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Aug 08, 2023

Monofásico versus bifásico

Com o aumento contínuo da potência de design térmico (TDP) dos chips, os métodos tradicionais de refrigeração a ar estão lutando para atender aos requisitos de refrigeração dos modernos data centers em hiperescala. Como resultado,

Com o aumento contínuo da potência de design térmico (TDP) dos chips, os métodos tradicionais de refrigeração a ar estão lutando para atender aos requisitos de refrigeração dos modernos data centers em hiperescala.

Como resultado, o resfriamento líquido surgiu como uma solução promissora devido à alta capacidade térmica específica dos líquidos.

O resfriamento líquido pode ser categorizado em dois tipos principais: resfriamento líquido monofásico e resfriamento líquido bifásico. A distinção entre estes dois reside na ocorrência ou não de uma mudança de fase durante o processo de resfriamento.

O resfriamento bifásico, embora ofereça maior capacidade de resfriamento, também apresenta vários desafios, como custos mais elevados e preocupações regulatórias.

Os refrigerantes bifásicos são comumente usados ​​tanto no resfriamento por imersão, onde todo o componente eletrônico é submerso no refrigerante, quanto no resfriamento direto ao chip, onde o refrigerante é colocado em contato direto com o chip.

No resfriamento monofásico da placa fria, é usado um refrigerante como água glicol, que circula dentro da placa fria por unidades de distribuição de refrigerante (CDUs).

O refrigerante absorve calor por convecção à medida que passa sobre as fontes de calor (por exemplo, GPUs). Por outro lado, placas frias ou evaporadores bifásicos utilizam refrigerantes dielétricos com baixas temperaturas de ebulição. No resfriamento bifásico, a absorção de calor ocorre principalmente através do calor latente durante a mudança de fase do refrigerante.

Ao contrário do resfriamento monofásico, as placas frias bifásicas não dependem de bombas e CDUs para circulação, mas usam autorregulação controlada por temperatura, resultando em manutenção mais fácil devido à ausência de componentes móveis.

Além disso, a maioria dos refrigerantes bifásicos não são corrosivos, permitindo uma ampla variedade de seleção de materiais para manifold de rack e alojamento de placa fria e reduzindo os requisitos de manutenção.

No entanto, é importante notar que alguns refrigerantes bifásicos contêm componentes orgânicos de flúor, o que levanta preocupações sobre o seu potencial de aquecimento global e impacto ambiental.

A descontinuação da fabricação de certas substâncias polifluoroalquílicas (PFAS) por empresas como a 3M até o final de 2025 terá implicações tanto para as placas frias bifásicas quanto para o resfriamento por imersão bifásico.

No caso de placas frias monofásicas, a queda de pressão é um parâmetro crítico. A CDU bombeia o refrigerante através de coletores e desconexões rápidas, e uma queda de pressão desigual pode levar a taxas de fluxo variadas entre diferentes placas frias, resultando em resfriamento desigual.

Embora a taxa de fluxo possa teoricamente ser controlada manualmente para atingir uma capacidade de resfriamento infinita, na prática, o refrigerante é normalmente bombeado a uma temperatura próxima ao seu ponto de ebulição, necessitando do uso de cerca de 20% da velocidade máxima de bombeamento para evitar a cavitação.

Isto impõe barreiras práticas à adoção, uma vez que alcançar elevadas capacidades de refrigeração exigiria um volume significativo de água, como 2,5 litros por minuto para uma placa fria com capacidade de refrigeração de 1000W.

Mais detalhes sobre as placas frias monofásicas e bifásicas, juntamente com as considerações de materiais para CDUs e manifolds, podem ser encontrados no último relatório de pesquisa da IDTechEx, Gerenciamento Térmico para Data Centers 2023-2043.

O resfriamento por imersão é conhecido por sua alta eficiência de resfriamento, oferecendo uma baixa eficácia de uso parcial de energia (pPUE) de 1,01, que é a mais baixa entre todas as abordagens de resfriamento de data centers.

No entanto, devido às regulamentações de PFAS e às preocupações ambientais, há uma tendência de transição para o resfriamento por imersão monofásico e de uso de refrigerantes sem PFAS e com baixo teor de flúor.

Estas transições, embora promissoras, acarretam custos elevados e complexidades operacionais. Além disso, garantir a compatibilidade entre o líquido refrigerante e os servidores continua sendo um desafio constante.

No entanto, tem havido colaborações notáveis ​​entre fornecedores de refrigeração por imersão e fornecedores de servidores. Grandes empresas iniciaram projetos piloto, indicando um crescente interesse e investimento na tecnologia de refrigeração por imersão.