Introducción

Nos adentramos en la era de la computación de alto rendimiento (HPC, por sus siglas en inglés). Hablamos de una nueva forma evolutiva de potenciar la productividad, capaz de analizar y crear con mayor eficiencia y velocidad, impulsando a los #CentrosDeDatos a proporcionar capacidades computacionales más potentes. Un manejo de enormes volúmenes de datos en continuo crecimiento que aumentan según la escala y la complejidad de los grandes modelos lingüísticos, lo que implica un crecimiento exponencial del consumo de potencia informática. La evolución hacia redes inteligentes abiertas HPC, de rendimiento ultraelevado y latencia ultrabaja.

ALTA ESCALABILIDAD EN RED

Con el ChatGPT liderando en Internet, las empresas de diversos sectores de todo el mundo están muy centradas en los grandes modelos lingüísticos y la generación de texto automatizada. Gigantes del sector como OpenAI, Google y NVIDIA participan en la investigación y el lanzamiento de productos de HPC.

Algunos informes predicen que, de 2020 a 2030, la potencia informática impulsada por la HPC se multiplicará por 500. Ante una demanda de potencia de cálculo tan inmensa y en rápido crecimiento, los centros de datos de HPC necesitan construir redes altamente escalables e infraestructuras eficientes para garantizar que están bien preparados para el desafío de cálculo a gran escala. Por eso mismo, la escalabilidad de las redes de centros de datos de HPC es un aspecto crítico para el éxito y radica en la optimización de varios aspectos como la arquitectura de red, la infraestructura y la gestión de red. Por ejemplo, los centros de datos de HPC requieren dispositivos de mayor velocidad para soportar un mayor caudal de datos y una mayor velocidad de transmisión, lo que les permite adoptar sin esfuerzo las innovaciones futuras y la evolución de la demanda de datos.

La elección de la topología adecuada, junto con la flexibilidad y modularidad, permitirá a los centros de datos HPC adaptarse a las demandas futuras y seguir siendo eficientes y fiables.

"Dell'Oro dijo que para 2025, la mayoría de los puertos de red de back-end utilizarán velocidades de 800Gbps. Esta previsión indica un aumento significativo en el despliegue de equipos de 800Gbps en los centros de datos de alto rendimiento (HPC)".

En la gestión de centros de datos, al ser un proceso condicionado por la tecnología de los procesadores instalados en los racks y la miniaturización de estos procesadores, así como por su rendimiento según las cargas de calor en el espacio del rack, conviene saber que dependiendo de la carga térmica de los servidores, un centro de datos que funcionaba correctamente puede comenzar a fallar.

En este artículo nos vamos a centrar en la parte de la infraestructura que hace alusión a la gestión térmica o gestión del calor de los racks,explorando cómo la integración de sistemas de refrigeración eficientes, tales como los enfriadores traseros de expansión directa (DX, por sus siglas en inglés) es vital para mantener el rendimiento óptimo de los equipos, asegurando la continuidad operativa, la longevidad del equipo y la sostenibilidad de los proyectos.

"Evitar sobrecalentamiento y los puntos calientes, o "hot spots", no sólo prolonga la vida útil del hardware, sino que también garantiza que las máquinas funcionen al máximo de su capacidad sin interrupciones".

Puntos Calientes en los Centros de Datos

Los puntos calientes, o "hot spots" son áreas dentro de un centro de datos donde la temperatura es significativamente más alta que en otras zonas. Estos puntos pueden causar serios problemas de rendimiento y fiabilidad en los equipos, afectando la operación general del centro de datos.

Esquema figurado de puntos calientes de @focuscooling

Causas de los Puntos Calientes

1. Distribución Desigual de la Carga de Trabajo: Cuando ciertos racks o servidores están sujetos a una mayor carga de trabajo que otros, generan más calor. Esta distribución desigual puede crear puntos calientes si el sistema de refrigeración no está correctamente equilibrado.

Diseño Ineficiente del Flujo de Aire: Un diseño deficiente del flujo de aire dentro del centro de datos puede llevar a la formación de puntos calientes. Si el aire frío no puede llegar adecuadamente a los componentes que más lo necesitan, las áreas alrededor de estos componentes pueden sobrecalentarse.
Obstrucciones Físicas: El cableado desordenado o los obstáculos en el camino del flujo de aire pueden impedir que el aire frío llegue a ciertas áreas, contribuyendo a la formación de puntos calientes.
Fallos en los Sistemas de Refrigeración: El mal funcionamiento o la insuficiencia de los sistemas de refrigeración también puede causar puntos calientes. Esto incluye fallos en las unidades de aire acondicionado o sistemas de refrigeración localizados.

Consecuencias de los Puntos Calientes en los Centros de Datos

Reducción del Rendimiento del Equipo:

a) Throttle Down: Muchos componentes de hardware, como procesadores y tarjetas gráficas, tienen mecanismos integrados para reducir su velocidad de operación (throttling) cuando detectan temperaturas elevadas. Esto puede llevar a una disminución del rendimiento general del sistema.

b) Latencia Aumentada: En los sistemas de computación de alto rendimiento (HPC), la latencia puede aumentar debido al throttling, afectando la eficiencia y la capacidad de respuesta de las aplicaciones.

Mayor Tasa de Fallos del Hardware

a) Desgaste Acelerado: Las temperaturas elevadas aceleran el desgaste de los componentes electrónicos, reduciendo su vida útil. Esto se debe a que los materiales internos se degradan más rápidamente a altas temperaturas.

b) Fallas Prematuras: La exposición continua a puntos calientes puede provocar fallos prematuros de componentes críticos, como discos duros, fuentes de alimentación y módulos de memoria.

Aumento de los Costes Operativos

a) Mayor Consumo Energético: Para compensar los puntos calientes, los sistemas de refrigeración pueden necesitar trabajar más intensamente, lo que aumenta el consumo energético y, por ende, los costos operativos.

b) Costos de Reemplazo y Reparación: El desgaste acelerado y las fallas prematuras de los componentes aumentan los gastos en reemplazos y reparaciones. Además, el tiempo de inactividad asociado con estas actividades puede tener un impacto financiero significativo.

"Paradas no planificadas con grandes periodos de inactividad; errores en la lectura o escritura de datos que pueden reducir la confiabilidad general del sistema afectando a la integridad de los datos almacenados o procesados; o incumplimiento de las normativas específicas de temperatura y eficiencia energética conllevando a posibles sanciones y pérdidas de certificaciones, son algunas de las consecuencias de acumulación de puntos calientes".

Enfoque para la eliminación de los "Puntos Calientes"

Una opción para evitar los "puntos calientes" que causan fallos es "neutralizar" las cargas térmicas para mantenerlas por debajo de los niveles anteriores utilizando enfriadores traseros (también llamadas puertas refrigeradas) para racks, trabajando al mismo tiempo con el sistema de enfriamiento existente.

En el dibujo adjunto es posible ver el flujo de aire en el rack. El aire entra en el rack a 23ºC, dentro del rack se calienta, por ejemplo, a 35ºC. Y cuando el aire cruza la bobina del enfriador trasero, se enfría a 22-23ºC.

Esquema del flujo de aire en un rack con Puerta Refrigerada

Como la temperatura del aire de entrada es casi igual a la del aire de salida, se puede decir que el enfriador trasero neutraliza la carga térmica del rack.

En términos de enfoque de pasillo caliente/frío, el "pasillo caliente" en este caso es el espacio entre el rack y el enfriador trasero, supongamos 20 mm. A esta distancia tan pequeña se tiene la certeza de que no hay mezcla de aire caliente y frío.

¿Debería preocuparnos la circulación del aire en la sala del centro de datos?

En el siguiente dibujo, las flechas azules representan el flujo de aire a 23ºC y la flecha roja/azul representa el flujo de aire interno del rack (el aire se calienta al cruzar el equipo electrónico instalado en el rack).

Esquema de distribución de flujo de aire en una sala de racks @focuscooling

Como todo el aire en movimiento de la sala es frío, la refrigeración es excelente independientemente de:

La geometría de la sala
La altura del suelo elevado
La existencia de cableado dentro del suelo elevado

Solución de enfriamiento individual para Racks de HPC

Una característica importante del sistema basado en enfriadores traseros o Puertas Refrigeradas es que es factible tanto para proyectos grandes como para actualizar un proyecto pequeño de un solo rack, ya que se trata de un sistema modular aplicado para realizar una gestión individualizada por racks.

La instalación es tan simple como montar una Unidad Interior en la parte trasera de un rack. La Unidad Interior está equipada con una bobina de enfriamiento para reducir la temperatura del aire caliente de salida. Dentro de la bobina, el refrigerante se convierte en vapor. Como ya se ha mencionado, debido a la ubicación de la bobina, que está muy cerca del punto caliente, el aire caliente y el frío no se mezclan, lo que hace que el proceso termodinámico sea muy eficiente.

Esta energía se transporta a través de las tuberías de refrigerante hasta que el calor es expulsado por una unidad exterior. En esa unidad, el vapor se convierte en líquido y el refrigerante completa el ciclo regresando a la unidad interior.

Cada Unidad Interior se adapta continuamente a la carga y demanda específica de cada rack, evitando así un exceso o falta de enfriamiento, lo que lo convierte en un sistema muy eficiente y sostenible.

El sistema utiliza un refrigerante de alta eficiencia R134a. Este, ofrece una excelente transferencia de calor, mejorando la eficiencia y reduciendo el consumo energético. También puede trabajar muy eficientemente con R744 (CO2).

Ventajas significativas en la eliminación de Puntos Calientes y la gestión térmica de los equipos HPC

La refrigeración trasera de racks, mediante Puertas Refrigeradas ofrece varias ventajas significativas en la gestión térmica de data centers y entornos de HPC. Aquí se detallan las principales ventajas de este sistema:

1. Eficiencia en la Transferencia de Calor

Enfriamiento Directo: Su aplicación directa sobre el foco del calor permite una transferencia de calor más eficiente y rápida, sin necesidad de enfriar grandes volúmenes de aire en toda la sala.
Mejor Manejo del Calor: Al enfriar el aire caliente justo cuando sale de los equipos se evita la mezcla de aire caliente y frío, lo que mejora la eficiencia del sistema de refrigeración.

2. Reducción del Consumo de Energía

Optimización del Flujo de Aire: Al no tener la necesidad de mover grandes cantidades de aire se disminuye el consumo energético de los ventiladores y otros sistemas de gestión de aire.
Menor Dependencia del sistema general de Aire Acondicionado: Esto implica un ahorro significativo en costos de energía.

3. Ahorro en Espacio y Costos de Infraestructura

Diseño Compacto: Este sistema es robusto/compacto y se integra directamente en los racks, liberando espacio en la sala, pudiendo adaptarse a esquemas de planta irregulares.
Flexibilidad en la Implementación: Compatible con instalaciones nuevas y existentes, puede añadirse a los racks disponibles sin necesidad de modificaciones significativas en la infraestructura. Su estructura modular facilita la escalabilidad de los proyectos y la adaptación a futuros aumentos de densidad de equipos, sin interrupciones importantes en las operaciones.

4. Mejora en la Confiabilidad y Vida Útil de los Equipos

Condiciones Térmicas Óptimas: Al mantener una temperatura más constante y adecuada directamente en los equipos, se reduce el riesgo de sobrecalentamiento y se mejora la confiabilidad y vida útil de los servidores y otros componentes.
Reducción de Puntos Calientes: La neutralización de estos garantizan una refrigeración más uniforme y efectiva.

5. Reducción del Consumo de Agua

Menor Necesidad de Enfriamiento por Agua: Utilización de refrigerantes de alta eficiencia recuperables en lugar de agua.
Sostenibilidad Ambiental: Al reducir el consumo de agua, se promueve un enfoque más sostenible y se alinean mejor con las prácticas de conservación de recursos naturales.

6. Facilidad de Mantenimiento

Accesibilidad: Su disposición en la trasera del rack lo hace muy accesible para su mantenimiento, lo que permite una rápida intervención en caso de fallos o necesidades de mantenimiento rutinario.
Menos Componentes Críticos: Al estar ubicado cerca de los equipos, se simplifican los sistemas de distribución de refrigeración, reduciendo la cantidad de componentes que pueden requerir mantenimiento o sustitución.

¿Te ha parecido interesante este artículo? Si quieres ver una demo de estos sistemas puedes solicitarlo en focus@focuscooling.es

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