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Aug 08, 2023

Monofásico versus bifásico

Con el aumento continuo de la potencia de diseño térmico (TDP) de los chips, los métodos tradicionales de refrigeración por aire tienen dificultades para cumplir con los requisitos de refrigeración de los modernos centros de datos a hiperescala. Como resultado,

Con el aumento continuo de la potencia de diseño térmico (TDP) de los chips, los métodos tradicionales de refrigeración por aire tienen dificultades para cumplir con los requisitos de refrigeración de los modernos centros de datos a hiperescala.

Como resultado, la refrigeración líquida se ha convertido en una solución prometedora debido a la alta capacidad calorífica específica de los líquidos.

La refrigeración líquida se puede clasificar en dos tipos principales: refrigeración líquida monofásica y refrigeración líquida de dos fases. La distinción entre estos dos radica en si se produce un cambio de fase durante el proceso de enfriamiento.

El enfriamiento de dos fases, si bien ofrece una mayor capacidad de enfriamiento, también presenta varios desafíos, como costos más altos y preocupaciones regulatorias.

Los refrigerantes de dos fases se utilizan comúnmente tanto en enfriamiento por inmersión, donde todo el componente electrónico se sumerge en el refrigerante, como en enfriamiento directo al chip, donde el refrigerante entra en contacto directo con el chip.

En el enfriamiento monofásico de placa fría, se utiliza un refrigerante como agua glicol, que circula dentro de la placa fría mediante unidades de distribución de refrigerante (CDU).

El refrigerante absorbe calor por convección cuando pasa sobre las fuentes de calor (por ejemplo, GPU). Por otro lado, las placas frías o evaporadores de dos fases utilizan refrigerantes dieléctricos con bajas temperaturas de ebullición. En el enfriamiento de dos fases, la absorción de calor se produce principalmente a través del calor latente durante el cambio de fase del refrigerante.

A diferencia de la refrigeración monofásica, las placas frías bifásicas no dependen de bombas ni CDU para la circulación, sino que utilizan una autorregulación con temperatura controlada, lo que facilita el mantenimiento debido a la ausencia de componentes móviles.

Además, la mayoría de los refrigerantes de dos fases no son corrosivos, lo que permite una selección más amplia de materiales para el colector de rack y la carcasa de la placa fría y reduce los requisitos de mantenimiento.

Sin embargo, es importante señalar que algunos refrigerantes bifásicos contienen componentes fluorados orgánicos, lo que genera preocupación sobre su potencial de calentamiento global y su impacto ambiental.

La interrupción de la fabricación de determinadas sustancias polifluoroalquiladas (PFAS) por parte de empresas como 3M para finales de 2025 tendrá implicaciones tanto para las placas frías de dos fases como para el enfriamiento por inmersión de dos fases.

En el caso de placas frías monofásicas, la caída de presión es un parámetro crítico. La CDU bombea el refrigerante a través de colectores y desconexiones rápidas, y una caída de presión desigual puede provocar velocidades de flujo variables entre diferentes placas frías, lo que resulta en un enfriamiento desigual.

Si bien en teoría el caudal se puede controlar manualmente para lograr una capacidad de enfriamiento infinita, en la práctica, el refrigerante generalmente se bombea a una temperatura cercana a su punto de ebullición, lo que requiere el uso de alrededor del 20 por ciento de la velocidad máxima de bombeo para evitar la cavitación.

Esto impone barreras prácticas a la adopción, ya que lograr altas capacidades de enfriamiento requeriría un volumen significativo de agua, como 2,5 litros por minuto para una placa fría con una capacidad de enfriamiento de 1000W.

Se pueden encontrar más detalles sobre las placas frías monofásicas y bifásicas, junto con las consideraciones de materiales para las CDU y los colectores, en el último informe de investigación de IDTechEx Gestión térmica para centros de datos 2023-2043.

El enfriamiento por inmersión es conocido por su alta eficiencia de enfriamiento, ya que ofrece una efectividad de uso de energía parcial (pPUE) baja de 1.01, que es la más baja entre todos los enfoques de enfriamiento de centros de datos.

Sin embargo, debido a las regulaciones sobre PFAS y las preocupaciones ambientales, existe una tendencia hacia la transición al enfriamiento por inmersión monofásico y el uso de refrigerantes libres de PFAS y con bajo contenido de flúor.

Estas transiciones, aunque prometedoras, conllevan altos costos y complejidades operativas. Además, garantizar la compatibilidad entre el refrigerante líquido y los servidores sigue siendo un desafío constante.

Sin embargo, ha habido colaboraciones notables entre proveedores de refrigeración por inmersión y proveedores de servidores. Grandes empresas han iniciado proyectos piloto, lo que indica un creciente interés e inversión en tecnología de refrigeración por inmersión.

IDTechEx pronostica que los ingresos anuales del hardware de enfriamiento por inmersión superarán los 200 millones de dólares, lo que presenta una oportunidad importante para las partes interesadas de la industria.

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