Arrefecimento do centro de dados: Gerir o calor para o desempenho do servidor

Prefácio: O próspero mercado de soluções de refrigeração para centros de dados

O mercado global de refrigeração de centros de dados está a expandir-se a um ritmo acelerado. O crescimento deste mercado é atribuído à elevada procura de melhores soluções de gestão térmica. O consumo de energia nos centros de dados é muito elevado e a refrigeração representa uma parte significativa desse consumo. Como tal, as soluções de refrigeração inovadoras e sustentáveis para centros de dados tornaram-se mais importantes do que nunca. Portanto, de acordo com a Grand View Research, o mercado global de resfriamento de data center pode valer US $ 25,5 bilhões até 2028; isso representa um CAGR de 14,1% no período entre 2021 e 2028.

As tecnologias de computação em nuvem, IA e IoT estão a crescer rapidamente. Isto resulta num aumento da produção e do processamento de dados. O desempenho deve ser mantido pelos centros de dados, mesmo com custos de energia mais elevados. Este facto deu origem a uma maior utilização de sistemas avançados de arrefecimento dos centros de dados. Estes sistemas têm de eliminar eficazmente o calor, mantendo a fiabilidade e minimizando o impacto ambiental. Assim, as mais recentes tecnologias de refrigeração de centros de dados são procuradas pelos operadores que pretendem melhorar as suas infra-estruturas e manter-se competitivos.

Como é que os centros de dados são arrefecidos?

Porque é que o arrefecimento é fundamental para os centros de dados?

Os centros de dados constituem o núcleo do mundo digital atual. Neles, existem servidores, subsistemas de armazenamento e equipamento de rede que gerem as nossas transacções na Internet. No entanto, estas máquinas geram muito calor à medida que processam e armazenam dados incansavelmente. Este calor pode acumular-se rapidamente se não for devidamente arrefecido, conduzindo a uma redução do desempenho, a falhas do equipamento e mesmo a períodos de inatividade catastróficos.

É necessário um arrefecimento eficiente para um desempenho ótimo do servidor e para evitar interrupções dispendiosas. Em caso de sobreaquecimento, os componentes podem abrandar, diminuindo a velocidade de processamento e a eficiência global. Em alguns casos, a temperatura excessiva pode destruir itens electrónicos delicados de forma irreversível, resultando na perda de dados e em reparações dispendiosas. Um estudo recente efectuado pelo Uptime Institute mostra que mais de 90% dos operadores de centros de dados sofreram uma interrupção de serviço nos últimos três anos, sendo que muitos deles se deveram a sistemas de refrigeração deficientes.

Compreender a produção de calor nos centros de dados

Ao gerir o calor num centro de dados, é importante saber qual é a sua origem e de onde vem. Normalmente, as principais fontes de calor dentro de um centro de dados incluem servidores, dispositivos de armazenamento e equipamentos de rede. Estes elementos consomem eletricidade durante o funcionamento e geram calor como resíduo.

A quantidade de calor produzida pelo equipamento informático varia em função de factores como o tipo de hardware, a intensidade da carga de trabalho ou mesmo a temperatura ambiente, entre outros. Por exemplo, os servidores de computação de alto desempenho (HPC), bem como as unidades de processamento gráfico (GPU), produzem mais calor do que os servidores normais, porque têm uma maior capacidade para efetuar cálculos complexos. Além disso, os climas quentes são susceptíveis de apresentar mais dificuldades no que diz respeito ao arrefecimento dos centros de dados devido ao aumento das temperaturas de entrada.

A densidade de potência é utilizada pelos gestores de instalações para medir a produção de calor nas suas instalações: mede a quantidade de energia consumida em relação ao espaço; normalmente medida em watts por pé quadrado ou quilowatts por bastidor. De acordo com o relatório da AFCOM, a densidade média de energia nos centros de dados aumentou de 4-5 kW por bastidor em 2010 para 7-10 kW por bastidor em 2020. Algumas implantações de alta densidade chegam mesmo a atingir 50 kW por bastidor.

Métodos eficientes para a gestão térmica do centro de dados

Atualmente, a gestão do calor é uma tarefa essencial nos centros de dados. Isto implica a utilização de vários métodos para melhorar o desempenho e a fiabilidade do equipamento de TI. A escolha de um método de arrefecimento depende de alguns aspectos que incluem o tamanho da sala do servidor, a taxa de utilização de energia medida em unidades térmicas por hora e o que o utilizador pretende dele.

Arrefecimento do ar

A unidade de ar condicionado continua a ser a forma mais comum de arrefecer e ventilar um centro de dados, com mais de 80% dos sistemas de arrefecimento a recorrerem a este meio. Estes sistemas são normalmente configurados com unidades de tratamento de ar, serpentinas de arrefecimento, bem como vários tipos de ventiladores que trabalham em conjunto para controlar o fluxo de ar e a temperatura dentro da unidade. As ventoinhas de arrefecimento são componentes centrais destes sistemas a vários níveis, quer se trate de ventoinhas ao nível do servidor montadas no interior do equipamento, de ventoinhas de armário em bastidores ou de ventoinhas do sistema de arrefecimento ao nível da sala. Estas ventoinhas asseguram que cada servidor da rede está a funcionar em situações óptimas e que não se formam pontos quentes.

Nos centros de dados refrigerados a ar típicos, o ar refrigerado é fornecido através de pisos elevados ou sistemas de tectos suspensos e move-se numa direção ascendente em direção à parte frontal dos racks de servidores. Ao passar pelos módulos de servidor, o ar frio arrefece-os e é expelido como ar quente através das ventoinhas de servidor que os rodeiam, com a ajuda dos armários de ventilação. Este ar quente é subsequentemente expelido dos módulos através da parte traseira das estantes, que é assistida pelos painéis, ao mesmo tempo que é canalizado de volta para o sistema de arrefecimento para efeitos de refrigeração. Muitos centros de dados modernos utilizam sistemas avançados de ventiladores inteligentes, que ajustam dinamicamente as velocidades dos ventiladores para melhorar o fluxo de ar e o desempenho de poupança de energia.

Existem várias técnicas que podem ser utilizadas para melhorar a eficiência do arrefecimento do ar. Estas incluem o arrefecimento por piso elevado, o arrefecimento em fila e o arrefecimento suspenso, dependendo das respectivas configurações funcionais dos ventiladores. A contenção de corredores é outro sistema amplamente utilizado para eliminar a mistura do ar frio fornecido e do ar quente descarregado, criando uma barreira física entre os dois, melhorando assim a eficiência do arrefecimento. Esta configuração não elimina a necessidade de ventiladores estrategicamente colocados que podem manter os padrões de fluxo de ar necessários para evitar pontos quentes no centro de dados, melhorando assim a sua eficiência de arrefecimento.

Arrefecimento líquido

O arrefecimento líquido foi adotado mais especialmente para configurações de alta densidade e aplicações HPC devido às suas várias vantagens. Durante o processo de arrefecimento líquido, um líquido de arrefecimento líquido, como a água ou o fluido dielétrico, retira diretamente o calor dos componentes do servidor. No entanto, apesar de não serem os principais componentes responsáveis pelo arrefecimento líquido, ao contrário das ventoinhas, que facilitam a circulação e a troca de calor corretas.

Existem duas categorias principais de arrefecimento líquido, que incluem o arrefecimento direto ao chip e o arrefecimento por imersão; o arrefecimento direto ao chip implica a fixação de uma placa à CPU ou a outras peças que produzam calor, onde um líquido de arrefecimento transita, absorvendo o calor das mesmas, enquanto o líquido de arrefecimento aquecido é depois levado para um permutador de calor para arrefecimento antes de ser bombeado de volta para o servidor. Por vezes, as ventoinhas trabalham em colaboração com os refrigeradores para melhorar a transferência de calor, aumentando assim a eficiência do arrefecimento.

No arrefecimento por imersão, um banho de fluido dielétrico submerge todo o servidor. O fluido absorve o calor gerado pelos componentes do servidor e afasta-o dos mesmos. O fluido quente passa por um permutador de calor, onde arrefece antes de voltar a entrar no tanque de imersão, o que é possível graças a ventoinhas que facilitam o movimento do fluxo e aumentam a troca de calor em alguns sistemas de arrefecimento por imersão.

arrefecimento de bastidores de centros de dados

Factores a considerar na escolha de uma solução de arrefecimento para centros de dados

Carga térmica

Se quiser tomar a decisão correta relativamente à conceção da refrigeração do centro de dados, deve considerar a carga térmica gerada pelo equipamento de TI. A carga térmica determinará a capacidade de arrefecimento necessária para manter as temperaturas de funcionamento ideais e evitar o sobreaquecimento.

Para determinar a carga térmica, os servidores devem ser analisados em termos de energia consumida, incluindo dispositivos de armazenamento e equipamento de rede. Isto permite dimensionar o sistema de arrefecimento para que possa suportar esta quantidade de calor acumulado.

A carga térmica pode mudar ao longo do tempo devido à adição de novos equipamentos ou a alterações nos componentes existentes. Por conseguinte, é importante selecionar, entre outras coisas, um sistema de arrefecimento com capacidade para acomodar o crescimento futuro em termos de aumento do número de equipamentos, bem como perfis alterados relacionados com o aquecimento de um centro de dados.

Eficiência energética

Outro fator vital na seleção de uma solução de arrefecimento para centros de dados é a sua eficiência energética. A refrigeração ocupa uma percentagem significativa do consumo total de energia em qualquer centro de dados. Sistemas de refrigeração inadequados levam a altos custos de operação e a maiores quantidades de emissões de carbono.

Ao avaliar a eficiência energética, aspectos como o coeficiente de desempenho (COP) e a eficácia da utilização de energia (PUE) são muito importantes. O COP mede o grau de eficiência do arrefecimento, comparando-o com a potência de entrada; valores mais elevados significam melhores resultados. A PUE, por seu lado, pondera a utilização global de energia do centro de dados em relação à energia utilizada apenas pelo equipamento de TI, sendo que 1 representa a eficiência máxima.

Os centros de dados também podem melhorar o seu nível ou grau de eficiência energética através de mecanismos como a otimização, por exemplo, quando arrefecem áreas específicas dos seus edifícios apenas quando necessário, em vez de o fazerem de uma só vez, evitando assim o sobrearrefecimento, que consome mais energia eléctrica do que a necessária para o funcionamento normal. Outras opções rentáveis incluem a utilização de variadores de velocidade nos chillers, economizadores nos sistemas de ar condicionado para arrefecimento gratuito e sistemas de controlo topo de gama que promovem a monitorização e a otimização em tempo real.

Requisitos de equipamento informático

Os requisitos das ferramentas de TI constituem outra consideração crítica que deve ser feita. Vários tipos de hardware requerem diferentes soluções de arrefecimento com base em aspectos como a densidade de potência, a gama de temperaturas de funcionamento e o fluxo de ar.

Os servidores de computação de alto desempenho (HPC), por exemplo, juntamente com as unidades de processamento gráfico (GPU), produzem muito mais calor do que os servidores normais; por conseguinte, nestes casos pode ser necessário utilizar o arrefecimento direto ao chip ou por imersão em vez do mecanismo típico de arrefecimento a ar.

Além disso, algumas ferramentas de TI podem ter requisitos de arrefecimento específicos, como padrões de fluxo de ar da frente para trás ou de um lado para o outro. Um bom sistema de arrefecimento deve ser capaz de satisfazer essas necessidades e proporcionar uma circulação de ar adequada em todos os bastidores de servidores.

Escalabilidade e crescimento futuro

Os centros de dados são ambientes dinâmicos que evoluem ao longo do tempo, com novos equipamentos sendo adicionados enquanto outros são aposentados. A escalabilidade e a flexibilidade devem ser consideradas ao fazer uma escolha sobre técnicas de refrigeração de centros de dados, a fim de antecipar futuras taxas de crescimento ou mudanças num determinado centro de dados.

Uma solução de arrefecimento escalável tem a capacidade de lidar com cargas de calor e densidades de potência crescentes sem exigir grandes modificações na infraestrutura nem tempo de inatividade. Isto pode ser conseguido através da utilização de concepções modulares, de modo a que, mesmo depois de a conceber, se possa facilmente expandi-la passo a passo, por exemplo, acrescentando um número adicional de refrigeradores ou aumentando a eficiência de sistemas já existentes, entre outros.

Mais importante ainda, a solução de arrefecimento deve ser suficientemente flexível para lidar com diferentes tipos de equipamento e configurações de TI com uma vasta gama de densidades de bastidor, padrões de fluxo de ar e requisitos de arrefecimento, para que os operadores de centros de dados possam adotar novas tecnologias ou modelos de negócio sem terem de se preocupar com a sua infraestrutura de arrefecimento.

Fator	Métrica	Considerações
Carga térmica	Densidade de potência (watts por pé quadrado ou quilowatts por bastidor)	- Consumo de energia das TI - Gama de temperaturas pretendida - Crescimento futuro e alterações térmicas
Eficiência energética	- Coeficiente de desempenho (COP) - Eficácia da utilização de energia (PUE)	- Eficiência do sistema de arrefecimento - Estratégias de poupança de energia (por exemplo, arrefecimento livre, variadores de velocidade)
Requisitos de equipamento informático	- Densidade de potência- Gama de temperaturas de funcionamento- Requisitos de fluxo de ar	- Necessidades de arrefecimento de hardware específico (ou seja, servidores HPC, GPUs) - Padrões de fluxo de ar (frente para trás, lado a lado)
Escalabilidade e crescimento futuro	- Conceção modular - Flexibilidade para acomodar diferentes tipos de equipamento e disposições	-Capacidade para lidar com cargas de calor elevadas e densidades de potência acrescidas, bem como com flutuações nas tendências tecnológicas e requisitos comerciais.

Ventiladores compactos: uma solução versátil para a refrigeração de centros de dados

Para gerir o calor, os centros de dados têm sistemas baseados em ar condicionado rotativo, serpentinas de líquido, sistemas de arrefecimento por imersão e evaporação. Dependendo das estruturas, é fácil ver que as ventoinhas de arrefecimento no local são infra-estruturas de arrefecimento críticas para os centros de dados em muitas destas estratégias. Quer complementem os sistemas de ar condicionado, ajudem na dissipação de calor para componentes arrefecidos por líquido ou facilitem o fluxo de ar em configurações híbridas, as ventoinhas de arrefecimento são omnipresentes e, de facto, necessárias na gestão térmica do centro de dados.

Vantagens das ventoinhas de arrefecimento compactas

Os ventiladores de arrefecimento compactos, como os ventiladores de muffin e outros ventiladores e sopradores, são uma solução versátil e económica para o arrefecimento do centro de dados. Estes ventiladores foram concebidos para proporcionar uma refrigeração direcionada para componentes ou áreas específicas do centro de dados, complementando o sistema de refrigeração principal.

A flexibilidade das ventoinhas de arrefecimento compactas é um dos seus maiores pontos fortes. Podem ser instalados em diferentes locais, como racks de servidores, pontos quentes ou onde o espaço é limitado. Permite aos gestores de centros de dados concentrarem-se em áreas específicas com requisitos de temperatura elevada, optimizando assim o fluxo de ar.

Outra vantagem destas ventoinhas de refrigeração compactas é o facto de consumirem pouca energia. Consequentemente, uma vez que arrefecem apenas pontos específicos, a localização do trabalho que um sistema de ar condicionado central estava a fazer resulta na redução do consumo de energia geralmente por este método. Entre os mais modernos, também incluem a variação dos controlos de velocidade e a gestão inteligente da energia, que ajusta a sua saída de acordo com a temperatura em tempo real e as taxas de fluxo de ar.

Aplicações das ventoinhas de arrefecimento nos centros de dados

Dependendo das necessidades de arrefecimento dos centros de dados de cada empresa e da forma como a sua infraestrutura foi concebida, várias aplicações exigem ventoinhas de arrefecimento compactas. Alguns casos de utilização comuns incluem:

Arrefecimento ao nível da prateleira: A melhoria do fluxo de ar através das estantes pode ser efectuada através da montagem de ventiladores, removendo assim o ar quente de forma mais eficiente, de modo a que o calor não se concentre em determinados locais, causando alguns pontos frios enquanto outros permanecem aquecidos.

Mitigação de Hotspots: áreas que tendem a acumular calor em grandes quantidades, por exemplo, perto de servidores densamente agrupados ou salas onde há pouca circulação de ar; estes têm ventiladores compactos colocados propositadamente para evitar o sobreaquecimento.

Redundância e cópia de segurança: Em caso de quaisquer circunstâncias possíveis, como práticas de manutenção ou falha dos sistemas primários, são necessários refrigerantes adicionais, pelo que estes dispositivos electrónicos devem ter dispositivos de refrigeração adicionais instalados internamente como medidas de reserva.

Otimização do fluxo de ar: Ao colocar potentes unidades de ventiladores de fluxo axial ajustáveis estrategicamente em todos os centros de dados, é possível obter padrões de fluxo de ar ideais e eliminar todos os pontos mortos. Assim, o ar frio é distribuído de forma mais uniforme e o ar quente é prontamente removido.

Espera-se que o futuro das ventoinhas de arrefecimento compactas na conceção de tecnologias de arrefecimento e alimentação de centros de dados se expanda à medida que os centros de dados mudam e as exigências de energia e arrefecimento nas instalações continuam a tornar-se mais diversificadas. Estes dispositivos fornecem uma resposta flexível e eficiente em termos energéticos a estas diversas exigências, permitindo a formulação de estratégias de gestão térmica óptimas por parte destas organizações de servidores que garantem operações fiáveis de elevado desempenho.

Soluções de refrigeração personalizadas: Atendendo às necessidades exclusivas do data center

Tendo em conta a diversidade e complexidade dos ambientes dos centros de dados, a maioria das estratégias de refrigeração de tamanho único dificilmente é suficiente. Atualmente, a maioria dos fabricantes de equipamento de refrigeração fornece soluções personalizadas para um centro de dados específico. Essas soluções envolvem combinações de tipos e tamanhos de ventiladores, bem como sistemas de controlo, para satisfazer determinados requisitos especiais de refrigeração.

Algumas empresas, por exemplo, fabricam uma vasta linha de ventiladores axiais para o arrefecimento eficiente dos centros de dados. A ACDCFAN possui uma vasta gama de ventiladores axiais concebidos para um arrefecimento eficiente em centros de dados, tais como ventiladores AC, DC e EC. Fornecem produtos adequados para várias aplicações, incluindo arrefecimento ao nível do bastidor ou otimização do fluxo de ar no interior de armários de servidores. Para os ajudar a manter níveis óptimos de temperatura e a alcançar fiabilidade no funcionamento, adaptamos os nossos serviços OEM/ODM/OBM de acordo com as condições locais enfrentadas por diferentes centros de dados globais.

refrigeração ecológica para centros de dados

Conclusão

Para uma excelente prestação de serviços, fiabilidade e minimização do desperdício de energia em qualquer centro de dados moderno, deve ser dada especial atenção ao calor, uma vez que a procura de energia computacional explode no meio de preocupações com a redução de custos relativamente à preservação do ambiente, tornando inevitáveis soluções inovadoras e sustentáveis de arrefecimento para centros de dados.

Os operadores que compreendem os princípios básicos da refrigeração dos centros de dados, tais como as fontes de calor e as várias formas de arrefecimento, seleccionarão as abordagens mais práticas para manter as temperaturas corretas nestas instalações, reduzindo simultaneamente os níveis de consumo de energia durante as estações quentes ou frias na sua localização geográfica na superfície da Terra, que, de outra forma, poderiam aumentar, dependendo da quantidade de energia que está a utilizar, da utilização ideal do espaço no chão, etc. As opções incluem técnicas avançadas de ar condicionado para unidades interiores (AC IDU), tecnologia de arrefecimento à base de líquido, arrefecedores de ventoinha compactos e outros tipos, como alguns tipos específicos, incluindo os mencionados acima, mas também existem vários outros, cada um satisfazendo determinados requisitos e orçamentos dos centros de dados.

O mercado de refrigeração de centros de dados está em constante mudança. Para se manterem competentes na indústria dos centros de dados, os operadores precisam de acompanhar as últimas tendências e inovações nos designs e tecnologias de refrigeração dos centros de dados. Ao investir nas soluções de refrigeração corretas e ao utilizar estratégias de gestão térmica eficazes, os centros de dados podem aumentar o desempenho, reduzir o consumo de energia e funcionar de forma fiável e sustentável durante muitos anos.

FAQs

Com que frequência deve ser efectuada a manutenção dos sistemas de refrigeração?

A manutenção regular é crucial para o desempenho e a eficiência ideais dos sistemas de refrigeração dos centros de dados. A frequência das actividades de manutenção varia consoante o tipo de sistema de refrigeração, o ambiente de funcionamento e as recomendações do fabricante. No entanto, aqui estão algumas diretrizes gerais para os operadores de centros de dados:

Mensal:

Inspecionar e limpar os filtros de ar.
Verifique se existem fugas ou ruídos invulgares.
Verificar se os níveis de temperatura e humidade estão dentro dos limites aceitáveis.

Trimestralmente:

Efetuar uma inspeção minuciosa do equipamento de refrigeração, incluindo ventiladores, serpentinas e condensadores.
Verificar se existem sinais de desgaste ou danos.
Lubrificar as peças móveis, se necessário.

Anualmente:

Efetuar uma revisão geral da manutenção.
Limpar e calibrar os sensores.
Testar os sistemas de controlo.
Avaliar o desempenho global e a eficiência do sistema de arrefecimento.

Seguindo um programa de manutenção regular e resolvendo prontamente quaisquer problemas, os operadores de centros de dados podem minimizar o risco de falhas no sistema de arrefecimento. Isto prolonga a vida útil do seu equipamento e assegura um desempenho ótimo da gestão térmica.

ventoinhas para arrefecimento de servidores

Pode a IA melhorar a eficiência da refrigeração dos centros de dados?

Sim, as tecnologias de inteligência artificial (IA) e de aprendizagem automática (ML) podem melhorar significativamente a eficiência da gestão térmica dos centros de dados. Ao utilizar análises avançadas e monitorização em tempo real, as soluções de arrefecimento alimentadas por IA podem otimizar a gestão térmica, reduzir o consumo de energia e melhorar o desempenho geral do centro de dados.

Principais formas de a IA melhorar a eficiência do arrefecimento do centro de dados:

Manutenção preditiva:

Os algoritmos de IA podem analisar os dados dos sensores e as métricas de desempenho do equipamento.

Prevêem quando os componentes de refrigeração podem falhar, permitindo uma manutenção proactiva e reduzindo o tempo de inatividade inesperado.

Otimização dinâmica do arrefecimento:

Os sistemas de controlo alimentados por IA podem monitorizar continuamente as condições dos centros de dados.

Ajustam os parâmetros de arrefecimento em tempo real, assegurando que a capacidade de arrefecimento corresponde às cargas de calor reais e minimizam o desperdício de energia.

Colocação inteligente da carga de trabalho:

Os algoritmos de IA podem analisar as caraterísticas da carga de trabalho e os perfis térmicos.

Optimizam a colocação do equipamento de TI no centro de dados, minimizando os pontos de acesso e melhorando a eficiência geral da refrigeração.

Previsão de energia melhorada:

Os modelos de IA podem prever as necessidades futuras de energia de refrigeração com base em dados históricos e factores externos, como os padrões climáticos.

Isto permite que os operadores de centros de dados optimizem as suas estratégias de aquisição e gestão de energia.

À medida que as tecnologias de IA e ML continuam a avançar, a sua aplicação no arrefecimento dos centros de dados tornar-se-á provavelmente mais sofisticada e generalizada. Ao adotar essas soluções inovadoras, os data centers podem alcançar novos níveis de eficiência, sustentabilidade e desempenho em suas estratégias de gerenciamento térmico.

Como é que os centros de dados podem reduzir o seu impacto ambiental através de práticas de arrefecimento?

Os impactos ambientais dos centros de dados podem ser minimizados através de várias práticas de refrigeração eficientes. Inicialmente, a substituição de unidades HVAC por modelos mais eficientes em termos de energia também pode ajudar a reduzir a quantidade de energia consumida.

A conceção de pisos elevados e a otimização da gestão do fluxo de ar podem ajudar a melhorar a ventilação e, assim, evitar pontos quentes, para além de melhorar a eficiência da refrigeração. A contenção de corredores quentes e frios deve, no entanto, ser implementada para que o ar frio seja direcionado para áreas específicas, minimizando assim a carga dos sistemas de refrigeração.

O consumo de energia pode diminuir significativamente se forem aplicados métodos de arrefecimento gratuito, como o aproveitamento do ar exterior, sempre que as condições o permitam. Além disso, a manutenção atempada ajuda a manter o equipamento de refrigeração a funcionar corretamente para um desempenho e uma eficiência energética ideais.

Estas técnicas facilitam o modo de sustentabilidade dos centros de dados, reduzindo a sua utilização geral de energia e as emissões de carbono.