El rápido crecimiento de las cargas de trabajo en HPC, inteligencia artificial (IA), machine learning (ML) y Big Data está provocando un incremento sin precedentes en la densidad térmica de los racks de servidores.
A lo largo de 2024 los centros de datos más avanzados ya están operando con racks de 80 kW y durante 2025 se espera que los racks alcancen 140 kW, impulsados por arquitecturas optimizadas para IA y computación intensiva.
Para 2028-2029 la proyección apunta a densidades de 220 kW por rack, lo que hará inviable el uso de refrigeración por aire como único sistema de disipación térmica, por lo que la refrigeración líquida y especialmente la refrigeración directa al chip (D2C), será imprescindible para garantizar la estabilidad térmica y la eficiencia energética en centros de datos modernos.
¿Por qué optar por refrigeración líquida en un centro de datos?
Estos servidores de alto rendimiento generan densidades de calor superiores a 30 kW por rack haciendo que hoy en día ya se haya quedado insuficiente el uso exclusivo de enfriamiento por aire forzado. La refrigeración líquida en el centro de datos en cambio ofrece una serie de ventajas clave que no se pueden obviar.
Los fluidos refrigerantes (agua desionizada, glicol-agua y fluidos dieléctricos) tienen una capacidad de transferencia de calor 3.500 veces superior a la del aire, por lo que disponen una mayor conductividad térmica permitiendo reducir la carga sobre los sistemas de climatización y permitiendo un diseño de data center más eficiente al disminuir la necesidad de contar con una infraestructura de enfriamiento por aire.
Además, reduce el PUE (Power Usage Effectiveness) al minimizar el consumo energético de los sistemas HVAC y optimizar la eficiencia energética del centro de datos. Finalmente, facilita la implementación de servidores de alto rendimiento sin limitaciones térmicas y permite contar con una mayor densidad computacional por rack.
Datos clave de la distribución del calor en un sistema D2C:
- 75% del calor se disipa mediante un circuito de líquido refrigerante.
- 25% del calor sigue dependiendo de sistemas de aire (CRAC/CRAH).
Aún con todas las ventajas que ofrece la refrigeración líquida y con las garantías de maximizar la disipación térmica, los sistemas híbridos (líquido + aire) siguen siendo necesarios para gestionar el calor residual generado por los componentes no refrigerados directamente.
Diseño de un sistema de refrigeración directa al chip
Ahora que ya conoces las ventajas de la refrigeración líquida directa al chip, es necesario conocer el sistema (los elementos fundamentales para garantizar una operación térmica eficiente y fiable), ya que requiere una integración avanzada con la infraestructura del data center.
Intercambiadores de calor y gestión del diferencial térmico (ΔT)
En el diseño de este sistema se incluirá un intercambiador de calor central para desacoplar los circuitos de alto ΔT y bajo ΔT y los vasos de expansión y válvulas de equilibrio de presión para mantener la estabilidad del flujo de refrigerante.
Punto crítico: Un diseño inadecuado del diferencial térmico puede generar fluctuaciones de temperatura en los procesadores afectando la estabilidad del sistema.
Regulación del flujo y control de presión
El control dinámico del flujo térmico viene dado por inversores de frecuencia en las bombas para adaptar el caudal de refrigerante a la demanda térmica en tiempo real, válvulas de bypass para equilibrar el flujo y evitar sobrepresiones y la regulación de la presión mediante sensores en los ramales primario y secundario del sistema.
Impacto técnico: Estos mecanismos evitan picos de presión, cavitación en las bombas y caídas de caudal optimizando el rendimiento térmico del data center.
Selección de bombas y regulación del caudal con VFD y VSD
Un sistema direc to chip requiere bombas de velocidad variable con control preciso para ajustar el caudal del refrigerante según la carga térmica del sistema, por lo que será necesario implementar:
- Variadores de frecuencia (VFD) que regulan la velocidad de la bomba mediante el ajuste de frecuencia y la tensión del suministro eléctrico además de optimizar el consumo energético y reducir la carga mecánica sobre los motores.
- Variadores de velocidad (VSD) que ajustan la velocidad del motor modificando la tensión y la corriente, aunque pueden generar distorsión armónica en la red eléctrica y en cargas parciales producir pérdidas energéticas y sobrecalentamiento en la bomba.
Recomendación: En centros de datos con racks de alta densidad es preferible la instalación de los VFD debido a su mayor eficiencia y menor impacto sobre la calidad del suministro eléctrico.
Implementación de válvulas y redundancia operativa
Será necesario contar con un uso extensivo de válvulas de aislamiento que permiten un mantenimiento sin interrupción del sistema y accesorios de servicio en puntos clave para facilitar la inspección y reemplazo de componentes.
Diseño optimizado: Este enfoque prioriza la mantenibilidad y la redundancia, esenciales en infraestructuras de misión crítica.
¿Es viable la refrigeración directa al chip en todos los CPD?
La implementación de D2C no es una solución universal y debe analizarse rigurosamente en función de la infraestructura crítica existente, el modelo operativo y la compatibilidad con el hardware.
Los centros de datos ideales para implementar la tecnología de refrigeración líquida direct to chip serán centros de cómputo con racks que superan los 30-50 kW como los de HPC, IA y big data, data centers que buscan maximizar la capacidad térmica por unidad de espacio e instalaciones de Edge Computing ya que son instalaciones compactas con limitaciones de refrigeración por aire.
Por todo ello, antes de implementar D2C es imprescindible un análisis de viabilidad considerando varios aspectos fundamentales como la compatibilidad de hardware, la redundancia y el retorno de inversión.
¿Y si necesito implementarlo en mi Data Center actual?
La adopción de refrigeración líquida en centros de datos existentes se ha vuelto no solo posible, sino también práctica gracias a tecnologías de acoplamiento lateral, que permiten añadir módulos de refrigeración sin modificar la estructura principal de los racks estándar de 19”. Estos sistemas, conocidos como sidecars térmicos, pueden manejar cargas térmicas superiores a los 50 kW por rack, e incluso escalar hasta los 100 kW en configuraciones optimizadas. Esto es crucial en escenarios donde se integran aceleradores como las GPU de última generación de Nvidia, cuyo TDP (Thermal Design Power) puede superar fácilmente los 700 W por unidad en configuraciones como las H100 o sus versiones para servidores HGX.
El principio de funcionamiento se basa en circuitos cerrados de líquido refrigerante (generalmente agua tratada o glicoles), que recorren bloques térmicos directamente acoplados a los componentes críticos. El calor absorbido se transfiere a un intercambiador lateral, que a su vez lo expulsa hacia una red secundaria o hacia sistemas externos como dry coolers o enfriadoras. La ventaja clave de este enfoque es que puede coexistir con sistemas de aire ya existentes, lo que permite una transición híbrida y progresiva. Además, la instalación de estos módulos laterales suele requerir solo un espacio adicional contiguo al rack y conexión hidráulica al sistema de distribución térmica, lo que minimiza los tiempos de parada y reduce los costes de intervención estructural.
Este tipo de solución también mejora la eficiencia energética general del Data Center, con PUE (Power Usage Effectiveness) potencialmente por debajo de 1.2 en entornos bien diseñados, gracias a la capacidad del líquido de transportar el calor de forma mucho más eficiente que el aire.
