Refrigeración por Inmersión

La demanda de información, la cantidad de nuevos usuarios con conexión a internet y por ende el procesamiento de datos, crece a un ritmo exponencial en todo el mundo. El internet de las cosas, la computación de alto rendimiento (HPC – High Performance Computing), Inteligencia Artificial (IA), los servicios en la nube y el Edge Computing, entre otros, están demandando un alto procesamiento de datos en tiempo real, lo que requiere potentes servidores.

Este crecimiento en el consumo de datos genera un desafío crítico: ¿cómo refrigerar eficientemente estos servidores sin aumentar costos y su impacto ambiental? 

Para responder a esta interrogante se han desarrollado numerosas soluciones, siendo la refrigeración por inmersión (consiste en sumergir el hardware en líquidos dieléctricos para disipar el calor), la tecnología revolucionaria que mayores beneficios ofrece en la actualidad. Con un estimado de consumo del 3% de la energía global por los centros de datos, adoptar métodos de refrigeración sostenibles no es una opción, sino una necesidad.

¿Qué se entiende por Refrigeración por Inmersión?

La refrigeración por inmersión es una técnica avanzada que se ha diseñado como sustituto de los sistemas tradicionales de enfriamiento (aire/agua). Consiste en sumergir los dispositivos electrónicos que conforman el centro de datos (servidores, tarjetas gráficas, equipos de minería de criptomonedas, entre otros) directamente en un líquido dieléctrico (no conductor de electricidad). Este tipo de líquido posee la capacidad de absorber el calor generado por los dispositivos y disipar el exterior de una manera más eficiente que los métodos tradicionales de refrigeración por aire

¿Cómo funciona?

Los líquidos dieléctricos poseen gran capacidad de penetración, por lo que están en contacto directo con los componentes. Este contacto le permite absorber el calor de la superficie y transportarlo lejos de los dispositivos para su disipación.

El calor puede disiparse mediante dos principales técnicas:

• Sistemas de circulación pasiva (el líquido se enfría naturalmente)
• Intercambiadores de calor externos (para sistemas más intensivos)

¿Por qué es necesario avanzar hacia la refrigeración por inmersión en Centros de Datos?

El avance hacia la refrigeración por inmersión en centros de datos se ha vuelto una necesidad crítica debido al creciente desarrollo tecnológico en materia de información y comunicación. Este crecimiento ha provocado mayores consumos energéticos y por ende un aumento de su impacto ambiental. Entre las principales ventajas de migrar hacia el enfriamiento por inmersión se encuentran: 

• Aumento de la densidad térmica: Los procesadores modernos consumen más energía y por ende generan más calor. Los sistemas de enfriamiento tradicionales no tienen capacidad de disipar este calor de manera eficiente. La inmersión elimina este problema, pues permite enfriar directamente los componentes. Estudios han demostrado que estos líquidos dieléctricos tienen capacidad térmica 1,000-5,000 veces superior que el aire. 

• Reducción del consumo energético: Aproximadamente el 40% de la energía que consumen los centros de datos, se destina a refrigeración con métodos tradicionales (Ventiladores y Aire Acondicionado). Se ha comprobado que la refrigeración por inmersión reduce el consumo energético total de un centro de datos entre un 30% – 50%. En el año 2022 Meta (Facebook) reportó un ahorro energético total del 40% en su centro de datos en Arizona al implementar refrigeración por inmersión.

• Escalabilidad: En empresas con espacio limitado, la inmersión permite instalar mayor cantidad de servidores en áreas reducidas, sin necesidad de dejar separaciones, como pasillos, para la libre circulación del flujo de aire. Empresas como Microsoft y Google en proyectos piloto, en cada rack, instalaron hasta 100kW en comparación con los 20 kW – 30kW que se instalaban, cuando el enfriamiento era por aire.

• Sostenibilidad ambiental: En una sociedad cada vez más preocupada con su huella de carbono, prioriza el uso de aquellas tecnologías que tienen un menor consumo de energía y por ende menor emisión al medio ambiente. Estas certificaciones verdes, constituyen un aval para las empresas. El calor capturado puede utilizarse para calentar edificios o usarse en procesos industriales, creando modelos de economía circular.

• Aumento de la útil del hardware: Los líquidos dieléctricos usados en el enfriamiento por inmersión, mantienen los componentes a una temperatura estable entre 40°C -50°C (sin picos térmicos). Este funcionamiento estable, unido a un ambiente sin polvo, humedad o vibraciones de ventiladores, reduce el índice de fallas. La empresa Bitcoin Miners reportó un aumento de hasta un 30% en la vida útil de sus gráficas enfriadas por inmersión.

Tipos de Refrigeración por Inmersión

• Monofásica (Fase Única): El líquido dieléctrico no cambia de estado (permanece en estado líquido durante todo el proceso). El calor se disipa mediante bombas que hacen circular el fluido dieléctrico hacia un radiador o intercambiador de calor donde se enfría. Entre las principales ventajas se encuentra su bajo requerimiento de mantenimiento y la fácil implementación.
• Bifásica (Dos Fases): El líquido hierve al absorber calor, para luego condensarse.  Este proceso se produce en un sistema cerrado que libera el calor al medio ambiente y reutiliza el líquido. Entre las ventajas de esta tecnología se encuentra una mayor eficiencia térmica (ideal para supercomputadoras). 

¿Monofásica o Bifásica? ¿Cuál elegir? 

La elección entre refrigeración por inmersión monofásica y bifásica depende de diversos factores, ya sean estos técnicos, económicos u operativos. Ambos sistemas poseen ventajas y limitaciones. Elegir la mejor opción siempre dependerá del contexto de aplicación. Antes de elegir el sistema le recomendamos tomar en cuenta los siguientes elementos:

• Densidad de potencia (kW por rack)

Monofásica: Ideal para cargas térmicas moderadas a altas (20 kW -100 kW por rack). Ejemplo de aplicación: Centros de datos empresariales o servidores en la nube.

Bifásica: Optimizada para cargas extremas que superen los >100 kW por rack. Ejemplo: Supercomputadoras, minería de criptomonedas o IA (como NVIDIA DGX).

• Eficiencia energética requerida

Monofásica: Reduce la “Eficacia en el Uso de la Energía” (PUE) a ~1.05-1.1. PUE es el indicador más utilizado para medir la eficiencia energética de un centro de datos.

Bifásica: Alcanza una “Eficacia en el Uso de la Energía” <1.05, gracias a la ebullición/condensación, que disipa calor más rápido.

• Presupuesto y costo total 

Monofásica: Menor inversión inicial (fluidos más baratos y sistemas abiertos). A largo plazo posee un consumo energético ligeramente mayor.

Bifásica: Ahorro energético máximo (hasta un 50% menor en comparación con los sistemas monofásicos).  Alto costo de fluidos (ejemplo: El líquido 3M™ Novec™ cuesta 200 USD y 500 USD por litro) y diseño hermético.

• Mantenimiento y operación

Monofásica: Fácil mantenimiento y acceso a componentes. Compatible con hardware estándar (no requiere sellado).

Bifásica: Requiere sistemas cerrados para evitar pérdidas de vapor. Durante el mantenimiento se deben aplicar medidas especiales para evitar caigan contaminantes que puedan degradar el fluido. 

• Adaptabilidad

Monofásica: Más adaptable a las infraestructuras y tecnologías existentes.

Bifásica: Mejor para instalaciones nuevas o diseños “desde cero”.

Independientemente del tipo de refrigeración por inmersión, ambas poseen riesgos y desafíos comunes:

Fugas: La fuga masiva de refrigeración provocaría un aumento drástico de la temperatura, creando en el menor de los casos interrupción en el servicio hasta daños irreversibles a los componentes electrónicos.

Personal calificado: El manejo de productos químicos y protocolos de seguridad específicos demandan personal con alta calificación.

Dependencia del proveedor (Vendor lock-in): Por lo novedosa de esta tecnología, el mercado de insumos, partes y accesorios está limitado. Algunos proveedores usan líquidos patentados y contratos restrictivos que le limitan usar solo sus productos, limitando la flexibilidad.

En resumen, se puede afirmar que los sistemas monofásicos son la opción más práctica y económica, mientras la bifásica es ideal para aquellos centros con mayor proyección de crecimiento y en donde el costo, justifique la ganancia en rendimiento. 

Futuro de la Refrigeración por Inmersión

La refrigeración por inmersión es la solución para enfrentar los crecientes desafíos energéticos, aportando una mayor eficiencia a los centros de datos escalables. Al migrar de los sistemas de enfriamiento tradicionales hacia tecnologías por inmersión no solo se reduce drásticamente el consumo energético y la huella de carbono, sino que permite adaptarse al crecimiento futuro para poder asimilar nuevas aplicaciones como la inteligencia artificial y el blockchain. 

La adopción masiva de la refrigeración por inmersión dependerá de la reducción de los costos iniciales, estandarización de fluidos dieléctricos imprescindibles y la superación de barreras tecnológicas. 

La refrigeración por inmersión no es solo una tendencia, es una alternativa que definirá el futuro de los centros de datos sostenibles.