Comparación de enfriamiento por inmersión monofásico y bifásico

Introducción: el imperativo del enfriamiento por inmersión para la computación de alta densidad

El mundo digital funciona con centros de datos y, a medida que nuestra dependencia de los datos crece exponencialmente, también lo hace la energía consumida (y el calor generado) por estas instalaciones críticas. El auge de la inteligencia artificial (IA), la informática de alto rendimiento (HPC) y el hardware de servidor cada vez más denso han llevado los métodos tradicionales de refrigeración por aire a su punto límite. Las densidades de calor dentro de los racks de servidores están aumentando, lo que hace que la gestión térmica eficiente sea primordial para la estabilidad operativa, la longevidad del hardware y la sostenibilidad ambiental.  

Ingrese enfriamiento por inmersión, a un enfoque transformador que va más allá del aire y pone el líquido directamente en contacto con componentes generadores de calor. Al sumergir el hardware de TI en fluidos dieléctricos (no conductores) especializados, el enfriamiento por inmersión ofrece capacidades de transferencia de calor muy superiores. Sin embargo, el 'enfriamiento por inmersión' no es monolítico; Abarca principalmente dos tecnologías distintas: enfriamiento por inmersión monofásico (1-PIC) y enfriamiento por inmersión en dos fases (2-PIC) . Comprender las diferencias, ventajas y compensaciones fundamentales entre estos dos enfoques es crucial para tomar decisiones informadas sobre la refrigeración de centros de datos de próxima generación. Este artículo proporciona una comparación completa para guiar esa elección.  

Desmitificando el enfriamiento por inmersión monofásico (1-PIC)

Cómo funciona: el enfoque de convección y circulación 

En un sistema de refrigeración por inmersión monofásico, los equipos informáticos (servidores, GPU, ASIC) se sumergen vertical u horizontalmente en un tanque lleno de un refrigerante dieléctrico. El calor generado por los componentes se transfiere directamente al fluido circundante principalmente a través de convección. Fundamentalmente, el refrigerante permanece en su estado líquido durante todo este proceso de enfriamiento primario, de ahí que sea 'monofásico'.  

Para eliminar el calor absorbido, el fluido dieléctrico calentado se hace circular activamente mediante bombas fuera del tanque de inmersión. Fluye a una unidad externa de rechazo de calor, generalmente una unidad de distribución de refrigerante (CDU), que contiene un intercambiador de calor (a menudo de líquido a líquido). Aquí, el calor se transfiere desde el refrigerante dieléctrico a un circuito secundario, normalmente agua de la instalación. Luego, el fluido dieléctrico ahora enfriado se bombea nuevamente al tanque de inmersión para continuar el ciclo de enfriamiento.  

Características y componentes clave

• Fluidos: normalmente utilizan fluidos de ingeniería a base de hidrocarburos (como aceites minerales o aceites sintéticos) caracterizados por puntos de ebullición relativamente altos, baja volatilidad (lo que reduce la pérdida por evaporación), buena estabilidad térmica y, a menudo, un costo más bajo en comparación con los fluidos de dos fases.  

• Hardware: Requiere tanques (que pueden diseñarse como baños abiertos o unidades selladas), bombas robustas capaces de manejar la viscosidad y los caudales del fluido dieléctrico, y CDU o intercambiadores de calor externos para interactuar con el sistema de rechazo de calor de la instalación.

Desmitificando el enfriamiento por inmersión en dos fases (2-PIC)

Cómo funciona: el ciclo de ebullición y condensación 

El enfriamiento por inmersión de dos fases también implica sumergir el hardware en un fluido dieléctrico, pero con una diferencia clave: el fluido está diseñado específicamente para tener un punto de ebullición muy bajo (a menudo alrededor de 50-60 °C o 120-140 °F a presión de funcionamiento).  

A medida que los componentes se calientan, hacen que el fluido circundante hierva directamente sobre sus superficies. Este cambio de fase de líquido a vapor absorbe una gran cantidad de energía (calor latente de vaporización) de manera muy eficiente y a una temperatura casi constante. El vapor generado, al ser menos denso, sube naturalmente a la parte superior del tanque. Allí, se encuentra con un condensador (normalmente serpentines enfriados por agua de la instalación u otro circuito secundario) integrado en la tapa del tanque o en la sección superior. El vapor libera su calor latente al condensador, vuelve a convertirse en líquido y luego vuelve a gotear al baño de fluido principal por gravedad. Este ciclo interno de ebullición/condensación proporciona el mecanismo de enfriamiento primario, eliminando en gran medida la necesidad de bombas para hacer circular el fluido dieléctrico primario dentro del tanque mismo.  

Características y componentes clave

• Fluidos:   Emplea fluidos dieléctricos fluoroquímicos especializados con bajos puntos de ebullición. Sin embargo, en el panorama regulatorio actual, los fluidos heredados como la serie 3M Novec se han enfrentado a eliminaciones globales debido a las estrictas regulaciones ambientales sobre PFAS (sustancias perfluoroalquiladas y polifluoroalquiladas)..

• Los sistemas 2-PIC modernos deben sortear estos obstáculos en el cumplimiento de los productos químicos mediante la transición a formulaciones de próxima generación, sin PFAS y con bajo PCA (potencial de calentamiento global). Debido a que estos fluidos que cumplen con las normas son altamente volátiles y extremadamente costosos, mantener un ambiente de tanque sellado sin fugas absolutas es fundamental para evitar pérdidas catastróficas de fluidos y sobrecostos operativos.

• Hardware: Requiere tanques cuidadosamente diseñados que generalmente están sellados o semi-sellados para controlar la presión de vapor y minimizar la pérdida de fluidos volátiles y costosos. Los condensadores integrados son componentes críticos. Si bien a menudo se elimina el bombeo de fluido primario dentro del tanque, aún se necesitan bombas para el circuito externo que enfría el condensador.

Comparación directa: diferencias clave entre 1-PIC y 2-PIC

Comprender los matices entre estas tecnologías requiere una comparación directa entre varias áreas clave:

Mecanismo de transferencia de calor y eficiencia

• 1-PIC: Se basa en la transferencia de calor sensible mediante convección. La eficiencia depende de las propiedades del fluido (conductividad térmica, calor específico, viscosidad) y del caudal generado por las bombas. Eficaz, pero menos eficiente en el punto de absorción de calor que la ebullición.

• 2-PIC: Se basa principalmente en la transferencia de calor latente mediante ebullición nucleada . Este mecanismo tiene coeficientes de transferencia de calor inherentemente más altos, lo que permite una eliminación más eficiente del calor directamente de las superficies de los componentes.

Densidad de potencia máxima

• 1-PIC: Capaz de manejar altas densidades de rack, a menudo citadas hasta 100 kW o incluso acercándose a 200 kW por rack, según la implementación específica y el fluido utilizado.

• 2-PIC: generalmente se considera capaz de manejar densidades de potencia máximas más altas, que a menudo superan los 200-250 kW por rack y potencialmente mucho más altas, debido a la eficiencia superior de la transferencia de calor en ebullición. Esto lo hace atractivo para las aplicaciones informáticas más extremas.

Rendimiento térmico y uniformidad

• 1-PIC: Puede lograr un buen control de temperatura, pero inherentemente habrá un aumento de temperatura en el fluido a medida que pasa por los componentes y un gradiente de temperatura a través del sistema.

• 2-PIC: El proceso de ebullición se produce a una temperatura de saturación casi constante (dependiente de la presión). Por lo general, esto da como resultado una excelente uniformidad de temperatura en las superficies de los componentes sumergidos, lo que reduce el estrés térmico y mitiga los puntos calientes de manera más efectiva.

Fluidos de trabajo

• 1-PIC: Utiliza aceites/sintéticos de mayor punto de ebullición. Generalmente, un costo más bajo, una volatilidad mucho menor (pérdida por evaporación mínima), un manejo más simple y, a menudo, menos preocupaciones ambientales (dependiendo del fluido específico).  

• 2-PIC: Utiliza fluoroquímicos de bajo punto de ebullición. Costos significativamente más altos, alta volatilidad (requiere sistemas sellados para evitar pérdidas costosas), GWP potencialmente mayor para algunos fluidos (aunque las opciones más nuevas están mejorando) y consideraciones regulatorias en torno a los químicos PFAS. Son imprescindibles excelentes propiedades dieléctricas.

Hardware e infraestructura del sistema

• 1-PIC: concepto más simple: requiere bombas de circuito primario robustas y CDU externas. El diseño del tanque puede ser menos complejo (los baños abiertos son comunes, lo que simplifica el acceso).  

• 2-PIC: Elimina las bombas de circuito primario, pero requiere condensadores integrados eficientes y tanques sellados/semi-sellados, lo que agrega complejidad y potencialmente costo al diseño del tanque en sí. Todavía requiere un circuito externo para enfriar el condensador.  

Eficiencia energética (PUE - Efectividad del uso de energía)

• Tanto 1-PIC como 2-PIC ofrecen mejoras espectaculares de PUE con respecto al enfriamiento por aire tradicional, logrando a menudo cifras muy cercanas al ideal (1,0).  

• 2-PIC a menudo presenta una ligera ventaja (p. ej., PUE potencialmente tan bajo como 1,01-1,02) debido a la eliminación de la energía de bombeo primaria y la transferencia de calor altamente eficiente.  

• 1-PIC PUE también es excelente (p. ej., 1.02-1.03 o mejor), y la energía de enfriamiento principal proviene de las bombas de circulación primaria y del sistema externo de rechazo de calor (común a ambos). El PUE en el mundo real depende en gran medida del diseño, la escala y la integración específicos con la refrigeración de las instalaciones.

Mantenimiento y facilidad de servicio

• 1-PIC: A menudo se percibe como más fácil de mantener. Los diseños de baños abiertos permiten el acceso directo al hardware (aunque es necesario controlar el goteo de líquidos). Los fluidos son menos volátiles y generalmente más fáciles de manejar.

• 2-PIC: El mantenimiento puede ser más complejo. Es posible que sea necesario abrir los tanques sellados con cuidado para minimizar la pérdida de vapor. La manipulación de fluidos volátiles requiere procedimientos específicos. Algunas fuentes afirman que el mantenimiento es más sencillo, ya que no es necesario drenar el líquido para cambiar los componentes, pero la gestión del vapor sigue siendo una consideración clave.

Pros y contras resumidos: una visión equilibrada

Enfriamiento por inmersión monofásico (1-PIC)

• Ventajas:

• Mecánica de sistema más simple y complejidad de hardware potencialmente menor.  

• Menor costo y mucha menor volatilidad de los fluidos de trabajo.

• Manejo de fluidos más sencillo y acceso potencialmente más sencillo al hardware (baño abierto).

• Tecnología madura y ampliamente implementada.

• Contras:

• Capacidad de densidad de calor máxima más baja en comparación con 2-PIC.

• Requiere una cantidad significativa de energía para el bombeo de fluido primario.

• Menos uniformidad de temperatura inherente en comparación con la ebullición.

Enfriamiento por inmersión bifásico (2-PIC)

• Ventajas:

• Máxima eficiencia de transferencia de calor y capacidad para densidades de potencia extremas.

• Excelente uniformidad de temperatura debido a la ebullición isotérmica.

• Elimina la energía de bombeo de fluido primario (aunque el circuito del condensador aún necesita enfriamiento).

• Potencialmente el PUE más bajo posible.

• Contras:

• Mayor complejidad del sistema (tanques sellados, condensadores, gestión de vapor).

• Costo de fluido significativamente mayor y alta volatilidad (requiere sellado, riesgo de pérdida).

• Preocupaciones ambientales/regulatorias asociadas con algunos fluidos fluorados (GWP, PFAS).

• Procedimientos de mantenimiento potencialmente más complejos.

Puntos óptimos de aplicación: adaptación de la tecnología a las necesidades

La elección entre 1-PIC y 2-PIC no siempre es clara y depende en gran medida de requisitos específicos:

• A menudo se prefiere 1-PIC para aplicaciones que requieren mejoras significativas de densidad en comparación con la refrigeración por aire (hasta el rango de ~100-200 kW/rack) donde la simplicidad, el menor costo inicial y la facilidad de operación son altas prioridades. Es una solución sólida y probada para muchos centros de datos empresariales, HPC y AI.

• 2-PIC generalmente se considera para aplicaciones que superan los límites absolutos de la densidad de potencia (>200 kW/rack), como supercomputadoras de vanguardia, grupos de entrenamiento extremos de IA/ML o electrónica especializada de alto flujo donde el máximo rendimiento térmico y el PUE más bajo posible son primordiales, y la mayor complejidad/costo puede justificarse.

Factores como CAPEX inicial, OPEX a largo plazo, cumplimiento ambiental local y escalabilidad preparada para el futuro dictan el camino arquitectónico final.

Para cerrar la brecha entre una infraestructura 1-PIC más simple y una densidad térmica extrema 2-PIC, Winshare Thermal trabaja con arquitectos de centros de datos globales para implementar soluciones híbridas de refrigeración líquida de alta potencia..

Al utilizar nuestras placas frías líquidas directas al chip (D2C) de resistencia térmica ultrabaja para los ASIC/GPU de mayor potencia, junto con la inmersión en aceite monofásica escalable para componentes secundarios, ayudamos a las instalaciones a lograr un PUE casi perfecto sin los riesgos regulatorios y los costos de alta volatilidad de fluidos asociados con los sistemas de inmersión completos de dos fases.

Navegando por el debate fluido y las tendencias futuras

El desarrollo de fluidos refrigerantes por inmersión está en curso. Para 2-PIC, una importante investigación se centra en la creación de nuevos fluidos con un PCA más bajo, una compatibilidad de materiales mejorada y costos más bajos, manteniendo al mismo tiempo excelentes propiedades térmicas y dieléctricas. Las regulaciones que rodean a los productos químicos PFAS pueden influir en las elecciones futuras de fluidos. Para 1-PIC, continúan los avances en la optimización de las propiedades del fluido para una mejor conductividad térmica y una menor viscosidad. También es posible que veamos surgir enfoques híbridos que intenten combinar los beneficios de ambas tecnologías.  

Conclusión: elegir la opción de refrigeración por inmersión adecuada para su instalación

Tanto el enfriamiento por inmersión monofásico como el de dos fases representan avances innovadores en la gestión térmica de los centros de datos, y ofrecen mejoras sustanciales en eficiencia, densidad y sostenibilidad en comparación con el enfriamiento por aire tradicional. 1-PIC proporciona un camino más simple y, a menudo, más rentable hacia la refrigeración líquida de alta densidad utilizando fluidos menos volátiles. 2-PIC ofrece lo máximo en rendimiento de transferencia de calor, permitiendo densidades de potencia extremas, pero conlleva una mayor complejidad y consideraciones en torno al costo de los fluidos, la volatilidad y el impacto ambiental.  

La elección óptima no es universal. Exige una evaluación exhaustiva de las necesidades actuales y futuras de densidad de energía, presupuestos operativos y de capital, experiencia técnica, tolerancia al riesgo y objetivos de sostenibilidad. Una evaluación cuidadosa y, a menudo, una consulta con expertos en refrigeración son esenciales para seleccionar la estrategia de refrigeración por inmersión que mejor se alinee con los objetivos específicos de una instalación.

Winshare Thermal: experiencia en soluciones avanzadas de refrigeración líquida

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