Potencia de los ventiladores en centros de datos de IA

Un RPM más bajo no significa automáticamente una menor energía de enfriamiento

Un ventilador de centro de datos puede consumir menos energía eléctrica a baja velocidad y aun así crear un sistema peor si no se mantienen el flujo de aire, la presión o el margen térmico del rack.

Las discusiones sobre refrigeración de centros de datos con IA a menudo saltan de un buen objetivo a una conclusión incompleta: reducir la velocidad del ventilador para mejorar el PUE. El objetivo es válido, pero la prueba debe incluir la cadena térmica completa. Un ventilador de servidor, un ventilador de pared para rack, un conjunto de ventiladores CRAH y un ventilador de rechazo de calor ven cada uno una curva de sistema diferente. Reducir un comando puede mover la presión, el flujo de aire, la temperatura de entrada y la carga de trabajo a otra parte.

La guía del centro de datos de ASHRAE trata el rendimiento de refrigeración, el consumo de energía, la firma acústica, la confiabilidad y la redundancia como características de diseño conectado. También describe zonas de ventilación y refrigeración por convección forzada de velocidad variable, donde los ventiladores que sirven a áreas menos estresadas pueden funcionar por debajo de la velocidad necesaria para una zona más caliente. Este es un mejor punto de partida que aplicar un porcentaje de reducción a cada aficionado.

La pregunta práctica para un ingeniero o comprador es: con el comando de carga parcial propuesto, ¿qué flujo de aire llega al disipador de calor o al bastidor, qué presión permanece en la ruta de distribución y qué margen de temperatura queda en el GPU de carga más alta? Este artículo convierte esa pregunta en un plan de medición.

Comience con la carga térmica y la masa de aire requerida

La selección del ventilador comienza con el calor que debe salir del componente, no sólo con la potencia nominal del rack.

Para una primera estimación del lado aire, utilice Q = P/(rho x cp x delta T). Si una zona de servidor enfriada por aire rechaza 12 kW, la base de densidad del aire es 1,18 kg/m3, cp es 1005 J/kg-K y el aumento de temperatura del aire permitido es 10 K, el flujo estimado es 12 000/(1,18 x 1005 x 10) = 1,01 m3/s, o aproximadamente 3640 m3/h. Ese número es una estimación del equilibrio térmico. No incluye la presión del sistema del ventilador, las fugas de derivación ni el hecho de que el GPU más caliente pueda necesitar más flujo local que el rack promedio.

Cuando el centro de datos opera en altitud o a una temperatura de entrada más alta, la densidad cambia. Un mismo caudal volumétrico transporta una masa de aire diferente y, por tanto, una carga térmica diferente. Indique la base de densidad y la temperatura de entrada en el requisito. De lo contrario, dos proveedores pueden cotizar rendimientos de ventiladores aparentemente diferentes utilizando diferentes condiciones de referencia y ambos parecen correctos.

Para la refrigeración líquida híbrida, realice la misma separación que se utiliza en una revisión térmica de rack: la placa fría y el circuito de refrigerante eliminan el calor que llega al recorrido del líquido, mientras que los ventiladores aún enfrían la memoria, los VRM, el almacenamiento, las fuentes de alimentación, los controles y el lado de aire de una CDU o un intercambiador de calor. Una menor utilización del ventilador del servidor no significa una utilización nula del ventilador.

Modelo animado: potencia del ventilador de carga parcial versus flujo de aire útil del rack

Las partículas en movimiento muestran una respuesta de control cualitativa; no son un resultado de CFD ni una garantía de PUE.

En el estado de carga parcial útil, el controlador reduce la velocidad porque la carga térmica ha disminuido, mientras que la presión del bastidor permanece lo suficientemente alta como para distribuir el aire a través de las entradas del servidor previstas. En mal estado, el comando de velocidad cae por debajo de la presión necesaria para el camino de distribución. El aire encuentra aberturas más fáciles, el flujo promedio de la habitación puede parecer aceptable, pero el estante de mayor resistencia recibe menos aire útil.

Por lo tanto, una comparación de la potencia del ventilador debe informar al menos la potencia eléctrica del ventilador, la presión de entrada del rack, el flujo de aire suministrado o el proxy calibrado, la temperatura de entrada, la temperatura de salida y el estado de la carga de trabajo. Un número de vatios más bajo sin los otros canales es un número de energía, no un resultado de enfriamiento.

Las leyes de los fanáticos ayudan, pero la curva del sistema aún decide el punto de trabajo

Para el mismo tamaño de ventilador y densidad de aire, las leyes de afinidad proporcionan una estimación útil: el flujo cambia con la velocidad, la presión con la velocidad al cuadrado y la potencia aproximadamente con la velocidad al cubo.

Si un ventilador funciona desde el 100% de la velocidad hasta el 80% de la velocidad, las estimaciones idealizadas son aproximadamente el 80% del flujo, el 64% de la presión y el 51% de la potencia. Esas relaciones son útiles para la selección, pero no son una licencia para prometer un ahorro del 49% en el gabinete instalado. El punto de funcionamiento real es la intersección de la curva del ventilador y la curva del sistema. Si la presión del sistema cae bruscamente en el caudal inferior, el resultado puede variar; si un amortiguador, una bobina o un filtro domina el camino, puede volver a diferir.

Un ejemplo práctico utiliza un recorrido de rack que requiere 180 Pa a 1.000 m3/h. El ventilador llega a ese punto al 100% del comando. Un comando propuesto del 80 % puede producir una presión estimada del ventilador de 800 m3/h y 115 Pa. Si el recorrido del bastidor aún requiere 115 Pa a 800 m3/h, el punto puede ser válido. Si la presión de trayectoria requerida es 145 Pa porque el estado de una compuerta de contención o de un filtro es diferente, el ventilador no puede cumplir con su trabajo con ese comando. Los 30 Pa que faltan se convierten en un flujo reducido, una fuga o una mayor demanda de presión aguas arriba.

Utilice la presión y el flujo medidos en varios comandos para construir una curva instalada. No lo infieras a partir de la línea máxima CFM. ASHRAE también advierte que la terminología de presión del ventilador y los planos de medición son importantes; una lectura de presión estática en una ubicación arbitraria puede no igualar la presión del ventilador que supera la pérdida del sistema.

El ventilador del servidor, el ventilador de pared del rack y el ventilador de la instalación son cargas diferentes

No utilice un resultado de ventilador de servidor para aprobar una pared de ventilador de una instalación, ni un punto de ajuste de pared de ventilador para aprobar un módulo de servidor.

Un ventilador de servidor ve disipadores de calor, placas frías, canales de memoria, aberturas para cables, bahías de unidades y rejillas del chasis. Su curva de presión es compacta y su control puede responder a sensores de componentes locales. Un conjunto de rack o ventilador-pared ve presión en los pasillos, aberturas de contención, paneles ciegos, fugas en el rack y la resistencia de múltiples entradas de servidores. Un CRAH o un ventilador de instalación pueden ver serpentines, filtros, compuertas y conductos de distribución. Cada capa puede tener una velocidad óptima diferente.

Esta estratificación explica por qué una velocidad más baja del ventilador de la instalación a veces puede aumentar la potencia del ventilador del servidor. Si la presión del pasillo frío cae, los ventiladores del servidor pueden acelerarse para preservar la temperatura de los componentes. El medidor de la instalación puede mostrar menos energía del ventilador de pared mientras que el equipo de TI consume más. La comparación PUE correcta mide ambos lados del límite y mantiene constante la carga de trabajo.

La misma lógica se aplica a la redundancia. Si un módulo de ventilador está apagado, los módulos restantes pueden experimentar una presión y un punto de flujo diferentes. Un ventilador inactivo también puede convertirse en una abertura de flujo inverso. Valide la condición de salida de un módulo con la compuerta real, la prevención de contracorriente y el espacio entre ventiladores, no solo con una suma aritmética ideal.

Sensores: la presión del bastidor no es la misma que la temperatura de entrada del servidor

Un controlador puede utilizar cualquiera de las variables, pero el significado del bucle de control cambia.

Un circuito de presión del pasillo frío protege la presión de distribución. Un circuito de temperatura de entrada protege el equipo en la ubicación del sensor. Un circuito de temperatura del aire de retorno protege una zona térmica más amplia, pero puede pasar por alto un punto caliente local. ASHRAE describe presión, temperatura de suministro, temperatura de retorno y señales de contención como posibles entradas de control. La elección correcta depende de la arquitectura de suministro de aire.

La ubicación del sensor es parte de las especificaciones del ventilador. Un sensor de presión demasiado cerca de la salida de un ventilador puede leer un chorro local en lugar del bastidor plenum. Un sensor de temperatura en una corriente de retorno bien mezclada puede tardar en responder a una excursión de entrada del GPU. Coloque el sensor donde se toma la decisión de control, luego valide el retraso y el peor caso en lugar de ajustarlo a un punto conveniente.

Utilice histéresis y límites de velocidad para evitar la oscilación del ventilador. Si el circuito reacciona a un sensor ruidoso, el ventilador puede cruzar repetidamente su velocidad mínima estable, produciendo una variación acústica y ciclos adicionales de los rodamientos. Una banda de presión estable con una respuesta definida a un paso de potencia es más valiosa que un controlador nominalmente agresivo que oscila.

La acústica y la confiabilidad son parte de la decisión energética

Un número de vatios promedio más bajo no es una optimización completa si crea ruido tonal, ciclos de velocidad repetidos o una vida útil más corta.

El rendimiento acústico del ventilador depende de los tonos del paso de las aspas, la turbulencia, la interacción de la rejilla, la geometría de la rejilla y la velocidad. Un RPM más bajo puede reducir el ruido de banda ancha, mientras que un bucle de control puede crear un nuevo componente tonal durante transiciones de velocidad repetidas. Mida en el punto de operación e incluya la protección final, la rejilla, el panel de contención y los ventiladores vecinos.

La confiabilidad también sigue el perfil de servicio. Un ventilador que funciona a alta velocidad solo durante ráfagas cortas de carga de trabajo de IA tiene un trabajo térmico y de rodamiento diferente al de uno que funciona continuamente a alta velocidad porque el punto de ajuste de presión es demasiado conservador. Registre el histograma de velocidad, el recuento de inicio y parada, la temperatura ambiente y el estado de contaminación. Se debe comparar un ventilador de reemplazo en estas condiciones, no solo en horas nominales L10.

Para la adquisición, solicite datos del punto de operación al voltaje y densidad utilizados en el rack, datos acústicos en el mismo punto, comportamiento de retroalimentación, supuesto de vida y respuesta a fallas. El precio de compra más bajo puede ser una mala elección si una discrepancia en la señal obliga al controlador a adoptar una velocidad de retroceso más alta.

Un ejemplo de puesta en servicio: la instalación ahorró energía pero los ventiladores del servidor se aceleraron

La solución útil fue restablecer la presión y cambiar la ubicación del sensor, no una reducción general de la velocidad del ventilador.

Considere una fila de racks de IA anónima donde la pared del ventilador de la instalación se redujo desde un punto de ajuste de presión conservador durante una carga de trabajo baja. La potencia de los ventiladores de las instalaciones cayó, pero la potencia de los ventiladores del servidor aumentó y dos racks de alta densidad mostraron una mayor variación de temperatura de entrada. El flujo de aire promedio de la habitación parecía normal porque las fugas alrededor de un camino de contención parcialmente abierto aumentaron a medida que caía la presión.

El equipo mapeó la presión de entrada del rack en el primer, medio y último rack, luego comparó las lecturas con la telemetría del ventilador del servidor y la carga de trabajo. La primera rejilla tenía la presión adecuada, mientras que la rejilla más alejada carecía de presión. Luego, un reinicio de ajuste y respuesta estuvo limitado por el bastidor menos satisfecho en lugar de por la presión promedio. Los paneles ciegos y el espacio de contención se corrigieron antes de que se redujera nuevamente el punto de ajuste.

El resultado se registró como una envolvente de control: presión mínima, temperatura de entrada máxima permitida, respuesta de potencia del ventilador del servidor y comportamiento de un solo rack. No se afirmó ningún porcentaje de ahorro universal. La lección transferible es que la potencia de los ventiladores de las instalaciones y la potencia de los ventiladores del servidor deben optimizarse juntas.

Cree un presupuesto de energía para los fanáticos en lugar de citar un número de eficiencia

El PUE es una métrica de la instalación, pero la decisión sobre la potencia del ventilador se toma a través de varios límites eléctricos y de flujo de aire.

Un presupuesto útil separa la energía del ventilador del servidor, la energía del ventilador de pared del rack o de la fila, la energía del ventilador CRAH o CRAC, la energía de la bomba para sistemas líquidos y la energía del control o sensor necesaria para operarlos. Luego registra la carga de trabajo de TI, la condición de entrada, el modo de flujo de aire y el punto de ajuste de presión para cada medición. Sin límites, un supuesto ahorro de ventilador puede simplemente mover el trabajo de un motor a otro o aumentar la resistencia térmica interna del servidor.

Para el ventilador en sí, utilice la entrada eléctrica en el conector del ventilador o la salida del controlador, no solo la eficiencia nominal del motor. Un ventilador DC de 24 V que consume 2,0 A en un punto de funcionamiento particular consume aproximadamente 48 W antes de la pérdida de conversión ascendente. Si el controlador o la fuente de alimentación agrega un 8 %, el número del lado de la instalación es de aproximadamente 52 W. Esa pequeña distinción es importante cuando una fila contiene docenas o cientos de ventiladores y cuando se realiza una comparación de carga parcial con equipos de CA o EC con diferentes límites de conversión.

No utilice un único número de carga completa para representar una instalación de velocidad variable. Registre al menos tres estados: carga de trabajo baja, carga de trabajo de producción representativa y la peor carga de trabajo térmica normal. Agregue un seguimiento de pasos de potencia para que el equipo pueda ver el tiempo necesario para que el control del ventilador alcance un flujo de aire estable y el pico de temperatura que se produce antes de llegar allí. Un controlador que ahorra vatios en estado estable pero responde demasiado lentamente a un paso de potencia GPU puede no alcanzar el objetivo de diseño real.

El valor nominal de presión también debería formar parte del presupuesto. Un punto de ajuste alto puede forzar más energía de la necesaria para los ventiladores de la instalación, pero un punto de ajuste bajo puede hacer que los ventiladores del servidor se aceleren, aumenten el ruido y creen un desequilibrio entre bastidores. Una estrategia de restablecimiento de presión debe estar limitada por el estante o zona menos satisfecho, con un límite inferior claro y una ubicación del sensor documentada. El límite inferior es un valor de aceptación térmica, no un porcentaje arbitrario del comando máximo.

El departamento de adquisiciones debe recibir el presupuesto en una forma que pueda reproducirse. Indique el voltaje, la densidad, la temperatura, el plano de medición, el límite de potencia, el número de ventiladores en funcionamiento, el modo del controlador y la carga de trabajo. Si el proveedor ofrece un ventilador personalizado o un reemplazo de una marca determinada, solicite los mismos datos en el mismo punto de operación instalado. Un precio más bajo sólo tiene sentido después de que la evidencia térmica, acústica, de retroalimentación y de servicio aún coincida con los requisitos del proyecto.

Los filtros, los supresores y las fugas pueden anular el ahorro de carga parcial

El ventilador no sabe si un cambio de presión se debe a un disipador de calor útil, a un filtro bloqueado o a un espacio de contención abierto.

En un chasis, los filtros de polvo y las rejillas añaden resistencia antes del ventilador, mientras que los disipadores de calor, los haces de cables y los paneles ciegos añaden resistencia después. En una habitación, los elementos equivalentes son baldosas, compuertas, cortinas de contención, puertas rack y aberturas no selladas. Una prueba de potencia del ventilador en un banco abierto elimina la resistencia que determina el punto de funcionamiento real.

Para un estudio de carga parcial, probar tanto el estado limpio como el estado degradado que permita el plan de mantenimiento. Si se reemplaza un filtro a una presión diferencial medida, use esa presión en la selección del ventilador. Si se permite intencionalmente una abertura de contención para el acceso al servicio, pruébela en los estados abierto y cerrado. Si a un rack le faltan paneles ciegos, registre la fuga en lugar de tratar el flujo de aire adicional de la habitación como refrigeración útil para el servidor.

Un diagnóstico simple es comparar el comando del ventilador, la presión del bastidor y la temperatura de los componentes mientras se cambia una resistencia a la vez. Si la potencia aumenta sin un aumento correspondiente del flujo útil, es posible que el sistema esté empujando aire a través de un nuevo bypass o un elemento bloqueado. Si la presión cae mientras el flujo de aire promedio permanece sin cambios, es posible que la distribución se haya vuelto menos uniforme. Estas observaciones son más prácticas que un único valor CFM impreso en una cotización.

Aceptación a carga parcial: cinco pruebas antes de la declaración energética

Una afirmación creíble sobre la potencia del ventilador sobrevive a las mismas pruebas de instalación que el bastidor debe superar en servicio.

La primera prueba es el estado estable de baja carga de trabajo. Verificar que el comando mínimo produzca velocidad estable y que la rejilla más alejada permanezca dentro de la banda de presión y temperatura de entrada. La prueba dos es el estado de producción representativo. Registre los vatios de los ventiladores tanto en el lado de TI como en el de las instalaciones, además del mapa de distribución del rack. La prueba tres es un paso de potencia controlado. Mida la temperatura máxima, la rampa de comando, la recuperación de presión y el tiempo para estabilizarse.

La cuarta prueba es la vía aérea degradada. Aplique la presión de filtro definida, la abertura de servicio o la fuga de contención y repita las pruebas constantes y escalonadas. La prueba cinco es la redundancia. Retire un módulo de ventilador o colóquelo en el estado de falla documentado, luego verifique el flujo de aire restante, el comportamiento del flujo inverso, la presión y la respuesta térmica. Estas pruebas deben utilizar las ubicaciones finales de rejilla, compuerta, arnés, controlador y medición.

Los criterios de aprobación/reprobación deben escribirse antes de que comience la prueba. Los ejemplos incluyen la temperatura máxima de entrada del servidor, la presión mínima en el rack lejano, la potencia máxima del ventilador de la instalación con una carga de TI fija, el aumento permitido de la potencia del ventilador del servidor, la latencia máxima de alarma y el nivel acústico máximo. Los límites exactos pertenecen al proyecto, pero los canales de medición deben ser explícitos. Esto hace que el proveedor de ventiladores, el integrador de servidores y el equipo de las instalaciones utilicen cada uno una definición diferente de éxito.

Lo que MEGA Tech puede validar para la refrigeración de centros de datos con IA

Ayudamos a convertir el funcionamiento del bastidor o chasis en una muestra de ventilador que se puede evaluar en el estado real de presión y control.

Podemos proporcionar ventiladores axiales DC personalizados, ventiladores compactos y ventiladores centrífugos curvados hacia atrás para chasis de servidores, compartimentos electrónicos y rutas de refrigeración definidas del lado del aire. Revisamos el flujo de aire y la presión estática en el punto de operación instalado, la tolerancia de voltaje, el comando PWM o analógico, la retroalimentación FG/RD, el conector, el objetivo acústico, la envolvente y el ciclo de trabajo. Las muestras se pueden probar en el chasis, módulo de bastidor o dispositivo de presión representativo del cliente.

Envíe la carga de calor o la pérdida de componentes, el objetivo de flujo de aire, el objetivo de presión estática en ese flujo de aire, la base de densidad, el límite de temperatura de entrada, la ubicación del sensor de presión, la curva de control, la velocidad mínima y máxima, el voltaje, el conector, la longitud del cable, el límite de ruido, la cantidad y la suposición de vida útil. Para una pared de ventilador, incluya la cantidad de módulos, el espaciado, el estado del módulo fallido, el comportamiento de la compuerta o del flujo inverso y el plano de medición de presión.

No proporcionamos la sala del centro de datos, la contención, CRAH, CDU, circuito de agua enfriada, BMS o garantía PUE a menos que un alcance verificado por separado indique lo contrario. Nuestra función es hacer que el ventilador y su punto de funcionamiento instalado sean medibles, admitir muestras personalizadas y ayudar a comparar alternativas mediante pruebas de rendimiento y validación en lugar de un título de catálogo CFM.

Preguntas frecuentes de los ingenieros: potencia del ventilador del centro de datos con IA y control de carga parcial

Respuestas breves para equipos térmicos, de instalaciones y de adquisiciones.

P: ¿El ventilador reductor RPM siempre reduce el PUE? R: No automáticamente. Mida la potencia del ventilador de las instalaciones, la potencia del ventilador del servidor, la presión del rack, el flujo de aire y la respuesta térmica en conjunto con una carga de trabajo constante.

P: ¿Puedo utilizar la ley del cubo del ventilador como resultado de energía? R: Úselo como estimación de detección. El punto de trabajo instalado cambia con la resistencia del sistema, la densidad del aire, las compuertas, los filtros y las fugas.

P: ¿Por qué una menor presión en el pasillo frío puede aumentar la potencia del ventilador del servidor? R: Los ventiladores del servidor pueden acelerarse para proteger la temperatura de los componentes cuando la ruta de la instalación ya no suministra la presión de entrada o el flujo de aire requeridos.

P: ¿Qué sensor debería controlar la pared de un ventilador? R: Las señales de presión, temperatura de suministro, temperatura de retorno y contención pueden ser válidas. Elija la variable que represente la zona térmica menos satisfecha y valide el retraso y la ubicación del sensor.

P: ¿Qué debería recibir un proveedor de ventiladores por una muestra personalizada? R: Flujo de aire y presión estática en ese flujo de aire, base de densidad, voltaje, PWM o comando analógico, señales de retroalimentación, envolvente, ruido, entorno, cantidad y supuesto de vida.

P: ¿Una curva de ventilador normal demuestra el funcionamiento del N+1? R: No. Pruebe el estado del módulo fallido, la ruta de flujo inverso, la presión restante del ventilador y la temperatura del rack con la geometría real del arreglo.

Preguntas para una revisión de diseño

Utilice estas preguntas antes de aprobar un reclamo de potencia de ventilador de carga parcial.

• ¿Se miden juntos los vatios del ventilador del servidor y los vatios del ventilador de la instalación con la misma carga de trabajo?
• ¿Qué presión y flujo de aire recibe el rack más alejado o más restringido en el punto de ajuste mínimo propuesto?
• ¿Qué curva del sistema y curva del ventilador definen el punto de funcionamiento instalado al 100%, 80% y mínimo comando?
• ¿Qué base de densidad, temperatura de entrada y altitud se utiliza para comparar el flujo de aire y la potencia?
• ¿Dónde están ubicados los sensores de presión y temperatura y qué retraso o filtrado agrega el circuito de control?
• ¿El control permanece estable a velocidad mínima, durante los pasos de carga de trabajo y cuando un módulo de ventilador no está disponible?
• ¿Qué evidencia acústica y de confiabilidad existe en los mismos puntos de operación utilizados para la declaración energética?
• ¿Qué información exacta se enviará al proveedor para una muestra de ventilador personalizada?