Les méthodes modernes de refroidissement pour votre datacenter

La stratégie du confinement reste efficace

Le confinement est une extension du concept allée froide / allée chaude qui a été adopté par un grand nombre de datacenters modernes. Les extrémités des rangées de serveurs sont bloquées par des portes ou des rideaux en plastique pour éviter un mélange supplémentaire de l'air. Si les portes ferment les allées chaudes, on parle de confinement d’allée chaude. Si elles ferment allées froides, on parle de confinement d'allée froide. Si seules les extrémités des allées chaudes et froides sont bloquées, on parle de confinement partiel. Et des barrières sont érigées au-dessus des allées, ou des armoires jusqu'au plafond, on parle de confinement total.
Selon les estimations les plus courantes, le confinement partiel est jusqu'à 80% aussi efficace que le confinement total, et les deux sont utiles pour améliorer le refroidissement et l'efficacité énergétique dans les deux nouveaux et existants des centres de données.

Dans les salles machines existantes, la principale préoccupation est la protection incendie. L'isolement complet peut bloquer la dispersion de l'eau ou empêcher la suppression de gaz, ce qui est dangereux et illégal dans certains pays. Il existe trois solutions à ce problème : l'installation de gicleurs et / ou de têtes de gaz inertes dans les allées chaudes et froides. L’autre est la mise en place de barrières mobiles qui peuvent être ouvertes électriquement lors de la détection de fumée.

Accroître l’efficacité du refroidissement : les échangeurs de chaleur à roue rotative et le refroidissement adiabatique

les échangeurs de chaleur à roue rotative (dont une variante est aussi appelée roue de Kyoto) sont des dispositifs à rotation lente avec plusieurs chambres à air. La moitié de la roue est à l'extérieur, et, comme la roue tourne, l'air frais de l'extérieur est amené dans le centre de données. L'air chaud est collecté et emmené à l'extérieur. Ces roues sophistiquées agissent comme des échangeurs de chaleur pendant le cycle de rotation et n’apportent qu’une petite quantité d'air extérieur. Très peu d'énergie est nécessaire pour faire tourner les roues, et elles sont efficaces dans la plupart des types de climats. De toutes les formes de "free cooling" (une technique qui permet d’utiliser l'air ambiant plutôt que de réfrigération mécanique pour refroidir), les échangeurs de chaleur à roue rotative sont probablement les plus efficaces en matière de PUE.

Le refroidissement adiabatique ou refroidissement par évaporation s’appuie sur une propriété physique bien connue. Changer l'eau de l'état liquide à la vapeur consomme de la chaleur, donc si l’on pulvérise de l'eau en plein air dans un climat chaud et sec, l'eau va s'évaporer rapidement et puis refroidir (ce principe est utilisé par les systèmes de brumisation en plein air). Appliquée au datacenter, cette technique consiste à faire passer un flux d’air chaud dans une chambre et à y vaporiser de l’eau. L'air sera refroidi en consommant une fraction de l’eau habituellement utilisée par un système de refroidissement traditionnel. Ainsi, le refroidissement adiabatique est un moyen de dissipation de la chaleur à faible consommation d'énergie et la quantité d'eau utilisée dans le procédé est généralement inférieure à ce qui est consommé par les tours de refroidissement. Ce système requiert toutefois des filtres et un ajustement précis du niveau d’humidité, sous peine de condensation sur les équipements à refroidir.

Les systèmes de refroidissement d’allées, alternative aux CRAC

Une autre technique apparue au cours des dernières années est celle des systèmes de refroidissement d’allées (ou In-Row Cooling). L’idée est de déplacer les fonctions remplies par les grandes unités de climatisation de datacenter (ou unités CRAC pour Computer Room Air Conditionning) du périmètre de la salle dans les rangées du datacenter. Les unités de refroidissement « In-Row » sont conçues comme des armoires rackables et s’insèrent au cœur des rangées d’équipements informatiques ou aux extrémités des rangées. Elles délivrent l’air froid directement dans les allées froides devant les armoires. Tout aussi important, elles puisent l'air d'évacuation des allées chaudes directement à l'arrière de chaque unité de refroidissement, ce qui laisse peu d'air chaud à recirculer - même s'il y a un chemin ouvert, comme dans une conception de confinement partiel. Étant donné que les chemins d'air sont courts, la puissance des ventilateurs requis est faible par rapport à ceux des unités de périmètre.

Certains systèmes de refroidissement d’allées inclus des mécanismes permettant de contrôler la direction du flux d’air. Ils utilisent des ventilateurs à haute efficacité avec un contrôle à vitesse variable pour faire correspondre automatiquement le niveau de froid au dégagement de chaleur, ce qui permet de limiter un peu plus la consommation d'énergie. La méthode de contrôle la plus courante repose sur des capteurs attachés en face avant des portes d'armoires de rack afin de surveiller la température d'entrée d'air et d'humidité.

Il est à noter que les unités de refroidissement d’allées s’appuient sur de multiples technologies (eau glacée, systèmes à base de gaz réfrigérés…). Certaines peuvent assurer le contrôle de l'humidité, ce qui signifie qu'elles ont besoin également d’un mécanisme d’évacuation pour les condensats.

Le principal inconvénient des unités de refroidissement d’allées est qu’elles viennent s’intercaler entre les rangées d’équipements informatiques ce qui peut perturber la continuité des racks dans certaines configurations. Elles occupent aussi une partie de l’espace traditionnellement dédié aux racks de serveurs et d’équipements (en général entre 12 et 30 pouces par unité). Mais Cette perte est compensée par le gain d’espace liée à l’élimination des CRAC.

Les fabricants proposent aussi désormais des unités de refroidissement qui s’installent au-dessus des racks (en général à base de gaz réfrigéré, ce qui élimine le risque de fuite d’eau réfrigérée). Ces systèmes ont l’avantage d’avoir une efficacité énergétique élevée et de n’occuper aucun espace au sol. Ils sont le plus souvent utilisés pour compléter les CRAC afin de fournir un refroidissement supplémentaire directement aux armoires à haute densité – les CRAC gérant le refroidissement des racks à basse densité et le contrôle de l'humidité.

Les portes arrières de rack réfrigérées sont aussi de plus en plus utilisées dans les infrastructures à très haute densité pour remplacer les portes arrière perforées des armoires classiques. L’air chaud expulsé par les équipements informatiques se déplace à travers les bobines réfrigérées à l’eau des portes et se refroidit à leur contact. Si le système est bien conçu, les températures d'entrée et de sortie d’air sont similaires.

Portes refroidissantes et armoires réfrigérées : pour les architectures denses

Un grand avantage de des refroidisseurs (dit RDHx pour Rear Door Heat exchanger) est leur capacité à travailler avec de l'eau tiède. Les systèmes de refroidissements historiques utilisent de l’eau à 7° mais les bâtiments plus récents utilisent de l'eau à 15 ou 16 °C. Et l’un des atouts des RDHx est qu’ils ont des performances élevées même à ces températures. Un autre atout est que ces portes existent pour la plupart des marques et tailles de racks. Leur principal inconvénient est qu’elles accroissent encore un peu plus la profondeur des racks (de 10 à 15 cm) et qu’il faut apporter de l’eau réfrigérée au pied de chaque rack pour la porte.

Les armoires auto réfrigérées peuvent aussi être une solution pour l’hébergement de racks à très haute densité et elles permettent d’accroître la densité des équipements sans avoir à refondre en masse le design d’un datacenter. Ces systèmes entièrement clos s’appuient sur de l’eau glacée ou des gaz réfrigérés. Mais leur force est aussi leur faiblesse, notamment en cas de défaillance du système de refroidissement intégré. Puisqu’il faut alors que les systèmes en place dans le datacenter assure le refroidissement de serveurs de ces armoires (un mécanisme d’ouverture automatique des portes est généralement prévu en cas de panne).

Noyer ses serveurs : une solution d’avenir ?

Le refroidissement par immersion est une technique qui fait couler beaucoup d’encre depuis des années et qui est intéressante. Les serveurs sont entièrement immergés dans un bain de réfrigérant non conducteur, tel que de l'huile minérale pure ou un fluide comme le Novec 1230 de 3M – ce qui suppose l’utilisation de stockage SSD ou de disques durs scellés à l’Helium. L’un des atouts de cette technique est que l'inertie thermique du liquide peut maintenir les serveurs dans la tolérance de température en cas d'une panne des systèmes de refroidissement. Des systèmes peuvent être construits pour des capacités de 100 kW ou plus et peuvent fonctionner dans toutes les conditions climatiques sans installation de refroidissement. Les seules pièces mobiles sont la pompe de circulation, la pompe à eau du condenseur et les ventilateurs de la tour de refroidissement.

Le résultat est une efficacité énergétique extrême et une simplification drastique des installations de refroidissement. Le principal problème reste le besoin de refondre complètement les procédures de maintenance de serveurs dans le datacenter ainsi que le besoin de s’appuyer sur ses propres serveurs (aucun constructeur traditionnel ne produit à notre connaissance de serveurs adaptés à l’immersion).

Puisque nous abordons la question des fluides, terminons ce tour d’horizon avec le refroidissement liquide direct, proposé en standard ou en option par HP, IBM ou Bull sur certains de leurs serveurs denses pour le marché du HPC. Le concept n’est pas nouveau mais a connu une nouvelle jeunesse avec l’accroissement de la densité des installations HPC modernes. L’idée consiste à faire circuler soit de l'eau glacée soit un réfrigérant via un circuit parcourant le serveur (avec des dissipateurs positionnés sur les composants les plus sensibles tels que CPU, chipset, cartes graphiques…). Un échangeur thermique est en général placé dans chaque rack, mais dans certains cas, les circuits de refroidissements sont raccordés en central. 

Comme toujours, le principal point faible de cette technologie reste le risque de fuites et la gestion nécessaire des raccords de tuyauterie et des systèmes de câbles. Les fabricants estiment toutefois que leurs systèmes de connectique les plus récents permettent de minimiser ces risques.