la redundancia, los sistemas de energía suelen valerse de alimentaciones de doble circuito hacia los sistemas informáticos, ya que los cables de alimentación y las conexiones mismas representan un posible punto único de falla. En el caso del enfriamiento, es habitual encontrar diseños N+1 en vez de enfoques de doble circuito porque los circuitos de distribución de aire normales, al consistir en solo aire libre circulando alrededor del rack, presentan una muy baja probabilidad de fallas. La idea es que, si el sistema requiere cuatro unidades CRAC, el agregado de una quinta unidad al sistema permitirá que cualquiera de las unidades quede fuera de servicio y que igual se cubra la carga total de enfriamiento. De ahí el nombre de redundancia “N+1”. Para densidades de potencia más altas, este simple concepto de redundancia no se cumple. La manera en que se brinda redundancia es distinta para las tres arquitecturas, como se explica a continuación: Para la arquitectura de enfriamiento por rack, el enfriamiento no se comparte entre los racks y no hay una vía de distribución de aire en común. Por lo tanto, la única manera de conseguir redundancia es mediante un sistema CRAC completo con doble circuito 2N por cada rack: en síntesis, 2 sistemas CRAC por rack. Es una gran desventaja en comparación con las otras alternativas. Sin embargo, para racks de alta densidad aislados, es una solución muy eficaz ya que la redundancia está totalmente determinada y es predecible e independiente de todos los demás sistemas CRAC. Para la arquitectura de enfriamiento de la sala, se supone que la sala en sí es una vía de suministro de aire para todas las cargas de IT. En principio, esto permite proporcionar redundancia con el agregado de una sola unidad CRAC adicional, independientemente del tamaño de la sala. Así se hace cuando las densidades son muy bajas, por lo cual este enfoque tiene una ventaja económica en entornos de baja densidad. Sin embargo, en instalaciones de mayor densidad, la capacidad de una determinada unidad CRAC para compensar la pérdida de otras se ve muy afectada por la geometría de la sala.

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Por ejemplo, el patrón de distribución de aire de una unidad CRAC específica no puede reemplazarse por una unidad CRAC de respaldo que esté ubicada lejos de la unidad que presenta anomalías. Como resultado, la cantidad de unidades CRAC adicionales que se necesitan para establecer la redundancia se incrementa desde la única unidad adicional que requieren los entornos de baja densidad hasta la duplicación de la cantidad de unidades CRAC en instalaciones con una densidad superior a los 10 kW por rack. La arquitectura de enfriamiento por hilera brinda redundancia en el ámbito de la hilera. Esto requiere una unidad CRAC adicional o N+1 por cada hilera. Aun si las unidades CRAC de la hilera fueran pequeñas y menos costosas que las unidades de la sala, este enfoque implica una desventaja en entornos de poca carga de 1 o 2 kW por rack. Sin embargo, en densidades mayores, la desventaja se desvanece y el enfoque N+1 tiene un buen fundamento en entornos de hasta 25 kW por rack. Es una ventaja fundamental en comparación con los diseños de enfriamiento de la sala o por rack, ya que ambos suelen necesitar redundancia 2N en entornos de mayor densidad. La capacidad de proporcionar redundancia en situaciones de alta densidad con menos unidades CRAC adicionales es un beneficio clave de la arquitectura de enfriamiento por hilera y presenta una ventaja en cuanto a costo total de propiedad (TCO).

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Conclusión El enfoque convencional legado en enfriamiento de centros de datos mediante una arquitectura de enfriamiento de la sala presenta limitaciones técnicas y prácticas para los centros de datos de la próxima generación. Los centros de datos de la próxima generación deben adaptarse a requisitos cambiantes, brindar apoyo confiable a entornos de densidad de potencia alta y variable, y reducir el consumo de energía eléctrica y otros costos operativos. Estas exigencias dieron origen al desarrollo de las arquitecturas de enfriamiento por rack y por hilera. Estas dos arquitecturas son más satisfactorias para cubrir esas necesidades, en especial cuando funcionan con densidades de 3 kW por rack o más. El enfoque legado de enfriamiento de la sala ha sido muy útil en el sector informático, y sigue siendo eficaz y práctico para instalaciones de menor densidad de potencia y aplicaciones en las que los cambios de tecnología de IT son mínimos. Las arquitecturas de enfriamiento por rack y por hilera brindan la flexibilidad, la previsibilidad, la escalabilidad, el consumo reducido de energía eléctrica, el TCO reducido y la disponibilidad óptima que necesitan los centros de datos de próximas generaciones. Es de esperar que se apliquen estos enfoques en muchos nuevos productos que ofrezcan los proveedores. Se espera que muchos centros de datos utilicen una combinación de las tres arquitecturas. El enfriamiento por rack se verá fundamentado en situaciones de densidades extremas, implementación de alta granularidad o disposiciones no estructuradas. El enfriamiento por sala mantendrá su eficacia para aplicaciones de baja densidad o donde no se acostumbra a introducir cambios. Para la mayoría de los usuarios con las tecnologías de servidores de alta densidad más recientes, el enfriamiento por hilera proporcionará el mejor equilibrio de alta previsibilidad, alta densidad de potencia y adaptabilidad, al mejor TCO general.

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About the Authors: Kevin Dunlap is the Product Line Manager for Modular/High Density Cooling Solutions at American Power Conversion (APC). APC is a global leader in the development of precision power system technologies and one of the world's largest providers of equipment that serves the network-critical physical infrastructure. Involved with the power management industry since 1994, Kevin previously worked for Systems Enhancement Corp., a provider of power management hardware and software, which APC acquired in 1997. Following the acquisition, Kevin joined APC as a Product Manager for management cards and then precision cooling solutions following the acquisition of Airflow Company in 2000. Kevin has participated on numerous power management and cooling panels, as well as on industry consortiums and ASHRAE committees for thermal management and energy efficient economizers. Neil Rasmussen is a founder and the Chief Technical Officer of American Power Conversion. At APC, Neil directs the world’s largest R&D budget devoted to power, cooling, and rack infrastructure for critical networks, with principal product development centers in Massachusetts, Missouri, Denmark, Rhode Island, Taiwan, and Ireland. Neil is currently leading the effort at APC to develop modular scalable data center infrastructure solutions and is the principal architect of APC’s InfraStruXure system. Prior to founding APC in 1981, Neil received his Bachelors and Masters degrees from MIT in electrical engineering where he did his thesis on the analysis of a 200MW power supply for a Tokamak Fusion reactor. From 1979 to 1981 he worked at MIT Lincoln Laboratories on flywheel energy storage systems and solar electric power systems. Traducción realizada del White Paper Nro. 130 de American Power Conversion. 2006 American Power Conversion. All rights reserved.

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