Le monde étrange du refroidissement liquide pour les centres de données

En ce qui concerne les ordinateurs de bureau hautes performances, en particulier dans le monde des jeux, le refroidissement par eau est populaire et efficace. Cependant, dans le monde des centres de données, les serveurs s’appuient le plus souvent sur le refroidissement par air traditionnel, en combinaison avec d’énormes systèmes de climatisation qui maintiennent les salles de serveurs à la température appropriée.

Cependant, les centres de données peuvent également utiliser le refroidissement par eau ! Cela ne ressemble pas toujours à ce que vous attendez.

Rester au frais

Le refroidissement est d’une importance cruciale pour les centres de données. Laisser le matériel devenir trop chaud augmente les taux d’échec et peut même avoir un impact sur la disponibilité du service. Il utilise également une énorme quantité d’énergie, le refroidissement représentant jusqu’à 40 % de la consommation d’énergie dans un centre de données moyen. Cela se répercute également sur les coûts de fonctionnement, car l’énergie n’est pas bon marché.

Ainsi, tout gain d’efficacité dans le refroidissement d’un centre de données peut avoir une multitude d’avantages. Outre l’amélioration de la fiabilité et la réduction des émissions grâce à une consommation d’énergie réduite, la densité présente également des avantages. Plus le refroidissement est efficace, plus il y a de serveurs et de puissance de traitement pouvant être intégrés dans une empreinte donnée sans rencontrer de problèmes de surchauffe.

Les techniques de refroidissement par eau et par liquide peuvent potentiellement offrir un changement radical de performances par rapport au refroidissement par air traditionnel. Cela est dû au fait que l’air n’a pas une grande capacité thermique par rapport à l’eau ou à d’autres liquides de refroidissement spéciaux. Il est beaucoup plus facile de transférer une grande quantité de chaleur dans un liquide. Dans certaines juridictions, on parle même d’utiliser la chaleur résiduelle des centres de données pour fournir du chauffage urbain, ce qui est beaucoup plus facile avec une source de liquide chaud transportant la chaleur résiduelle par rapport à l’air chaud.

Cependant, le refroidissement liquide présente également des inconvénients. Les fuites peuvent endommager l’électronique si elles ne sont pas correctement gérées, et ces systèmes sont généralement plus complexes que de simples ventilateurs et systèmes de climatisation. Naturellement, cette performance de refroidissement améliorée vient à un compromis, sinon ce serait déjà la norme.

Diverses approches

La société danoise Asetek a expérimenté le refroidissement direct par eau du matériel de serveur, tout en explorant l’utilisation de la chaleur perdue à des fins de chauffage urbain. Crédit : communiqué de presse Asetek

L’approche de refroidissement par eau la plus évidente pour un centre de données consisterait à remplacer les ventilateurs de refroidissement des serveurs par des blocs d’eau et à relier les racks aux circuits de refroidissement par eau. Ceci est réalisable, certaines entreprises proposant des blocs de refroidissement directs sur puce qui peuvent ensuite être connectés à une boucle de refroidissement liquide plus large dans un rack de serveur de support. C’est la même théorie que le refroidissement par eau d’un PC de bureau, en remplaçant les ventilateurs et les dissipateurs thermiques par des blocs d’eau à la place. Cette méthode de refroidissement direct des serveurs à l’eau a l’avantage de pouvoir extraire beaucoup de chaleur, avec certaines demandes pouvant atteindre 80 kW par rack.

Cependant, cette approche présente plusieurs inconvénients. Il nécessite l’ouverture et la modification des serveurs avant l’installation dans le rack. Ceci n’est pas souhaitable pour de nombreux opérateurs, et toute erreur lors de l’installation peut introduire des défauts coûteux à corriger en temps et en équipement. Le service et la maintenance sont également compliqués par la nécessité de rompre les connexions de refroidissement par eau lors du retrait des serveurs, bien que cela soit quelque peu atténué par des raccords spéciaux à connexion rapide « sans gouttes ».

Une méthode moins invasive consiste à utiliser des serveurs réguliers refroidis à l’air qui sont placés dans des racks spéciaux refroidis à l’eau. Cette méthode supprime tout besoin de modifier le matériel du serveur. Au lieu de cela, des échangeurs de chaleur air-eau montés à l’arrière du rack de serveur captent la chaleur de l’échappement chaud du serveur et la déversent dans le liquide de refroidissement. L’air évacué est ainsi refroidi et retourne dans la pièce, tandis que le liquide de refroidissement évacue la chaleur perdue. Les tours de refroidissement sur le toit, comme celles illustrées en haut de cet article, peuvent ensuite être utilisées pour extraire la chaleur du liquide de refroidissement avant qu’il ne soit restitué. Ce n’est pas aussi efficace que de capter directement la chaleur d’un waterblock sur puce, mais on prétend que de tels systèmes peuvent extraire jusqu’à 45 kW de chaleur par rack.

En plus d’utiliser du matériel non modifié, le système réduit considérablement le risque de fuites. Toute fuite qui se produit se produira à l’arrière du rack du serveur, plutôt que directement sur les circuits imprimés du serveur. De plus, les systèmes fonctionnent généralement à une pression négative afin que l’air soit aspiré à partir de tout trou ou tube endommagé, plutôt que de laisser le liquide s’échapper.

Microsoft a dirigé un centre de données sous-marin dans un tube scellé en 2018. L’expérience présentait plusieurs avantages par rapport aux centres de données terrestres traditionnels. Crédit : Microsoft

Des méthodes plus extrêmes existent également. Microsoft a fait des vagues en exploitant un centre de données entièrement submergé au large des côtes écossaises en 2018. Avec un cluster de serveurs conventionnels installés dans un tube étanche, la chaleur a été rejetée dans les eaux environnantes, ce qui a maintenu les températures très stables. Le projet a duré deux ans et a révélé que l’atmosphère scellée et les basses températures étaient probablement responsables d’une augmentation de huit fois de la fiabilité. Le projet Natick, comme on l’appelait, promettait également d’autres avantages, tels que la réduction des coûts fonciers grâce à la localisation du matériel à l’étranger.

Cependant, Microsoft ne se repose pas sur ses lauriers et a récemment étudié des concepts encore plus fous. La société a développé un réservoir de refroidissement par immersion à deux phases pour une utilisation dans les centres de données. Dans cette conception, les serveurs conventionnels sont immergés dans un liquide exclusif développé par 3M, qui bout à une basse température de seulement 50 C (122 F). Lorsque le matériel du serveur se réchauffe, le liquide se réchauffe. Il aspire d’énormes quantités d’énergie dans ce qu’on appelle la chaleur latente de vaporisation, nécessaire à l’ébullition du liquide. Le liquide de refroidissement gazeux atteint ensuite le condenseur sur le couvercle du réservoir, redevient liquide et retombe sur les serveurs en dessous.

Microsoft a expérimenté le dumping des serveurs dans un liquide non conducteur qui refroidit le matériel immergé via un changement de phase en gaz. A noter le liquide bouillonnant réchauffé par la chaleur des serveurs. Crédit : Microsoft

La méthode d’immersion permet un excellent transfert de chaleur entre le matériel du serveur et le liquide de refroidissement. En prime, il ne se contente pas de refroidir une petite partie du processeur via un dissipateur thermique. Au lieu de cela, l’ensemble du serveur est libre de déverser de la chaleur dans le liquide. L’espoir est que cela permettrait une augmentation de la densité matérielle dans les centres de données, ainsi qu’une augmentation des performances, car la capacité de refroidissement élevée de la méthode d’immersion permet une meilleure évacuation de la chaleur dans un espace beaucoup plus petit.

Bien sûr, c’est une solution complexe et haut de gamme qui prendra un certain temps avant d’être prête pour le grand public. Les opérateurs de centres de données ne sont tout simplement pas habitués à tremper leur matériel dans un liquide, ni à les faire fonctionner dans des conteneurs scellés pour permettre à un tel système de fonctionner. Il est probable qu’il y aurait également des problèmes de maintenance, où les réservoirs d’immersion devraient être éteints avant de les ouvrir pour l’entretien physique du matériel à l’intérieur.

Alors que l’humanité continue de réclamer plus de puissance de calcul et que nous nous efforçons de réduire la consommation d’énergie et les émissions, attendez-vous à de nouveaux développements dans cet espace. La concurrence elle-même est également un grand moteur. Toute entreprise qui peut réduire les coûts de fonctionnement, l’utilisation des terres et trouver plus de performances aura un avantage sur ses concurrents sur le marché. Attendez-vous à ce que les systèmes de refroidissement par eau deviennent plus courants au fil du temps, et certaines des idées les plus farfelues soient achetées si leurs principaux avantages valent tous les tracas. C’est une période passionnante pour travailler dans l’ingénierie des centres de données, c’est certain.