Refrigeración por inmersión

La refrigeración por inmersión es un método que consiste en sumergir componentes electrónicos o servidores completos en un líquido especial, eléctricamente seguro, para su enfriamiento. Este líquido disipa el calor mucho más rápido que el aire, lo que reduce los costos de energía, evita el uso de ventiladores ruidosos y permite alojar más componentes informáticos que generan calor en un espacio reducido. Esto incluye sistemas que utilizan líquidos dieléctricos monofásicos o bifásicos , aprovechando sus capacidades térmicas para gestionar y disipar el calor generado por los componentes electrónicos. ^{[ 1 ]}

El calor se disipa del sistema mediante el contacto directo del refrigerante con los componentes calientes y la circulación del líquido calentado a través de intercambiadores de calor . Este método es muy eficaz, ya que los refrigerantes líquidos absorben más calor del sistema que el aire. La refrigeración por inmersión ofrece numerosas ventajas, entre las que destacan la sostenibilidad, el rendimiento, la fiabilidad y la reducción de costes.

Los fluidos utilizados en la refrigeración por inmersión son líquidos dieléctricos para garantizar que puedan entrar en contacto de forma segura con componentes electrónicos energizados. Los líquidos dieléctricos comúnmente utilizados en la refrigeración por inmersión son hidrocarburos sintéticos, ésteres (naturales y sintéticos) y fluorocarbonos. ^{[ 2 ]}

En general, los líquidos dieléctricos utilizados para la refrigeración por inmersión se clasifican en las siguientes categorías: hidrocarburos sintéticos (aceites sintéticos), ésteres (naturales y sintéticos) y fluorocarbonos ^{[ 2 ]} (líquidos totalmente diseñados). Los líquidos dieléctricos se dividen en aplicaciones monofásicas y bifásicas, que se diferencian en si el fluido refrigerante se convierte o no en gas durante el ciclo de refrigeración.

• En la refrigeración por inmersión monofásica, el líquido dieléctrico circula, absorbe el calor, fluye hacia una parte más fría donde lo transfiere y luego regresa el líquido enfriado a los componentes electrónicos. Un fluido monofásico no hierve ni experimenta un cambio de fase en ningún momento durante el proceso de enfriamiento.
• La inmersión bifásica utiliza un líquido dieléctrico con un punto de ebullición bajo (típicamente fluorocarbonos), que hierve y el gas caliente asciende a una placa de enfriamiento, donde transfiere su calor al enfriador y se transfiere nuevamente a los componentes electrónicos en forma líquida. ^{[ 3 ]} Este método transfiere el calor de manera aún más eficaz que los sistemas monofásicos.

Un chasis cerrado es un tipo de solución de inmersión en la que se hace circular un líquido dieléctrico a través de un chasis de servidor sellado. ^{[ 3 ]} Esto requiere conectores (sin goteo) para la interfaz con cada chasis. Estos chasis suelen estar diseñados para la colocación tradicional de sistemas en rack. Los conectores generalmente requieren un pequeño circuito de refrigeración cerrado con un refrigerante para proteger la integridad del flujo a través de las tuberías y los conectores. El circuito cerrado se facilita mediante una Unidad de Distribución de Refrigerante (CDU), que puede admitir varios racks a la vez.

Un baño abierto se refiere a la interfaz líquido-aire "abierta" ^{[ 3 ]} y, por lo tanto, la tensión superficial entre el líquido y el aire es un elemento distintivo. Los sistemas de baño abierto suelen ser tanques que contienen un cuerpo más grande de líquido dieléctrico donde se sumergen los componentes electrónicos. Múltiples conjuntos electrónicos comparten el mismo líquido. Independientemente del término, los sistemas de baño abierto pueden estar completamente sellados (especialmente con inmersión bifásica), pero siempre se abren desde la parte superior para dar servicio a los equipos de TI. ^{[ 2 ]} El tanque para sistemas de inmersión de baño abierto está conectado a una CDU que hace circular el líquido dieléctrico, o contiene un dispositivo de intercambio de calor integrado que forma parte del tanque, para facilitar la disipación de calor (normalmente) al Sistema de Agua de la Instalación (FWS). Para una interfaz de instalación, las CDU suelen diseñarse para 100 kW o más, mientras que un dispositivo de intercambio de calor integrado suele diseñarse para una capacidad de refrigeración de 10 a 100 kW.

El enfriamiento híbrido se refiere a combinaciones de aparatos de baño cerrados y abiertos y al uso de tecnología de placas frías en inmersión. ^{[ 2 ]}

Debido a la disposición vertical de los equipos informáticos, un elemento esencial para la gestión térmica y el mantenimiento de los centros de datos es un sistema de elevación para los servidores. Este sistema suele implicar el levantamiento mecánico de los servidores para su colocación y retirada.

La refrigeración por inmersión reduce el consumo energético al eliminar la infraestructura de refrigeración por aire, incluyendo los ventiladores de los servidores, las unidades de aire acondicionado de precisión (CRAC), los compresores de aire acondicionado, los ventiladores de circulación de aire, los conductos necesarios, las unidades de tratamiento de aire y otros sistemas auxiliares activos, como los deshumidificadores. Estos sistemas se sustituyen por bombas de circulación de líquido y sistemas de intercambio de calor o de refrigeración en seco.

El consumo energético en los centros de datos se suele medir en términos de eficiencia energética (EUE). Las definiciones de EUE para dispositivos refrigerados por aire y por inmersión líquida son diferentes, lo que hace que estas comparaciones directas sean imprecisas. La EUE para centros de datos refrigerados por aire incluye la energía consumida por los ventiladores y otros componentes de refrigeración activa presentes en los servidores. La EUE para refrigeración por inmersión líquida excluye estos valores del componente de Energía de los Equipos de TI, ya que estos elementos del sistema (en particular, los ventiladores integrados) generalmente se eliminan de los equipos de TI al no ser necesarios para la circulación de los refrigerantes dieléctricos. Esta discrepancia en la definición de EUE para los diferentes métodos de refrigeración provoca que la EUE de los centros de datos refrigerados por aire se sobreestime en comparación con la EUE de una instalación refrigerada por inmersión líquida con el mismo consumo energético. ^{[ 4 ]}

Los servidores y otros equipos informáticos refrigerados por inmersión no requieren ventiladores para la circulación del líquido dieléctrico, por lo que se retiran del sistema antes de la inmersión. Las pastas térmicas que se utilizan habitualmente en los disipadores de calor de las CPU y otros chips pueden requerir su sustitución por un compuesto diferente para evitar la degradación térmica del líquido dieléctrico. ^{[ 5 ]} Según el tipo de aplicación, se pueden utilizar como materiales de sustitución soldadura, lámina de indio y epoxis termoconductores.

Las temperaturas utilizadas en la refrigeración por inmersión se determinan por la temperatura máxima a la que los dispositivos sumergidos pueden funcionar de forma fiable. Para los servidores, este rango de temperatura suele estar entre 15 y 65 °C (59 y 149 °F) ; ^{[ 6 ]} sin embargo, en los dispositivos de minería de criptomonedas basados ​​en ASIC, este rango suele extenderse hasta 75 °C. ^{[ 7 ]} Este aumento en el extremo superior del rango de temperatura permite a los operadores de centros de datos utilizar enfriadores secos totalmente pasivos, o torres de refrigeración evaporativas o adiabáticas mucho más eficientes , en lugar de refrigeración por aire o por agua. Este aumento en el rango de temperatura también permite a los operadores que utilizan refrigerantes de inmersión monofásicos aprovechar de forma más eficaz el cambio en las temperaturas exteriores para obtener una refrigeración más eficiente de sus sistemas, ya que la eficacia de los sistemas monofásicos no está limitada por el punto de ebullición del refrigerante, como ocurre con los refrigerantes bifásicos. ^{[ 8 ]}  

Varias marcas relevantes como Intel y Meta ya han validado las ventajas de los servidores sumergibles. ^{[ 9 ] [ 10 ]}

Las aplicaciones comerciales actuales para la refrigeración por inmersión abarcan desde soluciones orientadas a centros de datos para la refrigeración de servidores estándar, ^{[ 11 ] [ 12 ]} clústeres de servidores, aplicaciones HPCC ^{[ 13 ]} y minería de criptomonedas . ^{[ 14 ]} y arquitecturas convencionales basadas en la nube y alojamiento web. Los fabricantes de vehículos eléctricos y baterías también emplean refrigeración líquida por inmersión en baterías, tren motriz, sistemas de recuperación de energía cinética , motores eléctricos, controladores de motores eléctricos y otros subsistemas electrónicos a bordo. La refrigeración líquida por inmersión también se utiliza en la gestión térmica de LED, láseres, máquinas de rayos X y dispositivos de imágenes por resonancia magnética.

La refrigeración por inmersión se aplica a componentes electrónicos en la investigación submarina, donde los vehículos submarinos operados remotamente con equipos electrónicos se llenan con dieléctricos líquidos monofásicos para protegerlos de la corrosión en el agua de mar y como fluido compensador de presión, evitando así que la carcasa se aplaste debido a la presión extrema ejercida sobre el ROV durante su funcionamiento en las profundidades marinas. Esta aplicación también incluye la refrigeración de los motores eléctricos utilizados para la propulsión submarina.

Hasta aproximadamente 2014, la tecnología se utilizaba generalmente solo en proyectos especiales de supercomputación muy intensivos, como las aplicaciones informáticas de Cray. ^{[ 15 ]} Aunque el aumento previsto en el consumo energético global de los centros de datos se ha mantenido constante, ^{[ 16 ]} existe un mayor enfoque en la eficiencia energética que ha impulsado la utilización de la refrigeración por inmersión líquida tanto en centros de datos como en operaciones de minería de criptomonedas para reevaluar su aplicación. La llegada de nuevas CPU y GPU de muy alta densidad para su uso en procesamiento en tiempo real, inteligencia artificial, aprendizaje automático y operaciones de minería de datos está llevando a los usuarios y operadores de centros de datos a evaluar la refrigeración por inmersión líquida por su capacidad para enfriar racks de alta densidad, así como para reducir la huella mecánica total de los centros de datos.

La creciente adopción de chipsets de CPU y GPU con mayor TDP en los centros de datos en los últimos años ha impulsado la expansión de la refrigeración por inmersión como solución para superar las limitaciones técnicas de las plataformas refrigeradas por aire. Con plataformas como la NVIDIA Grace-Blackwell GB200 NVL72, que requieren hasta 140 kW de refrigeración por rack, ^{[ 17 ]} la refrigeración líquida a gran escala se perfila como una tecnología clave para ofrecer capacidad de alojamiento a estas nuevas plataformas. Esta necesidad a gran escala está impulsando nuevos formatos, la adopción por parte de la industria y métodos de implementación.

Hitos de la inmersión cultural en los siglos XIX y XX:

• La inmersión de sistemas eléctricos (específicamente transformadores) en fluidos dieléctricos para la gestión térmica se utilizaba antes de 1887. ^{[ 18 ]}
• La primera patente que menciona explícitamente el uso de aceite como refrigerante y aislante se encuentra en la patente presentada para un transformador de corriente constante en 1899 por Richard Fleming de Lynn, Massachusetts , cesionario de General Electric Company de Nueva York ^{[ 19 ].}
• Desde la década de 1950, los tubos de vacío de potencia con voltajes de ánodo superiores a 100 kV se sumergieron en aceite de transformador ^{[ 20 ].}
• La primera referencia al uso específico de fluidos dieléctricos para enfriar "computadoras" data de 1966, realizada por Oktay Sevgin de IBM. ^{[ 21 ]}
• En 1968, Richard C. Chu y John H. Seely, que trabajaban para IBM, patentaron un "sistema de refrigeración por inmersión para componentes empaquetados modularmente". ^{[ 22 ]}
• Seymour R. Cray Jr., fundador de Cray Research, LLC, patentó un "ensamblaje electrónico de alta densidad refrigerado por inmersión" en 1982. ^{[ 23 ]}
• El Cray T90 (lanzado en 1995) utilizaba grandes intercambiadores de calor de líquido a líquido enfriado y líquidos de refrigeración por inmersión monofásicos o bifásicos para la eliminación de calor ^{[ 24 ].}
• Gracias a la llegada de la tecnología CMOS, se lograron importantes ahorros de energía en las CPU, lo que redujo drásticamente los problemas de refrigeración de los sistemas HPC. No fue hasta la segunda década que la refrigeración por inmersión recuperó terreno debido a las mejores propiedades térmicas de los chips.

Hitos de la inmersión en el siglo XXI:

• A partir de 2016, el auge de las criptomonedas se convirtió en un motor fundamental para la inmersión en la minería. Esto se debe a las ventajas en el alto costo total de propiedad (TCO), altamente valoradas en este sector. Este periodo permitió a muchas tecnologías de inmersión adquirir experiencia esencial y perfeccionar sus procesos.
• En 2017 se observó un gran número de empresas emergentes en el ámbito de la refrigeración por inmersión. La mayoría estaban relacionadas con las criptomonedas y los crecientes desafíos de energía y refrigeración en la industria de los centros de datos.
• En 2018, el Open Compute Project adopta oficialmente la inmersión en un nuevo proyecto bajo el paraguas de Rack & Power como parte de ACS (Advanced Cooling Solutions).
• En 2019, en la cumbre OCP celebrada en San José, se presentaron los primeros estándares industriales documentados para la inmersión.
• En 2020, la Asociación de la Industria de las Telecomunicaciones publicó la primera mención de la refrigeración por inmersión como una opción de refrigeración viable.

• Dieléctrico líquido
• hidrofluoroéter
• Novec 649