Investigadores de Microsoft han publicado un artículo en Nature que cuantifica por primera vez cuánta energía y agua se consumen y cuántas emisiones de gases de efecto invernadero se producen mediante cuatro técnicas de enfriamiento de centros de datos a lo largo de toda la vida útil de los centros de datos.
Esta llamada evaluación del ciclo de vida evalúa más elementos que solo qué recursos se consumen durante las operaciones del centro de datos, sino que también profundiza en lo que se requirió para producir todas las máquinas virtuales, chips, servidores, enfriamiento y otros equipos de soporte, como la extracción de materias primas, la fabricación de componentes, el transporte en diferentes puntos del proceso e incluso la eventual eliminación. Ese es el tipo de datos que, según los investigadores, pueden ayudar a las empresas a diseñar centros de datos para utilizar menos carbono, energía y agua.
«Mucha gente hace evaluaciones del ciclo de vida después del hecho» para entender el impacto ambiental de un centro de datos después de su construcción, señaló Husam Alissa, director de tecnología de sistemas en Operaciones e Innovación en la Nube de Microsoft y líder del estudio de evaluación del ciclo de vida. «Cuando intentamos tomar decisiones de diseño futuras, por lo general nos fijamos en el coste total de propiedad, el rendimiento, la sostenibilidad y otros factores. En este documento abogamos por el uso de herramientas de evaluación del ciclo de vida para guiar las decisiones de ingeniería desde el principio y también compartimos la herramienta con la industria para facilitar la adopción».
Microsoft planea utilizar los hallazgos de las evaluaciones del ciclo de vida que tienen en cuenta los impactos de carbono, agua y energía de los centros de datos para informar nuevos diseños de centros de datos y operaciones en la nube y para ayudar a cumplir sus objetivos de sostenibilidad más amplios.
Por ejemplo, el estudio encontró que cambiar de enfriamiento por aire a placas frías que enfrían los chips de los centros de datos de manera más directa, una tecnología más nueva que Microsoft ha implementado en sus centros de datos, podría reducir las emisiones de gases de efecto invernadero y la demanda de energía en alrededor de un 15 por ciento y el consumo de agua entre un 30 y un 50 por ciento a lo largo de toda la vida útil de los centros de datos. No se trata solo de agua utilizada para la refrigeración, sino también en la generación de energía y la fabricación de componentes.
Este nivel de detalle es raro y difícil de descubrir, de hecho, el equipo tardó más de dos años en completar el análisis.
Es por eso que Microsoft también ha puesto la metodología a disposición de otros en la industria a través de un repositorio de investigación abierto. Los investigadores también presentaron los resultados preliminares en la Cumbre Global del Open Compute Project (OCP), donde la industria comparte diseños de hardware y mejores prácticas para respaldar la creciente demanda de infraestructura de cómputo. El trabajo se basa en los esfuerzos continuos de Microsoft para construir métodos y herramientas unificados de evaluación del ciclo de vida para los proveedores de la nube.
El documento es el primero en detallar cómo construir una evaluación del ciclo de vida de la refrigeración en operaciones en la nube, y toma en cuenta el software, los chips, los servidores, los edificios y la red energética. También introduce un nuevo enfoque para ayudar a otros a construir comparaciones de manzanas con manzanas de la carga ambiental. A través del repositorio abierto de investigación, cualquier persona de la industria podrá conectar sus propios datos y escenarios para realizar una evaluación del ciclo de vida de sus propias operaciones.
«Nuestra intención no es decir: ‘esta es la tecnología correcta’. Todos podrían serlo. Hay diferentes circunstancias que te hacen usar una tecnología», dijo Alissa. «Lo que tratamos de hacer aquí es decirle a la industria: ‘Así es como se construye una evaluación del ciclo de vida de extremo a extremo que tenga en cuenta la refrigeración. Y aquí hay una herramienta para ti que puedes personalizar según tus necesidades específicas y luego tomar una decisión».
El estudio publicado en Nature cubre los chips de enfriamiento para computación general, o CPU, no los chips especializados diseñados para manejar cargas de trabajo de IA. El equipo trabaja en un seguimiento para examinar los impactos del ciclo de vida de los chips de IA y espera ver mejoras similares con métodos de enfriamiento avanzados.
Por supuesto, las operaciones del centro de datos dependen de factores externos, como las redes energéticas locales. El documento de Nature también cuantificó cuánta energía, agua y emisiones de gases de efecto invernadero podrían ahorrarse al cambiar de una red de energía típica a fuentes de energía 100 por ciento renovables, para encontrar que las emisiones de gases de efecto invernadero podrían reducirse entre un 85 y un 90 por ciento, sin importar las tecnologías de enfriamiento que se utilicen.
Microsoft tiene como objetivo reemplazar su carga energética con energía 100 por ciento renovable. En lugares donde la energía renovable por completo no está disponible a través de la red local, compra una cantidad comparable de energía renovable disponible en otros lugares.
Cuatro tipos de tecnología de refrigeración
Para el estudio, el equipo pasó más de dos años en estudiar cuatro tecnologías de refrigeración: refrigeración por aire, placas frías, inmersión en una fase e inmersión en dos fases para servidores.
La refrigeración por aire ha sido un enfoque estándar para la refrigeración de los centros de datos, pero la industria ha explorado de manera más reciente tecnologías de refrigeración que dependen de líquidos, que pueden disipar el calor de forma mucho más directa y eficiente que el aire.
Las placas frías son un tipo de enfriamiento directo al chip porque un refrigerante se bombea en un bucle a un contenedor plano que se encuentra justo encima de los chips en un rack de servidores.
La inmersión monofásica implica operar servidores en un tanque que tiene fluido refrigerante empujado a través de un circuito. En la inmersión bifásica, los racks de servidores están en un tanque lleno de un fluido diferente que hierve a bajas temperaturas, y el vapor se eleva para condensarse, enfriarse y regresar al tanque.
El estudio encontró que las placas frías y las dos tecnologías de enfriamiento por inmersión reducen las emisiones de gases de efecto invernadero entre un 15 y un 21 por ciento durante todo su ciclo de vida, la demanda de energía entre un 15 y un 20 por ciento y el consumo de agua entre un 31 y un 52 por ciento en los centros de datos, en comparación con el enfriamiento por aire.
El equipo esperaba que los tres métodos líquidos superaran a la refrigeración por aire en emisiones de carbono y consumo de agua y energía, pero esos beneficios no se habían cuantificado a lo largo de todo el ciclo de vida de esas tecnologías.
La inmersión en dos fases tiene potencial de reducción en todas las áreas, pero en la actualidad utiliza sustancias polifluoroalquiladas líquidas, o PFAS, que están bajo escrutinio regulatorio en la Unión Europea y los EE. UU., lo que las pone en desacuerdo con los objetivos de reducción de la contaminación y es probable que no estén disponibles en el futuro. Microsoft ha investigado, pero en la actualidad no usa tecnologías de enfriamiento por inmersión en las operaciones del centro de datos.
Microsoft ya ha comenzado a instalar placas frías en sus centros de datos, al tiempo que explora otras técnicas de enfriamiento de próxima generación. Por ejemplo, Microsoft ha comenzado a implementar la tecnología de enfriamiento de placas frías a escala de rack por medio de unidades de intercambiador de calor, o «sidekicks», junto con servidores de infraestructura de IA impulsados por las últimas GPU.
«Fue interesante ver que las placas frías podrían ser tan buenas como los dos métodos de enfriamiento por inmersión», dijo Teresa Nick, directora de sistemas naturales y sostenibilidad de Operaciones e Innovación en la Nube en Microsoft y coautora del artículo en Nature.
Elegir el método correcto: es complicado
El cálculo de los factores de diseño, como el coste total de propiedad, la disponibilidad, el tiempo de comercialización e incluso la fiabilidad, es en su mayoría sencillo de cuantificar y comparar. Ese no es el caso de los impactos en la sostenibilidad, que pueden ser difíciles de definir y calcular en toda una cadena de suministro y un ecosistema de centros de datos.
Obtener información sobre cómo se obtuvieron las materias primas, así como el carbono, el agua y la energía involucrados en la fabricación, puede ser difícil. Los autores de Microsoft presionaron a los proveedores para que divulgaran dichos datos, aunque no todos participaron, y luego produjeron fórmulas para que ellos, y otros, pudieran estimar las cifras en el futuro. «Tener las emisiones incorporadas conocidas, públicas y compartidas en bases de datos podría ayudar a acelerar los esfuerzos de evaluación del ciclo de vida», agregó Alissa.
La evaluación del ciclo de vida también se puede utilizar para informar todos los aspectos de la estructura y la función del centro de datos, incluida la forma de optimizar y ejecutar un centro de datos de la manera más eficiente. Una tecnología puede funcionar mejor en una medida, otra mejor en otra, sin que ninguna de ellas supere en todas las áreas.
«En pocas palabras, buscamos entender las compensaciones», dijo Nick. «Tratas de entender el contexto de lo que haces y cuáles son los impactos».
Para obtener más información, incluidos más detalles sobre los datos y la metodología, revisen el documento de Nature.
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