Fuentes de Alimentación

Sumergirse en la electrónica de potencia sumergida

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En la búsqueda por aumentar la eficiencia en el uso de la energía y lograr el cálculo de más datos en espacios más pequeños, la industria informática investigó soluciones alternativas a la refrigeración por aire forzado. Los métodos de refrigeración por pared fría y placa base, ayudados por intercambiadores de líquido o gas, se han utilizado durante décadas y desde un ordenador portátil, pasando por los centros de datos hasta las estaciones base de radio, se ha conseguido una tecnología bien establecida para extraer calorías de los componentes disipadores.

La tecnología funcionaba bien, pero para pasar de 40kW por rack a 250kW y más, incluso esa tecnología llegó a sus límites.

Cómo obtener más potencia de cálculo de un centro de datos con seguridad y eficiencia ha sido la preocupación de muchos ingenieros, y la idea de obtener todo el beneficio de la refrigeración líquida sumergiendo los sistemas informáticos pesados en el líquido se convirtió en una opción interesante. Tras más de 10 años de experimentación, casos comerciales y pruebas, ¿en qué punto se encuentra esta industria en 2021 y cómo se adaptarán y desarrollarán las fuentes de alimentación para dar cabida a esta tecnología?


De la pecera al centro de datos de súper alta densidad
Si eres un aficionado a los juegos en línea que requieren enormes niveles de potencia de cálculo, puede que recuerdes las convenciones de PC en las que los geeks presentaban ordenadores sumergidos en aceite en una pecera (ilustración 01). Por anecdótico que parezca, a partir de 2005, la idea de beneficiarse de la tecnología de refrigeración líquida profunda ha sido explorada por la comunidad de jugadores, pero el mayor interés por esa tecnología surgió de la minería de Bitcoin, que requiere una enorme potencia de cálculo.
En el origen de la minería de Bitcoin, muchas empresas aprovecharon el frío ambiente nórdico y la energía hidroeléctrica renovable producida localmente para instalar centros de datos. Los países nórdicos iniciaron muchos proyectos para apoyar esas iniciativas. Un ejemplo es el proyecto sueco "The Node Pole", que promueve la abundancia de electricidad estable y a precios competitivos procedente de energías renovables, invitando a los operadores de centros de datos a beneficiarse de este entorno específico.
Muchas empresas líderes han puesto en marcha centros de datos en los países nórdicos, por ejemplo en Boden (Suecia). Podríamos mencionar a la empresa de Bitcoin KnC Miner, que en 2014 abrió un centro de datos de 10 megavatios repleto de ordenadores de alta potencia para el minado de criptodivisas, aprovechando las ventajas de la energía hidroeléctrica y la refrigeración natural. Aunque la fuente de energía que alimentaba una granja de Bitcoin era renovable, la energía disipada se perdía y surgía la preocupación por el "Aprovechamiento de la Energía". Muchos centros de datos de minería de Bitcoin de todo el mundo funcionaban en enormes naves, con miles de unidades de computación refrigeradas por aire forzado, sin ningún tipo de reciclaje de calor (ilustración 02).
Si los centros de minería de Bitcoin que operan en las condiciones nórdicas podían "arreglárselas" utilizando la refrigeración por aire forzado, la metodología no era definitivamente una solución a largo plazo, y en el caso de las unidades informáticas masivas que operan en el resto del mundo -y que no se benefician del aire frío natural- no era una solución en absoluto. En cualquier caso, teniendo en cuenta el aspecto y el impacto medioambiental, el despilfarro de energía se convirtió en una preocupación importante e incluso en los países nórdicos, las comunidades locales exigieron a los centros de datos que mejoraran la eficacia del uso de la energía (PUE) y que optimizaran y reutilizaran las calorías producidas durante el proceso de computación, por ejemplo para calentar agua para uso público.
Además de la minería de Bitcoin, la creciente demanda de arquitectura de computación masiva para simulaciones y futuras redes de vehículos autónomos motivó a los operadores de centros de datos a considerar métodos alternativos para ofrecer una potencia de computación extremadamente alta en espacios más pequeños con un PUE cercano a UNO. La idea de sumergir las pesadas partes informáticas de los centros de datos en fluidos creció dentro de la comunidad de ingenieros, con sistemas funcionales que se probaron en 2010.


Se abrió el camino de la refrigeración por inmersión. Cuando el Bitcoin se une al Big Data
Podríamos nombrar muchos experimentos realizados en todo el mundo para diseñar máquinas de alta potencia informática sumergidas en fluidos, pero merece la pena mencionar el centro de datos en contenedor de 1,4MW y sus bastidores planos de 240kW lanzados por la empresa de Hong-Kong Allied Control (ahora LiquidStack) y premiados con el "Best Green ICT Award" en 2014 (ilustración 03).


Desde la primera generación lanzada en 2012 hasta la tercera lanzada en 2015, cooperando con 3M en el marco de un proyecto denominado 2PIC (2-phase Immersion Cooling), Allied Control aumentó el total de vatios por pie cuadrado de 0,25kW a 3,23kW manteniendo una efectividad de uso de energía (PUE) de 1,02. Esto ha sido posible gracias a la optimización de la tecnología de refrigeración por inmersión con el refrigerante 3M Novec 7100.
Presentado en muchas conferencias, como en la Cumbre del Proyecto de Computación Abierta (OCP Summit), la refrigeración por inmersión ofrece beneficios sin precedentes en términos de rendimiento. Como se muestra en la ilustración 04, la densidad de potencia por rack puede aumentar de 40kW a 250kW (y más), la potencia de cálculo de 10kW a 100kW por metro cuadrado, y la energía utilizada para la refrigeración reducirse de 2,0 pPUE (efectividad parcial de uso de energía) a menos de 1,02 pPUE.
Además de mejorar el rendimiento, la refrigeración por inmersión también es considerada por los gestores de los centros de datos como una posible solución para reducir el riesgo de incendio. Todos podemos recordar el incendio del centro de datos francés de OVH en Estrasburgo y los daños colaterales que afectaron a sus clientes. A pesar de todas las precauciones y medidas adoptadas para evitar un incendio, la mayor densidad de potencia de los actuales centros de datos refrigerados por métodos convencionales sigue siendo una gran preocupación para los responsables de los centros de datos.


Los refrigerantes dieléctricos utilizados en los centros de datos sumergidos tienen una resistencia dieléctrica miles de veces superior a la del aire, por lo que incluso si se produce un cortocircuito en el refrigerante, no hay chispa ni ignición, lo que claramente reduce en gran medida el riesgo de incendio. Además, los centros de datos sumergidos utilizan un número muy limitado de ventiladores, que se emplean principalmente fuera del entorno informático en el intercambiador de calor.
En definitiva, los centros de datos inmersos tienen muchas ventajas y, tras el anuncio de Google, Alibaba y muchos otros, el reciente anuncio de Microsoft de utilizar la refrigeración por inmersión de dos fases en su centro de datos Azure de Quincy, Washington, confirma la demanda de computación de Big Data que está tomando el relevo de la fase de experimentación original de Bitcoin.

Hacer que los centros de datos sean más potentes y mejores en la eficacia del uso de la energía es genial, pero ¿funciona la refrigeración y qué significará esto para los fabricantes de fuentes de alimentación?

SLIC y TLIC
Para la refrigeración por inmersión se utilizan habitualmente dos tecnologías: La refrigeración por inmersión líquida monofásica (SLIC) y la refrigeración por inmersión líquida bifásica (TLIC). Ambas tecnologías permiten alcanzar más de 200kW por rack con un PUE impresionante. La decisión de utilizar una u otra tecnología depende de las condiciones operativas y de las mejores prácticas aplicadas a sectores específicos. Se ha publicado mucha literatura sobre ambas, pero en términos sencillos así es como funcionan:
Refrigeración monofásica por inmersión en líquido (SLIC)
La refrigeración por inmersión monofásica (ilustración 05a) los servidores suelen instalarse verticalmente en el contenedor y se refrigeran con un fluido dieléctrico a base de hidrocarburos, similar al aceite mineral, como el que utilizaban los frikis de los videojuegos en sus inicios. El calor se transfiere de los componentes disipadores al refrigerante, que se enfría a través de un intercambiador de calor en una unidad de distribución de refrigeración (CDU).

La monofásica es muy sencilla de manejar y mantener. Además de los centros de datos a hiper escala (ilustración 05b), el SLIC es la solución preferida para los sistemas informáticos industriales que operan en entornos difíciles y que requieren un nivel de seguridad muy alto
Refrigeración por inmersión líquida de dos fases (TLIC)
En un sistema de refrigeración por inmersión bifásica (ilustración 06a), los servidores se sumergen dentro de un baño de líquido con base de fluorocarbono especialmente diseñado. Como el líquido tiene un punto de ebullición bajo (a menudo por debajo de los 50 grados C, frente a los 100 grados C del agua), el calor de los servidores hierve fácilmente el líquido circundante. La ebullición del líquido provoca un cambio de estado de líquido a gas, lo que da nombre a la refrigeración por inmersión bifásica. El vapor se condensa de nuevo a la forma líquida a través de bobinas condensadoras refrigeradas por agua que se integran en la parte superior de los bastidores sellados. El líquido condensado gotea de nuevo en el baño de fluido para ser reciclado a través del sistema (ilustración 06b).


Poder de inmersión
La gran mayoría de los equipos de los centros de datos se alimentan mediante un rectificador frontal que convierte la tensión de CA en 48V de CC. Algunos utilizan una distribución de corriente continua de alta tensión (HVDC) (por ejemplo, 400 VDC). En el caso de los equipos sumergidos, las fuentes de alimentación suelen estar fuera del tanque y las fuentes de alimentación son de venta libre, aunque hay una serie de unidades informáticas de alta densidad y altamente integradas que están integrando la solución energética completa.
Utilizada originalmente en entornos difíciles donde la seguridad es importante y la refrigeración es complicada, la electrónica sumergida lleva muchos años en práctica. Con la gran demanda de redes pequeñas con gran capacidad de computación, comenzó el desarrollo de una nueva generación de servidores inmersos altamente integrados, incluyendo la fuente de alimentación AC/DC (ilustración 07).


Aunque la mayoría de los componentes de la fuente de alimentación son compatibles con los diferentes refrigerantes utilizados en SLIC y TLIC, los diseñadores de alimentación deben seleccionar cuidadosamente los condensadores electrolíticos. Los condensadores electrolíticos están diseñados para soportar la humedad, sin embargo, las propiedades de su cápsula de sellado pueden verse afectadas cuando están permanentemente sumergidos. Dado que el funcionamiento de un condensador de este tipo en condiciones de inmersión puede estar fuera de sus especificaciones normales, es importante simular, probar y verificar el tiempo de vida de los condensadores cuando están sumergidos para su utilización como tales.
Otro parámetro importante a tener en cuenta son las condiciones térmicas, que en el caso de un refrigerante líquido son muy diferentes a las que se dan cuando se trabaja en condiciones de aire. En ambos casos, por circulación en el caso de SLIC, y por evaporación en el caso de TLIC, las calorías se evacuan de los componentes disipadores mucho más rápido que en el aire. En algunos componentes, estos coeficientes positivos de temperatura (PTC) dependen de la temperatura y, en el caso de las aplicaciones sumergidas, el gradiente entre las temperaturas bajas y altas es mucho menor. Los diseñadores de potencia deben tener esto en cuenta.
Los refrigerantes tienen altas propiedades dieléctricas y no hay problema en operar topologías de conmutación de alto voltaje en fuentes de alimentación sumergidas, aunque es importante mantener un alto aislamiento físico, por ejemplo, el uso de un recubrimiento conformado para evitar la corrosión por efecto de los electrolitos que podría ocurrir cuando se sumerge en el fluido.
La mayoría de los principios de diseño utilizados en la refrigeración por aire se aplican en las aplicaciones sumergidas, pero es importante asegurarse de que la circulación del fluido está optimizada dentro de la fuente de alimentación.
Por último, pero no menos importante, cuando se opera en condiciones de inmersión la medición de la temperatura puede ser un reto. Aunque a menudo se utilizan sensores de temperatura convencionales con un acoplamiento específico a los componentes disipadores, a menudo se utilizan en su lugar otros tipos de control mediante medición digital. Además, técnicas como el análisis de la ondulación y la envolvente de ruido ayudan a supervisar el rendimiento general y a aplicar un mantenimiento preventivo cuando los parámetros están fuera de los límites críticos.


¿Cuál es el siguiente paso?
Lo que empezó con los geeks de los juegos sumergiendo sus ordenadores en peceras, y ahora con los centros de datos de computación masiva a hiper escala, el mundo de la computación inmersa está destinado a crecer rápidamente. La irrupción de COVID-19 está impulsando la demanda de servicios de centros de datos y también las nuevas tecnologías, como los vehículos autónomos, y el 5G en sus primeras fases. El SLIC y el TLIC seguirán mejorando los niveles de rendimiento, al igual que los fabricantes de fuentes de alimentación que trabajan en topologías de alta eficiencia utilizando semiconductores de banda ancha (SiC y GaN). Tras 10 años de experimentación e iniciativas locales, el mundo de la informática sumergida se está abriendo de par en par.
A los diseñadores de potencia les encantan los retos y desarrollar fuentes de alimentación sumergidas de varios kilovatios es un desafío al que no pueden resistirse.

Autor: Patrick Le Fèvre, PRBX, Director de Marketing y Comunicación

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