El data center y su enfriamiento

Hoy en día es común utilizar equipos electrónicos como el teléfono inteligente, la tableta o la computadora para acceder a internet. Con más equipos conectados, como el refrigerador, el equipo de aire acondicionado, la lavadora, incluso el horno de microondas, el tráfico en Internet es mayor.

Tener dispositivos conectados es un proceso conocido como Internet de las Cosas (IoT, por sus siglas en inglés), que requiere conectividad por medio de centros de datos.

Todo el tráfico de datos que ocurre en internet cruza, al menos, por dos o tres centros de datos en el mundo. De acuerdo con una encuesta de We Are Social, en el mundo existen más de ocho millones de usuarios activos o móviles de internet. Por su parte, Gartner calcula que, en 2017, la inversión total en soluciones de IoT en el mundo superó los 210 mil millones de dólares. Este tipo de datos brinda un dimensionamiento de cómo está conformado el tráfico de información. No obstante, nuestra vida digital ya se encuentra contenida en internet, de tal forma que todo lo que hacemos está almacenado en uno o varios data centers en todo el mundo.

El internet representa prácticamente todo lo que somos, en un estricto sentido profesional, ya que todo lo que hacemos está dentro de una computadora, un teléfono inteligente o un data center, incluidas nuestras finanzas. Para que cada consulta pueda ser procesada con rapidez y eficiencia, la disponibilidad de la infraestructura debe ser alta, además de tolerante a fallas.

De tal manera, es importante asegurar que dicha infraestructura, independientemente del proveedor de servicios de internet, y la forma en que los equipos operan reciban un correcto mantenimiento. Por ello, International Computer Room Experts Association (ICREA) desarrolló una metodología para medir la disponibilidad del centro de datos. Por medio de auditores especialistas en los campos de infraestructura eléctrica, climatización, comunicaciones, seguridad y ámbito; se determina el tiempo de no servicio de los data centers.

El frío en Centros de Datos

Un estudio publicado en 2011 por The New York Times determinó que el consumo eléctrico entre los años 2000 y 2005 se duplicó debido al crecimiento de los centros de datos. Recientemente, el Departamento de Energía de Estados Unidos de América concluyó que el gasto energético de los centros de datos corresponde al dos por ciento del total de la energía distribuida en dicho país.

En promedio, el rendimiento de unas instalaciones de 3 mil metros cuadrados, hace una década, puede concentrarse hoy en un sólo rack o, incluso, en un único servidor. Además, la irrupción de sistemas de refrigeración con menor consumo energético –como la refrigeración por inmersión– están ayudando a reducir la huella medioambiental que provocan estas fábricas de la industria digital.

Tal cantidad de energía eléctrica es, en gran medida, por consumo de soluciones de climatización de los data center. En promedio, casi el 45 por ciento de la energía eléctrica es consumida por equipos de aire acondicionado, el resto por los equipos de cómputo, los sensores y cámaras de seguridad, así como por las consolas de monitoreo y demás aparatos que conforman la infraestructura del centro de datos.

En el mercado, cada vez es más común encontrar equipos de aire acondicionado con alta eficiencia energética, pero esos equipos son para nuestros hogares. No obstante, para los centros de datos, influye, en gran manera, una serie de arreglos que incrementan la eficiencia energética, así como la disipación de calor al exterior, los cuales ayudan a mantener una temperatura óptima de operación que, de acuerdo con la norma ICREA-STD-131-2017, debe ser entre 18 y 27 grados centígrados.

Al mantener una temperatura óptima de operación se evita la condensación en equipos o tarjetas, o la ionización que, por la estática eléctrica afecta a los equipos. En tales casos, los procesadores y otros componentes del data center tienden a presentar fallas que pueden ir desde el sobrecalentamiento y eventual apagado de protección, hasta un incendio provocado por un corto circuito. Por ello, con una adecuada guía, este tipo de riesgos pueden ser disminuidos hasta en 99.999 por ciento, dependiendo de la configuración del centro de datos.

En este sentido, por medio de la norma ICREA, hemos puesto especial interés en desarrollar un diseño eficiente que permita el flujo de aire acondicionado. Por ejemplo, el cableado o el uso de pasillos fríos y calientes, así como los pasillos confinados, permiten a nuestros equipos mantener una temperatura de óptima operación.

Pasillos calientes y fríos

Una estructura tradicional de los centros de datos es la creación de los llamados pasillos calientes y fríos. Este tipo de diseño permite que, en un espacio abierto, el aire frío producido por los Computer Room Air Conditioner (CRAC) bajen la temperatura del aire y lo introduzcan por el piso falso (cuando éste exista) para regular la temperatura de los servidores y equipos contenidos en los racks. El ciclo de los pasillos fríos y calientes es una simple ley de termodinámica. El aire frío motiva una disminución de temperatura en el servidor que es generada por los componentes electromecánicos, los cuales expulsan el calor que incrementa la temperatura del aire.

Como podemos apreciar en la figura 1, el aire caliente de la sala de cómputo es capturado por el CRAC en el retorno del equipo. Éstos suelen estar instalados en las salas, de tal manera que su ubicación facilite el flujo constante de aire.

Pasillos confinados

Otra de las maneras que se están observando entre los centros de datos es el confinamiento de los pasillos. Bajo el mismo postulado de los pasillos fríos y calientes, este tipo de infraestructura aísla el flujo de aire de toda la sala de cómputo. Al realizar este proceso, la eficiencia de los equipos CRAC aumenta, ya que el aire está dirigido, evitando la mezcla de aire frío y caliente dentro de los pasillos como sucede con uno abierto.

Como se observa en la figura 3, los pasillos confinados cierran el acceso a los servidores por la parte frontal, dejando el flujo de aire frío específico para los requerimientos de los equipos.

En este sentido, hemos observado que algunos centros de datos utilizan chimeneas para conducir el aire caliente hacia los CRAC, incrementando la eficacia del equipo en su operación. De tal forma que los data center que diseñan y construyen bajo este tipo de configuración son más eficientes, energéticamente hablando, que aquellos que utilizan la configuración tradicional.

Además, contamos con otras formas de aprovechar el aire exterior, sobre todo, en las regiones frías del planeta que permiten un uso eficiente de la energía; incluso una disminución en el costo de la operación del centro de datos, la cual contribuye a una operación sostenible. Tal es el caso del free cooling.

FREE COOLING

Desde 2014, el free cooling regula la construcción de centros de datos. Esta directriz refiere al uso eficiente de la temperatura externa y tiene como objetivo mejorar la eficiencia y consumo de electricidad de los equipos de aire acondicionado. Para ello, ICREA establece que se puede utilizar la plataforma free cooling para la climatización, al aprovechar los medios externos de cada localidad. Cuando el sistema es directo y hace uso del aire externo, se debe realizar un análisis previo de la contaminación del aire, de acuerdo con los requerimientos de la ASHRAE.

Uno de los ejemplos más recientes son los llamados data centers de gallinero, desarrollados generalmente por Yahoo! o Facebook , que aprovechan el aire frío del ambiente en época invernal. Cuando éstos están en las oficinas, el aire caliente puede disiparse, dando lugar a un sistema de calefacción en la construcción.

De acuerdo con este ejemplo, una correcta disipación de temperatura tenderá al ahorro energético primordial en cualquier costo operativo de un centro de datos.

¿Qué viene a futuro?

Estamos conscientes de la importancia de contar con una infraestructura adecuada a los tiempos modernos. Un ejemplo de ello es que estaremos considerando tecnologías adoptadas por varias compañías líderes en tecnología. Hemos visto cómo las infraestructuras físicas, concretamente las de climatización, siempre se han adaptado al diseño, a la configuración y a los tipos de servidores fabricados en cada momento.

Curiosamente, ahora la tendencia es volver a refrigerar como en los años setenta. En esa década los supercomputadores eran tan grandes y contenían tal carga térmica que la única forma eficiente de refrigerarlos era mediante serpentín de agua fría en el interior del ordenador. En estos casos se instalaban los chiller, enfriadoras de agua que se conectaban directamente a los equipos. Todo un clásico que se convierte en tendencia bajo la denominación de refrigeración líquida.

Eficiencia energética

La refrigeración líquida, también conocida como refrigeración por inmersión, es un modo de mejorar significativamente la eficiencia en el proceso de eliminación de calor en un centro de datos. Se puede refrigerar con agua o con líquidos equivalentes que tengan mayor poder calorífico o que evaporen en caso de fuga. Por tanto, se puede refrigerar con gases refrigerantes líquidos.

Sin embargo, para que esta tendencia se imponga en el mercado es necesario que comiencen a suministrarse equipos capaces de refrigerar mediante líquidos. Es decir, suministrar servidores para que el líquido llegue directamente al chip. De esta manera, los equipos de aire acondicionado, en lugar de ser los encargados de enfriar el calor de la sala, enfriarán directamente el chip del ordenador. En este sentido, la refrigeración líquida es un modo de mejorar significativamente la eficiencia en el proceso de eliminación de calor.

En conclusión, los centros de datos están transformándose hacia infraestructuras cada vez más complejas, en términos de demanda; pero más simples en términos de climatización. Consideramos, entonces, que la aplicación de técnicas que optimicen el control de temperatura no sólo permitirá que el negocio del data center continúe por mucho tiempo, sino que nuestra información personal o de nuestro negocio esté siempre disponible.