El futuro de la refrigeración en los centros de datos: innovaciones para la sostenibilidad

Kyle Chien, Senior Director of Market Insights at Innovation Acceleration Group, Digital Realty

A medida que la tecnología, el tráfico de internet y las cargas de trabajo requieren más recursos informáticos para almacenar, procesar, gestionar y transferir datos, aumenta la demanda de centros de datos. Un informe reciente de S&P Global Ratings pronostica que la capacidad de los centros de datos aumentará a una tasa de crecimiento anual compuesta de entre el 25% y el 30%, hasta alcanzar casi los 650 mil millones de dólares en 2028, frente a menos de 200 mil millones de dólares en 2023.

Con este aumento surge el reto de equilibrar las cargas de trabajo altamente densas con las ambiciones de sostenibilidad. Mejorar la eficiencia energética presenta oportunidades de innovación en refrigeración avanzada para el sector de los centros de datos, especialmente para los proveedores con experiencia en diseño de centros de datos.

En el centro de este desafío se encuentran dos verdades:

1. 1. No existe un enfoque universal para la refrigeración, especialmente para cargas de trabajo de alta densidad, como la inteligencia artificial (IA) y la computación de alto rendimiento (HPC), que pueden requerir sistemas de enfriamiento especializados.

   2. Implementar soluciones de refrigeración eficientes y sostenibles es la verdadera innovación. Los centros de datos producen calor, y es inevitable. Sin embargo, contar con el centro de datos adecuado para tu implementación IT no solo facilita la gestión del calor producido, sino que contribuye además a la innovación mediante estrategias IT escalables y sostenibles que ayudan a equilibrar la sostenibilidad con los objetivos empresariales.

En este blog exploraremos estos temas:

• • Examen de las tecnologías de refrigeración que se emplean actualmente en el sector.

  • Profundización en cada método, presentando casos de uso para destacar sus ventajas.

  • Análisis del impulso a la sostenibilidad que aportan las innovaciones en refrigeración para centros de datos, a la vez que satisfacen las demandas de la HPC.

¿Por qué es relevante evaluar métodos de refrigeración para centros de datos?

Para mantener temperaturas de funcionamiento óptimas para HPC y configuraciones de servidores de alta densidad, es crucial garantizar la fiabilidad y el rendimiento de la infraestructura del centro de datos. Esto incluye implementar la técnica de refrigeración más adecuada para el hardware y el entorno apropiado. Los métodos más comunes incluyen sistemas de refrigeración por aire, soluciones de refrigeración líquida y enfoques híbridos que combinan ambas técnicas para lograr la máxima eficiencia.

Métodos y sistemas de refrigeración para centros de datos

El fenómeno de fuerza de atracción que ejercen los datos se basa en la idea de que los datos tienen masa, y a medida que su tamaño e importancia aumentan, se vuelve cada vez más difícil moverlos o replicarlos. Esto significa que los centros de datos modernos alojan e interconectan cada vez más una enorme variedad de datos, lo que permite desde transacciones financieras hasta interacciones en redes sociales.

A medida que aumenta esta demanda los centros de datos crecen en escala y complejidad. Y con ello, la necesidad de soluciones de refrigeración eficientes, especialmente para cargas de trabajo de alta densidad como la IA y la HPC. Analizamos a continuación, mediante casos de uso, las soluciones de refrigeración más destacadas con sus respectivas ventajas.

Refrigeración por aire

La refrigeración por aire utiliza aire acondicionado, ventiladores y rejillas de ventilación para circular el aire ambiente y expulsar el aire caliente producido por los equipos informáticos. Es el método de refrigeración más tradicional.

Para implementaciones con menor consumo de energía, como la inferencia de IA, la refrigeración por aire tradicional puede ser la opción adecuada, ya que el aprendizaje automático (ML) requiere menos recursos de refrigeración. Este tipo de refrigeración tiene una aplicación muy extensa, ya que los centros de datos pueden implementar este método sin importar sus dimensiones.

A pesar de su uso generalizado, la refrigeración por aire se utiliza normalmente con menos de 20 kilovatios (kW) por rack en diseños convencionales, aunque puede llegar hasta los 35 kW en casos excepcionales. Cualquier potencia superior suele requerir refrigeración líquida (directa o por inmersión) y un enfoque combinado o híbrido. La solución de colocation de alta densidad en nuestros centros de datos admite hasta 150 kW por rack.

Refrigeración líquida

Los sistemas de refrigeración líquida utilizan refrigerantes que circulan por una red de tuberías, absorbiendo el calor de los equipos informáticos. Esto resulta especialmente eficaz para refrigerar servidores de alta densidad con cargas de trabajo de IA y HPC.

Por ejemplo, las cargas de trabajo con un consumo energético elevado, como las implementaciones de formación, pueden requerir aprendizaje profundo e IA generativa (GenAI) y, a menudo, un entorno más amplio para adaptarse a su tamaño y complejidad. Al aprovechar las propiedades conductoras de los líquidos, el centro de datos puede disipar rápidamente el calor de los servidores.

Refrigeración líquida directa en Digital Realty

En 2023 inauguramos un centro de datos especializado en París, priorizando la eficiencia energética. Para abordar las preocupaciones sobre el efecto de fuerza de atracción de los datos, las instalaciones de La Courneuve incorporan refrigeración líquida directa, centrándose en las necesidades de rendimiento y minimizando las emisiones de alcance 1 y 2. Esta solución maximiza el uso óptimo de la energía para cumplir con nuestros objetivos de sostenibilidad y ofrece ventajas económicas a los clientes.

Refrigeración por inmersión

La refrigeración por inmersión sumerge directamente los componentes de la infraestructura IT en fluidos dieléctricos que se enfrían absorbiendo el calor. Los servidores, que se mantienen en fluidos absorbentes no conductores, proporcionan una gestión térmica eficaz.

Una de las mayores ventajas de la refrigeración por inmersión es que facilita implementar equipos de muy alta densidad en instalaciones que de otro modo serían de baja o media densidad, modernizando así el centro de datos para futuras aplicaciones. Las implementaciones de alta densidad, como la IA y el Internet de las Cosas (IoT), son casos de uso comunes para la refrigeración por inmersión.

Refrigeración por evaporación

La refrigeración por evaporación utiliza ventiladores para absorber el aire exterior y enfriarlo antes de su uso para refrigerar los equipos IT. Mediante la evaporación del agua, este método extrae el calor del aire de forma eficiente.

Dependiendo de las características de la implementación, el caso de uso y la ubicación, la refrigeración por evaporación puede ser la técnica de refrigeración adecuada. Es una alternativa a la refrigeración por aire tradicional, y en función de otras propiedades, la refrigeración por evaporación puede ser la opción adecuada para implementaciones de inferencia.

Free cooling

Este método de refrigeración de centros de datos evita los mecanismos de refrigeración tradicionales cuando las condiciones externas lo permiten. El free cooling aprovecha las condiciones externas, principalmente el aire exterior más frío o el agua, y suele emplear diversos mecanismos, como economizadores, aire libre indirecto, ruedas térmicas e intercambiadores de calor de placas.

Si bien es necesario evaluar el microclima de un emplazamiento para determinar inicialmente la viabilidad del free cooling para un proyecto, una vez comprobada dicha viabilidad, puede ser una solución energéticamente eficiente y sin riesgos para las empresas que buscan minimizar la huella de CO₂ de las implementaciones de sus centros de datos. Esto es especialmente relevante para los casos de uso de IA y HPC.

Estrategia de refrigeración híbrida

Un enfoque de refrigeración híbrida integra múltiples tecnologías de refrigeración para mejorar la gestión térmica según las demandas específicas de los equipos IT.

En concreto, una instalación podría combinar la refrigeración por aire tradicional con intercambiadores de calor de puerta trasera, donde estos últimos se montan directamente en los racks de servidores para absorber el calor que sale de ellos. En esta configuración, la refrigeración por aire del ambiente gestiona el entorno general del rack, mientras que el intercambiador de calor de puerta trasera gestiona eficientemente las cargas de trabajo de alta densidad, transfiriendo el exceso de calor (mediante líquido) lejos de los componentes críticos.

Esta estrategia combinada no solo mejora la eficiencia energética y la refrigeración específica, sino que también proporciona flexibilidad operativa. En condiciones ambientales favorables, métodos adicionales como la refrigeración evaporativa o el free cooling pueden complementar el sistema, reduciendo la dependencia de enfriadores mecánicos. Al aprovechar múltiples soluciones de refrigeración en forma dinámica, incluyendo la precisión de los intercambiadores de calor de puerta trasera, una implementación híbrida resuelve los desafíos de refrigeración actuales y se adapta a las necesidades de rendimiento futuras.

La refrigeración de centros de datos no se limita a la instalación de ventiladores y otros refrigerantes. Se trata de equilibrar el diseño y la optimización, así como de implementar la eficiencia y la eficacia. El diseño estratégico, junto con la optimización, es crucial para garantizar que la infraestructura del centro de datos y los equipos IT funcionen de forma óptima. Este enfoque no solo evita el sobrecalentamiento de los equipos sino que también maximiza el uso eficiente de los recursos como son los sistemas de energía y refrigeración. Potenciando estos elementos, los centros de datos pueden reducir significativamente su impacto ambiental, lo que se traducirá en operaciones más sostenibles y rentables.

A continuación, se presentan algunos factores críticos para optimizar el rendimiento del centro de datos:

• • Configuración de la contención de pasillos fríos/calientes: al configurar los racks de servidores en filas alternas, con las entradas de aire frío orientadas hacia un lado y la salida de aire caliente hacia el otro, los centros de datos maximizan la eficiencia, garantizando así que el aire refrigerado esté donde más se necesita y evitando que se mezcle con el aire caliente.

  • Optimización de la gestión del flujo de aire: los centros de datos pueden minimizar las áreas de aire estacionario optimizando el flujo de aire a través de rejillas de ventilación y barreras. Una gestión adecuada del flujo de aire reduce los costes de refrigeración al reducir la necesidad de compensar los puntos calientes. También ayuda a garantizar que la refrigeración sea constante en toda la instalación.

  • Trabajando con límites seguros: con la adhesión a las directrices de ASHRAE los centros de datos identifican e implementan estándares de temperatura para condiciones de funcionamiento seguras de los equipos compartidos. En algunos casos, mantener una temperatura ligeramente superior cuando sea seguro ahorra considerablemente energía y costes.

  • Prevención de tiempos de inactividad: los centros de datos pueden detectar problemas antes de que ocurran mediante dispositivos IoT, aprendizaje automático y sistemas automatizados. Los sistemas de monitoreo y la instalación de parches y actualizaciones garantizan que las instalaciones eviten interrupciones y mejoren la eficiencia.

• Gestión del control de la humedad: con el control de la humedad, los centros de datos evitan daños en el hardware e incidencias por electricidad estática.

Al evaluar las opciones de alojamiento en centros de datos, es fundamental comprender la implementación de la refrigeración líquida y su impacto en el rendimiento y la fiabilidad. En instalaciones diseñadas para refrigeración líquida desde el inicio, la construcción inicial integra conductos dedicados de refrigerante, racks de servidores especializados y sistemas de seguridad robustos. Este enfoque de diseño proactivo garantiza que la infraestructura esté optimizada para un alto rendimiento térmico y eficiencia energética desde el primer día, ofreciendo un entorno para tus equipos IT integrado y preparado para el futuro.

En el caso de los centros de datos que modernizan sus instalaciones existentes para incorporar refrigeración líquida, estos se enfrentan a un reto más complejo. Estas instalaciones, originalmente construidas con sistemas de refrigeración por aire, deben someterse a modificaciones significativas para que la refrigeración líquida sea eficaz, como son la reconfiguración de la distribución de las plantas, el ajuste de la disposición de los racks y la instalación de nuevas unidades de distribución de refrigerante y sistemas de detección de fugas. Estas actualizaciones pueden requerir un proceso de integración más complejo, lo que podría afectar la consistencia durante la transición.

En definitiva, al evaluar un centro de datos es fundamental considerar la infraestructura de refrigeración y la trayectoria del operador. Las instalaciones construidas desde el principio específicamente para refrigeración líquida suelen ofrecer mayor rendimiento y eficiencia, aunque con un coste considerable. Por otro lado, las instalaciones adaptadas pueden seguir siendo una excelente opción si las gestiona un proveedor que reúne amplia experiencia como Digital Realty. Al elegir un operador consolidado con un historial de actualizaciones eficientes en instalaciones preexistentes, las empresas pueden mantener altos niveles de fiabilidad y rendimiento, incluso en entornos diseñados en principio para refrigeración por aire.

El futuro: tendencias de refrigeración en centros de datos

Al mirar el panorama de la refrigeración en centros de datos, observamos varias tendencias prometedoras que pueden ayudar a reducir aún más el impacto ambiental del sector. Resultará vital el uso de tecnologías de vanguardia y un diseño estratégico de centros de datos.

• • Refrigeración adaptativa: el uso de IA en sistemas de refrigeración promete una adaptabilidad sin precedentes. Estas soluciones aprenden y se ajustan continuamente a las necesidades específicas de refrigeración de los centros de datos en tiempo real, lo que reduce el sobre enfriamiento y el desperdicio de energía.

  • Centros de datos edge: es posible que haya aún más centros de datos en ubicaciones estratégicas "edge". Estos centros garantizan la entrega de datos y cargas de trabajo de IA de baja latencia, y pueden traer innovación en la refrigeración de sus entornos singulares.

• Energía renovable: si bien es importante la eficiencia en la gestión energética, también es fundamental utilizar fuentes renovables de energía. Los centros de datos alimentados con energía solar o eólica ya son una realidad. La combinación de fuentes de energía renovables y soluciones de almacenamiento, como pilas de combustible y baterías avanzadas, con estrategias de refrigeración eficientes representan un enfoque holístico para el progreso de la sostenibilidad. Esto garantiza que los centros de datos puedan operar de forma fiable y eficiente, minimizando al mismo tiempo su impacto ambiental, logrando mayor independencia energética y reduciendo su huella de carbono.

Nuestras iniciativas en torres de refrigeración: el caso de Singapur

Los centros de datos de Digital Realty están a la vanguardia del sector en la mejora de la eficiencia de refrigeración. En nuestras instalaciones SIN10 en Singapur empleamos electrólisis DCI para la conservación del agua, ahorrando 1,24 millones de litros al mes. Este proceso elimina el uso de productos químicos, lo que permite utilizar el agua hasta tres veces más que lo usual antes de convertirse en aguas residuales. Esto reduce el consumo de agua y de energía.

Impulsando la innovación sostenible en la refrigeración de los centros de datos

Los centros de datos modernos cuentan con diversos sistemas de refrigeración, cada uno con ventajas según los casos de uso. Desde la refrigeración por aire tradicional hasta la refrigeración líquida y las tecnologías híbridas, cada una tiene la capacidad de facilitar a centros de datos la reducción de su consumo de energía y agua cuando se aplica estratégicamente a cada situación.

Digital Realty comprende que no existe un enfoque universal para la refrigeración. Por ello, nos comprometemos a ayudar a los departamentos IT en su proceso de transformación mediante una estrategia que impulse la innovación y equilibre la sostenibilidad con los objetivos de negocio. Logramos esto mediante nuevas tecnologías en nuestros centros de datos, diseñadas para afrontar los retos de refrigerar cargas de trabajo con una densidad de potencia cada vez mayor, que no se limitan a implementaciones a gran escala, sino que son específicas de cada cliente.

Ya sea IA, IoT o HPC, nuestros centros de datos tienen la capacidad para solventar las necesidades de refrigeración de cada cliente, ofreciendo soluciones sostenibles que facilitan una menor huella de carbono, mayor eficiencia energética y menor consumo de agua.

Lee más en nuestro documento IA para líderes IT, y contáctanos para implementar una infraestructura IT preparada para el futuro y con objetivos de sostenibilidad.

¿Cómo se refrigera un centro de datos?

La refrigeración en los centros de datos se realiza mediante diversos métodos, como:

• • Refrigeración por aire

  • Refrigeración líquida

  • Refrigeración por inmersión

  • Refrigeración evaporativa

  • Refrigeración libre

  • Refrigeración híbrida

Los departamentos IT deben elegir un centro de datos que adapte las técnicas de refrigeración a factores como la densidad de la carga de trabajo, el hardware y los requisitos de infraestructura para una implementación sostenible.

¿Cuál es el mejor sistema de refrigeración para un centro de datos?

No existe un enfoque único. Factores como el tamaño, la ubicación y las demandas de la carga de trabajo, influyen en cada proyecto. Las soluciones sostenibles y eficientes, como la refrigeración por inmersión, son cada vez más populares debido a su mayor eficiencia y menor huella de carbono.

¿Cuáles son los componentes de refrigeración de un centro de datos?

Los componentes clave de refrigeración de un centro de datos incluyen:

• • Enfriadores

  • Aires acondicionados (CRAC/CRAH)

  • Tuberías de refrigeración líquida

  • Unidades de distribución de refrigeración (CDU)

  • Sistemas de bombeo

  • Ventiladores y respiraderos

Los sistemas avanzados de monitorización de temperatura y humedad con IA son cada vez más comunes a medida que los centros de datos se vuelven más sostenibles.

¿Cómo se refrigeraría un servidor en un centro de datos?

Las tecnologías de refrigeración avanzadas, como los sistemas basados ​​en aire que utilizan la circulación de aire frío para eliminar el calor, o las soluciones de refrigeración líquida que transfieren el calor mediante refrigerante, son métodos eficientes para refrigerar servidores en centros de datos. Otros métodos incluyen la optimización del flujo de aire mediante técnicas como la contención de pasillos fríos y calientes para evitar la recirculación del calor. Para servidores de alta densidad, la refrigeración líquida directa al chip o la refrigeración por inmersión son ideales para lograr la máxima eficiencia térmica y sostenibilidad.