Les gestionnaires de centres de données savent déjà que leurs équipements de stockage et réseau se densifient et que leurs centres de traitement consomment d’énormes quantités d’énergie, notamment à cause de la prolifération des microprocesseurs (CPU) multicœur et des processeurs graphiques (GPU). Un récent sondage du Uptime Institute démontre que la densité moyenne de serveurs par rack a plus que triplé de 2011 à 2020. Certains de ces racks consomment jusqu’à 16 kilowatts et les environnements informatiques à haute performance, de plus en plus utilisés pour les charges de travail en intelligence artificielle, peuvent exiger jusqu’à 50 kilowatts.
Depuis plus de 50 ans, la climatisation est l’approche classique utilisée pour refroidir les centres de données. Bien que cette option soit appropriée dans un contexte de charges de travail prévisibles, les scénarios de croissances exigent une approche différente. Les gestionnaires de données qui planifient à long terme n’ont pas le choix de s’adapter à des racks plus denses et tenir compte de l’impact de la climatisation sur la consommation d’énergie, la fiabilité de l’équipement et l’environnement. De plus, même si le refroidissement par air comporte certains avantages, il ne représente pas la meilleure solution à long terme lorsqu’il est comparé à d’autres approches. La technologie est bien comprise et les compétences dans le domaine sont nombreuses. Les systèmes sont devenus plus efficaces au fil du temps. L’utilisation de rangées chaudes et froides permet de mieux cibler les flux d’air pour réduire les coûts et améliorer l’efficacité. Dans certains cas, le refroidissement par air peut même être dirigé vers les racks individuels en fonction de leurs besoins spécifiques. Cependant, la climatisation est aussi un gaspillage en soi, car l’équipement est généralement prévu pour refroidir une pièce (ou des données) plutôt que l’équipement situé à l’intérieur. Par précaution, les opérateurs surinvestissent souvent dans le refroidissement et la résultante de ce sur-provisionnement, toujours selon le sondage du Uptime Institute, est probablement un problème plus courant que le sous-provisionnement en raison de l’augmentation de la densité des racks.
Augmentation des coûts
Le refroidissement par climatisation entraîne également des dépenses supplémentaires non-négligeables. Dans la plupart des cas, cette méthode nécessite un plancher surélevé (une solution coûteuse) pour gérer les flux d’air. Le câblage doit être installé avec soin pour éviter les blocages ; des erreurs peuvent perturber les flux d’air ou même renvoyer l’air chaud dans les conduits d’admission, menaçant ainsi l’intégrité des équipements informatiques.
Alors que les besoins en énergie des serveurs en rack ne cessent d’augmenter, notamment en raison de l’adoption généralisée des machines énergivores utilisées pour les charges de travail d’apprentissage machine, il faudra encore plus de ventilateurs et de pompes pour les refroidir. Plus d’équipement entraîne un risque d’échec important et un besoin accru de sauvegardes et de maintenance.
Il faut aussi tenir compte des coûts environnementaux. La climatisation consomme beaucoup d’énergie. Le Canada a la chance de produire plus de 60 % de son électricité à partir de l’énergie hydraulique, ce n’est pas le cas des États-Unis par exemple, qui dépendent encore des combustibles fossiles pour près de 80 % de leur capacité de production. Les centrales thermoélectriques sont également la plus grande source de prélèvements d’eau aux États-Unis, nécessitant en moyenne près de 12 000 gallons par mégawattheure produit en 2020. Dans un monde où les changements climatiques et la sécheresse sont des problèmes de plus en plus pressants, une utilisation intensive de l’énergie électrique peut nuire aux objectifs de durabilité d’une entreprise.
Les gestionnaires de centres de données ayant déjà investi dans le refroidissement par air ont peu d’intérêt à changer leur approche s’ils s’attendent à ce que leurs charges de travail restent stables, mais combien peuvent l’affirmer avec certitude ? Pour se préparer à une croissance à long terme quasi certaine, la plupart devront chercher une solution à long terme autre que le refroidissement par air.
Liquid advantage
Le refroidissement par liquide est une option de plus en plus convaincante. Le concept n’est pas nouveau, les ordinateurs centraux et les superordinateurs étaient déjà refroidis à l’eau dans les années 1960, mais de nouveaux types de liquide et une amélioration au niveau de la conception des systèmes ont donné à cette solution une nouvelle pertinence.
Le refroidissement par liquide présente de nombreux avantages par rapport à la climatisation. Par exemple, les liquides conduisent la chaleur jusqu’à 1 000 fois mieux que l’air. Un système de refroidissement liquide monophasé ne comporte que trois pièces mobiles : une pompe à liquide de refroidissement, une pompe à eau et une tour de refroidissement ou un ventilateur de refroidissement sec. Cela réduit les coûts de maintenance et les risques de panne. Les planchers surélevés et les allées de confinement ne sont pas nécessaires et les racks d’immersion peuvent être rapprochés puisque la circulation d‘air ne représente plus un problème. Du point de vue des coûts et de la durabilité, il n’y a pas de comparaison possible : Le refroidissement liquide consomme beaucoup moins d’énergie que la climatisation, ce qui permet de réduire jusqu’à 90 % la consommation d’énergie liée au refroidissement. Le marché du refroidissement liquide devrait atteindre 3 milliards de dollars d’ici 2026, avec un taux de croissance annuel composé de plus de 50 %. Il existe trois types fondamentaux de refroidissement liquide:
L’échangeur de chaleur à porte arrière utilise des portes avec des ailettes semblables à des radiateurs montées à l’arrière du rack. Un tuyau d’alimentation achemine l’eau réfrigérée et conditionnée vers l’échangeur de chaleur et un tuyau de retour renvoie l’eau chaude vers une unité de réfrigération. Cette technologie permet d’économiser jusqu’à 80 % des coûts de refroidissement des racks de serveurs, est peu encombrante et relativement facile à installer et à entretenir. Cependant, les échangeurs de chaleur à porte arrière prennent plus de place que d’autres solutions et nécessitent une plomberie dédiée, ce qui est à la fois coûteux et potentiellement catastrophique en cas de rupture d’une ligne.
Le système de refroidissement installé directement sur le processeur fonctionne à l’intérieur du châssis de l’ordinateur. Le liquide froid est pompé à travers des plaques situées au-dessus des composants énergivores telles les CPU et les GPU. Le liquide chaud est remis en circulation vers un dispositif de refroidissement ou un échangeur de chaleur. Le principal avantage de ce système est sa capacité de refroidir efficacement les équipements qui génèrent énormément de chaleur. Cette approche comporte cependant plusieurs désavantages. Le refroidissement direct sur le processeur est moins efficace que les autres solutions à base de liquide, car il ne refroidit que quelques composants et non l’ensemble du châssis ou du rack. La climatisation est généralement utilisée pour compenser cette limitation. Il existe également des problèmes de fiabilité en raison des nombreuses petites pièces et des raccords impliqués.
Le refroidissement par immersion en plein essor
Le refroidissement par immersion est la toute dernière option à base de liquide et celle qui suscite le plus d’intérêt. Elle consiste à immerger physiquement des composants électroniques tels que des serveurs et des dispositifs de stockage dans un liquide de refroidissement non conducteur. Il existe deux types de refroidissement par immersion : monophasé et biphasé. Chacun a ses avantages. Le refroidissement par immersion biphasé est plus coûteux et plus complexe, mais aussi plus efficace sur le plan énergétique. Un système monophasé est moins coûteux à installer et à entretenir mais consomme plus d’énergie en raison de la nécessité d’une pompe à chaleur à convection. Le professeur Moises Levy, analyste principal chez Omdia, une société de recherche spécialisée dans les technologies de l’énergie et du refroidissement, considère le refroidissement par immersion comme « la technologie la plus prometteuse en termes de performances thermiques » et souligne cinq principaux avantages :
- Faible coût – Les économies réalisées en termes de dépenses opérationnelles de refroidissement peuvent permettre un retour sur investissement de moins de 12 mois, sur la base des seules économies d’énergie. Il n’est pas non plus nécessaire de réaménager les centres de données avec des planchers surélevés ou des allées froides.
- Haute efficacité énergétique – Les systèmes de refroidissement par immersion transfèrent la chaleur directement des composants électroniques au liquide de refroidissement, qui peut alors être refroidi facilement et efficacement. Aucune énergie n’est gaspillée pour refroidir la pièce ou l’équipement qui n’en a pas besoin. Cela permet de réaliser d’importantes économies d’énergie.
- Augmentation de la densité des serveurs – Le refroidissement par immersion monophasé élimine la nécessité de dissiper la chaleur des racks de serveurs à haute densité, ce qui est un défaut des systèmes de refroidissement par air et qui peut provoquer des points chauds et des pannes d’équipement. En revanche, les systèmes de refroidissement par immersion peuvent facilement gérer des racks de serveurs à haute densité avec une capacité de dissipation pouvant atteindre près de 100 kW dans l’espace de deux racks standard.
- Grande évolutivité – L’expansion d’un centre de données peut nécessiter des investissements importants dans la capacité de refroidissement et peut même exiger des modifications structurelles des bâtiments. Le refroidissement par immersion permet d’ajouter des serveurs et des dispositifs de stockage sans modification majeure de l’infrastructure.
- Amélioration de la fiabilité et de la longévité des composants – Le liquide non conducteur utilisé dans le refroidissement par immersion élimine le risque de court-circuit électrique tout en protégeant les composants électroniques de la poussière en suspension, des vibrations et d’autres facteurs environnementaux qui sont un sous-produit du refroidissement par air. La durée de vie du matériel est généralement améliorée de 30 %.
Selon Eliot Ahdoot, Chef de l’innovation et de la commercialisation chez Hypertec « 3 % de l’énergie mondiale est destinée aux centres de données ». Ahdoot ajoute que « les systèmes de refroidissement par immersion permettent d’obtenir des performances maximales tout en minimisant la consommation d’énergie. Combiné à la récupération de la chaleur, ces systèmes permettent une réduction allant jusqu’à 70% ».
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