À medida que os data centers buscam concentrar mais capacidade computacional por unidade de área para atender à crescente demanda de workloads, alimentar todo o equipamento de TI, a tecnologia de resfriamento e os demais sistemas prediais se torna uma etapa limitante. A McKinsey projeta que a demanda global por capacidade de data centers crescerá de 19 a 22 por cento ao ano entre 2023 e 2030, atingindo entre 171 e 219 gigawatts.[1]
Esse crescimento é impulsionado por workloads de IA que consomem significativamente mais energia do que aplicações tradicionais, o que acelera a necessidade de mitigar os efeitos térmicos resultantes de concentrar mais potência em espaços menores. Desenvolvimentos recentes em distribuição de energia, sistemas de backup e gerenciamento térmico demonstram como novas soluções de engenharia atendem a essas demandas crescentes de energia. Neste blog, abordamos algumas das abordagens mais recentes para melhorar a eficiência energética e térmica em data centers modernos, destacando soluções eficientes e confiáveis da Molex
Repensando a Distribuição de Energia com o Open Rack V3
A especificação Open Rack V3 (ORV3), desenvolvida pelo Open Compute Project (OCP), muda a forma como os data centers abordam a distribuição de energia. A especificação define uma distribuição de energia escalável e adaptável para racks, alinhada com a transição em curso de 12V DC para 48V DC. Tensões mais altas aumentam a eficiência ao mesmo tempo em que elevam a potência por unidade de área do data center (densidade de potência), mitigando as restrições de espaço que frequentemente prejudicam os projetos de data centers.
Com essa transição, a energia é distribuída por um barramento (busbar) de 48V em cada rack, ao qual os servidores se conectam diretamente. Ao eliminar a etapa de conversão para 12V, as instalações melhoram a eficiência geral e reduzem as perdas de energia durante a transmissão. A arquitetura economiza espaço ao remover as fontes de alimentação individuais de cada servidor, já que os servidores operam diretamente a partir do barramento de 48V. Essa consolidação reduz o número de componentes, simplifica a manutenção e melhora a densidade de potência dentro de cada rack.
Além disso, a mudança para 48V DC representa mais do que uma melhoria incremental de eficiência energética. Tensões mais altas permitem uma corrente menor para a mesma entrega de potência, o que se traduz em requisitos reduzidos de dimensionamento dos condutores e menores perdas resistivas. Em instalações de porte corporativo, esses ganhos de eficiência se multiplicam ao longo de milhares de racks. A especificação ORV3 fornece uma estrutura padronizada que permite interoperabilidade entre fornecedores, ao mesmo tempo em que dá aos operadores flexibilidade na configuração do sistema.[2] Os PowerPlane Busbar Connectors e os conjuntos de cabos PowerPlane OCP ORV3 da Molex estão na vanguarda da inovação de componentes projetados para atender a esses requisitos arquiteturais.
Projetando Sistemas de Energia de Backup Confiáveis
Levar energia da rede elétrica até os servidores apresenta um conjunto de desafios, mas construir redundância contra falhas da rede traz um conjunto adicional de oportunidades de engenharia. Um sistema de energia ininterrupta (UPS) precisa recorrer a bancos de baterias e geradores para suprir a falta de energia em caso de falha da rede, e a transição precisa ocorrer de forma perfeita para evitar interrupções no serviço. Em data centers, a operação contínua é a prioridade máxima.
Os sistemas UPS online de dupla conversão são atualmente a topologia preferida por fornecerem energia instantânea, limpa e consistente.[3] Esses sistemas convertem continuamente a energia AC de entrada em DC para carregar as baterias e alimentar o sistema, e depois invertem o DC de volta para AC na saída. Essa dupla conversão isola a carga de distúrbios da rede e garante tempo de transferência zero durante interrupções de energia.
O desempenho do UPS depende fortemente da resistência existente em cada conexão. Uma menor resistência de contato reduz o calor e a perda de tensão, melhorando tanto a confiabilidade quanto a eficiência energética. Conforme apontado na pesquisa 2023 State of Power, da Molex, 40 por cento dos engenheiros de data centers citam o gerenciamento de energia — incluindo proteção de circuitos, switchgears e sistemas de bateria — como seu maior desafio de projeto (Figura 1).[4]
Componentes projetados para alta densidade de corrente e baixa resistência de contato resolvem essa preocupação ao garantir uma entrega de energia confiável sob condições variáveis de carga. A Molex oferece uma linha inovadora de soluções de gerenciamento de energia projetadas com esses parâmetros elétricos como especificações primárias, permitindo que os data centers alcancem o pico de eficiência e confiabilidade.
Enfrentando o Desafio do Resfriamento
Aproximadamente 40 por cento do consumo de eletricidade de um data center é destinado ao resfriamento,[5] o que torna o gerenciamento térmico uma das maiores despesas operacionais das instalações. Com um consumo de energia dessa magnitude, engenheiros e químicos de fluidos têm intensificado o foco na eficiência do resfriamento para reduzir tanto os custos de energia quanto o impacto ambiental.
O resfriamento por imersão surgiu como uma técnica promissora que melhora a eficiência energética em comparação aos sistemas tradicionais de resfriamento a ar, além de reduzir o espaço físico ocupado pelos equipamentos de resfriamento.[6] No resfriamento por imersão, os servidores são submersos em um fluido dielétrico que absorve diretamente o calor dos componentes. Isso elimina a necessidade de manipuladores de ar, de modo que o sistema não precisa trabalhar tanto para remover o calor, resultando em menor consumo de energia e remoção de calor mais eficiente dentro do mesmo espaço.
Também existem abordagens de resfriamento por imersão de fase única e de duas fases, além do resfriamento por placa fria direct-to-chip (DTC). Esses métodos de resfriamento líquido melhoram a eficácia do uso de energia (PUE) do data center para valores entre 1,03 e 1,2, enquanto sistemas resfriados a ar operam com PUE entre 1,2 e 2,0.[7] O PUE compara a potência total da instalação com a potência do equipamento de TI, ou seja, PUEs mais baixos indicam maior eficiência. Um PUE de 1,0 é teoricamente perfeito, mas impossível de alcançar devido a perdas. Reduzir o PUE de 2,0 para 1,2 representa, por exemplo, uma redução de 40 por cento na potência da instalação.
Independentemente do método de resfriamento adotado — a ar, DTC ou imersão —, os conectores para o hardware de resfriamento precisam atender a requisitos ambientais rigorosos. Esses conectores devem ser classificados para condições severas e vedados contra umidade para evitar corrosão e falhas elétricas. A alta potência e o calor tornam a confiabilidade uma preocupação constante. Se os conectores não conseguirem suportar temperatura ou umidade, mesmo uma pequena falha pode se espalhar rapidamente pelo sistema.
Engenharia para Eficiência em Escala
Os engenheiros de data centers estão encontrando novos ganhos de eficiência não ajustando os sistemas existentes, mas repensando como energia, backup e resfriamento são construídos desde a base. Parte dessa nova abordagem envolve a migração para a distribuição de energia em 48V DC para reduzir as perdas de conversão, sistemas UPS online de dupla conversão com conectores de baixa resistência de contato para manter a qualidade da energia durante as transições, e resfriamento por imersão para reduzir a sobrecarga energética do gerenciamento térmico.
Os engenheiros que aplicarem esses princípios de projeto agora estarão preparados para atender às metas de eficiência de hoje e às demandas de crescimento de amanhã. Cada avanço aumenta a capacidade computacional dentro de envelopes de energia e térmicos mais restritos. À medida que as demandas de workload continuam a crescer, especialmente com a expansão das aplicações de inteligência artificial, essas soluções elevam o limite do que é possível.
Referências
1 – https://www.mckinsey.com/industries/technology-media-and-telecommunications/our-insights/ai-power-expanding-data-center-capacity-to-meet-growing-demand
2 – https://www.molex.com/en-us/industries-applications/servers-storage/open-compute-project/ocp-rack-and-power-orv3
3 – https://www.molex.com/en-us/blog/ups-key-data-center-continuity
4 – Molex, “2023 State of Power Survey Report,” May 2023
5 – https://www.energy.ca.gov/publications/2024/demonstration-low-cost-data-center-liquid-cooling
6 – https://www.molex.com/en-us/blog/orv-immersion-cooling-insights
7 – https://www.thegreengrid.org/
Artigo escrito por Molex e publicado no blog da Mouser Electronics: Smarter Power and Cooling Strategies for Modern Data Centers
