Sobre o arrefecimento de centros de dados (data centers), os danos do sobreaquecimento, e alternativas 'líquidas' ao arrefecimento ar

Na era do Big Data, os centros de dados [data centers] tornaram-se formas indispensáveis ​​de infraestrutura e representam desafios estratégicos para os governos.

A plataforma Cloudscene lista atualmente mais de 11 800 centros de dados operacionais em todo o mundo.  (...) Os Estados Unidos dominam o mercado com 5 388 centros de dados listados em março de 2024, representando 45% do total global. Seguem-se a Alemanha (520), o Reino Unido (512), a China (449) e o Canadá (336). Com 316 centros de dados listados em março, a França ocupa a sexta posição mundial, à frente da Austrália, Holanda e Rússia.

Fonte: Statista

Um centro de dados é uma instalação utilizada para alojar e gerir diversos tipos de equipamentos de tecnologia de informação (TI), incluindo, entre outros, computadores de alta potência, servidores e equipamentos de rede. Facilita o armazenamento, a organização, o processamento e a partilha de informação e dados digitais, para além de outros serviços relacionados com as TIC (Sun e Lee, 2006).

Os centros de dados standard consistem em três partes principais: (I) equipamentos de tecnologia de informação (TI), que representam o componente funcional de um centro de dados; (II) sistemas de refrigeração, que previnem o sobreaquecimento e mantêm uma temperatura adequada para os equipamentos informáticos; e (III) unidades de distribuição de energia (PDUs), que alimentam simultaneamente a infraestrutura de refrigeração e o hardware de TI.

Fonte: Ahmed A. Alkrush, Mohamed S. Salem, O. Abdelrehim, A.A. Hegazi, Data centers cooling: A critical review of techniques, challenges, and energy saving solutions, International Journal of Refrigeration, 160 (2024) 246-262,

Centro de dados típicos, e respetiva a interligação de componentes. 

Destaque para o sistema de arrefecimento. 

Imagem: R. Rahmani, I. Moser, M. Seyedmahmoudian  A complete model for modular simulation of data centre power load (2018)

 Quão importante é o tema do sobreaquecimento nos data centers?

Apesar das novas classes de dispositivos da Sociedade Americana de Engenheiros de Aquecimento, Refrigeração e Ar Condicionado (ASHRAE), a temperatura média de funcionamento dos data centers praticamente não se alterou[21], mantendo-se entre os 20 e os 24 °C. Mesmo com a instalação de equipamentos mais modernos, capazes de suportar gamas de temperatura mais amplas, as temperaturas ambiente não são frequentemente ajustadas para se adequarem às mesmas. Esta relutância em alargar as gamas de operação deve-se principalmente a preocupações com a fiabilidade do hardware de TI, a redução do tempo de resposta para lidar com falhas de refrigeração, problemas de garantia e a potencial diminuição da eficiência dos servidores. A falta de investigação, consenso na indústria e dados históricos agravam estas preocupações.

Em 2011, a ASHRAE investigou as taxas relativas de falha dos servidores ao elevar a temperatura acima dos 20 °C, com base em dados de fiabilidade de vários fornecedores de hardware [20]. O funcionamento contínuo a 27 °C, em comparação com 20 °C, aumentou a taxa de falhas dos servidores em 1,2 vezes, atingindo 1,6 vezes a 35 °C.

Fonte: S. Clement, K. Burdett, N. Rteil, A. Wynne and R. Kenny, "Is Hot IT a False Economy? An Analysis of Server and Data Center Energy Efficiency as Temperatures Rise," in IEEE Transactions on Sustainable Computing, vol. 9, no. 3, pp. 482-493

O arrefecimento a ar e as alternativas de arrefecimento líquido:

Como alternativa ao arrefecimento a ar, existem quatro técnicas principais de arrefecimento líquido: arrefecimento indireto a água com permutadores de calor na porta traseira, arrefecimento líquido direto utilizando blocos de água ou evaporadores, arrefecimento monofásico e arrefecimento por imersão bifásico.

Visão geral do esquema de arrefecimento de um data center, com arrefecimento a ar na parte superior e quatro tipos principais de técnicas de arrefecimento líquido abaixo.

Imagem: M.Azarifar, M.Arik, J. Chang, Liquid cooling of data centers: A necessity facing challenges, Applied Thermal Engineering, 247 (2024) 123112.

1. O arrefecimento indireto a água com permutadores de calor na porta traseira é uma adaptação simples do arrefecimento a água para reduzir o consumo de energia dos centros de dados existentes com arrefecimento a ar, mas enfrenta as mesmas limitações que o arrefecimento a ar para servidores de alta potência. Com melhorias como a redução da fuga de ar quente, permutadores de calor ativos na porta traseira e a implementação em locais propícios ao arrefecimento natural, esta abordagem poderá proporcionar data centers altamente eficientes num futuro próximo.

2. O arrefecimento líquido direto é adequado para satisfazer as crescentes exigências de potência de projeto térmico, com o maior coeficiente de transferência de calor reportado de 25 W/cm²-K, utilizando microjatos de água num coletor sobre o chip. As tecnologias emergentes incluem novos sistemas de termossifão, refrigeração/impacto no chip/na tampa, impacto bifásico e arrefecimento por microcanais no/dentro do chip. Neste método, o arrefecimento a ar é ainda necessário para os equipamentos periféricos, aumentando a complexidade e o consumo de energia. O arrefecimento por imersão tem o potencial de reduzir o tamanho da infraestrutura em um terço, em comparação com os data centers arrefecidos a ar.

3. O arrefecimento por imersão monofásico, embora seja o mais simples de implementar, é limitado pelas baixas propriedades termofísicas dos líquidos dielétricos e pela inexistência de um mecanismo de controlo de fluxo.

4. O arrefecimento por imersão bifásico enfrenta desafios significativos relacionados com a utilização de fluidos de engenharia com potencial de aquecimento global, riscos para a saúde e fiabilidade a longo prazo.

Fonte: M.Azarifar, M.Arik, J. Chang, Liquid cooling of data centers: A necessity facing challenges, Applied Thermal Engineering, 247 (2024) 123112.