Impulsada por el crecimiento explosivo de la IA generativa y las cargas de trabajo de entrenamiento de modelos a gran escala, la densidad de potencia de los racks de centros de datos ha entrado en una nueva era de rápida expansión. Los modernos racks de computación de densidad ultraalta, como las plataformas NVIDIA GB200 y AMD MI350, ya han superado los 120 kW de consumo por rack.

Las arquitecturas tradicionales de refrigeración por aire se aproximan cada vez más a sus límites físicos de disipación térmica. En estas circunstancias, la Unidad de Distribución de Refrigerante (CDU) se ha convertido en un centro indispensable de gestión de fluidos e intercambio térmico para las modernas infraestructuras de refrigeración líquida directa al chip.

Este artículo ofrece un análisis exhaustivo de las aplicaciones de las CDU en clústeres de computación de IA desde múltiples perspectivas, incluida la implementación de ingeniería, la selección de componentes principales, la configuración del sistema y la operación y el mantenimiento diarios.

1.0 ¿Por qué las GPU de IA dependen de las CDU en lugar de la refrigeración por aire?

Los sistemas tradicionales de refrigeración por aire utilizan el aire como medio de transferencia térmica. Debido a la baja capacidad calorífica específica y la baja conductividad térmica del aire, la capacidad máxima de refrigeración de un solo rack suele estar limitada aproximadamente a 10 kW–20 kW.

En los clústeres de GPU que consumen cientos de kilovatios de potencia, la refrigeración por aire no puede evacuar con suficiente rapidez el intenso calor instantáneo generado por los procesadores modernos.

Sin embargo, aunque la refrigeración líquida directa al chip mejora notablemente la capacidad de disipación térmica, también introduce varios desafíos de ingeniería:

• Obstrucción de microcanales:
  Los canales internos de escala micrométrica situados dentro de las placas frías son muy susceptibles a obstruirse debido a partículas o contaminantes presentes en el refrigerante.
• Riesgo de corrosión del sistema:
  La exposición prolongada del refrigerante al oxígeno o a metales incompatibles puede provocar oxidación química y corrosión de las tuberías.
• Riesgos de condensación y cortocircuito:
  Si la temperatura de suministro del refrigerante se controla de forma inadecuada y desciende por debajo del punto de rocío de la sala, puede producirse condensación de humedad en los componentes electrónicos.
• Riesgos de degradación del refrigerante:
  Los cambios en el valor de pH y la conductividad eléctrica del refrigerante afectan directamente a la fiabilidad a largo plazo del sistema de refrigeración.

El valor fundamental de ingeniería de una CDU consiste precisamente en abordar estos desafíos.

Mediante un diseño integrado que incluye:

• aislamiento del circuito de refrigerante del lado primario y del lado secundario,
• control dinámico de temperatura de alta precisión,
• filtración multietapa,
• protección inteligente de enclavamiento contra fugas,

la CDU logra el equilibrio óptimo entre un alto rendimiento de refrigeración y una fiabilidad operativa a largo plazo.

2.0 ¿Qué es una Unidad de Distribución de Refrigerante (CDU)?

Desde la perspectiva de la ingeniería mecánica y térmica, una CDU es la plataforma central de control de fluidos que conecta el circuito de refrigeración de los equipos TI con la infraestructura de refrigeración de las instalaciones.

Su filosofía de diseño fundamental se basa en dos principios:

Aislamiento y control de precisión

Mediante la separación física, la CDU evita que el agua de las instalaciones, cuya calidad puede ser inferior, entre directamente en los estrechos y altamente sensibles canales de refrigeración situados dentro de las placas frías de los servidores.

Una CDU estándar completa integra seis subsistemas principales:

1. Sistema de intercambio térmico (intercambiador de calor de placas, PHE)
   Transfiere eficazmente el calor entre el circuito de refrigeración TI del lado secundario y el circuito de agua de las instalaciones del lado primario.
2. Sistema de accionamiento de potencia (conjunto de bombas de velocidad variable)
   Mantiene una circulación estable del refrigerante en el lado secundario y garantiza un equilibrio adecuado de la presión de suministro entre los racks.
3. Sistema de colectores de distribución
   Distribuye uniformemente el refrigerante desde la línea principal de suministro hacia los circuitos derivados individuales.
4. Sistema de regulación de fluidos (válvulas y caudalímetros)
   Ajusta dinámicamente el caudal del refrigerante de acuerdo con la carga térmica de la GPU en tiempo real.
5. Sistema de purificación multietapa (filtros)
   Captura los contaminantes y protege los microcanales de las placas frías frente a la erosión y la obstrucción causadas por partículas.
6. Arquitectura de control automatizado (PLC y sensores)
   Supervisa la temperatura, la presión, el caudal y las condiciones de fuga, y se comunica con los sistemas BMS/DCIM de nivel superior.

3.0 Componentes principales de la CDU: compromisos de ingeniería

3.1 Intercambiador de calor de placas (PHE)

El intercambiador de calor de placas de acero inoxidable soldado mediante brasaje es el núcleo de transferencia térmica de una CDU líquido-líquido.

Durante la selección, los ingenieros deben equilibrar cuidadosamente el tamaño, el coste y el rendimiento de disipación térmica.

Intercambiador de calor sobredimensionado:

• Aumenta el coste inicial de adquisición del equipo.
• Ocupa un espacio valioso del centro de datos.

Intercambiador de calor subdimensionado:

• Proporciona una superficie de transferencia térmica insuficiente.
• No puede gestionar las cargas térmicas máximas de las GPU.
• Puede activar la protección de reducción de frecuencia térmica del procesador.

Los parámetros clave de diseño incluyen:

• Capacidad total de refrigeración objetivo
• Diferencia de temperatura de aproximación entre ambos lados del fluido
• Pérdida de carga máxima permitida
• Evaluación del consumo energético de la bomba
• Margen para futuras ampliaciones de la capacidad de computación

3.2 Sistema redundante de bombas de velocidad variable

Las bombas de velocidad fija pueden provocar un consumo energético innecesario y una cizalladura excesiva del fluido en condiciones de funcionamiento con baja carga.

Al adoptar conjuntos de bombas de velocidad variable controlados mediante variadores de frecuencia (VFD), la CDU puede ajustar dinámicamente la velocidad de la bomba de acuerdo con la demanda térmica del chip en tiempo real, mantener una presión constante del sistema y reducir considerablemente el consumo energético operativo.

Comparación de arquitecturas habituales de bombas y compromisos de ingeniería:

Antes del despliegue del sistema, los ingenieros deben realizar pruebas de respuesta de presión de las bombas en condiciones de carga completa y carga parcial para garantizar una lógica fluida de conmutación entre las bombas principal y de reserva.

3.3 Tuberías del colector y tecnología de punzonado/abocardado de tubos mediante CNC

Los métodos de mecanizado tradicionales y los accesorios en T soldados pueden generar turbulencias internas, mientras que numerosos puntos de soldadura pueden sufrir envejecimiento por tensión y riesgos de fuga durante los ciclos prolongados de expansión y contracción térmica.

Selección moderna de ingeniería:

La industria adopta cada vez más la tecnología CNC de punzonado y abocardado de precisión, que forma directamente salidas derivadas sin costuras a partir de la pared de la tubería principal.

Este proceso de fabricación integrado proporciona:

• Pasos internos del flujo extremadamente lisos.
• Menor resistencia hidráulica.
• Menos puntos de soldadura.
• Mayor resistencia a la presión.
• Mayor durabilidad frente a la fatiga de las estructuras de conexión.

Para los materiales de las tuberías, se debe dar preferencia al acero inoxidable de alta calidad, como el acero inoxidable 316L, o al cobre resistente a la descincificación, con el fin de minimizar los riesgos de corrosión electroquímica.

3.4 Componentes de válvulas, equilibrado y medición del caudal

Las válvulas de control eléctrico, las válvulas de equilibrado estático y los sensores de caudal de alta precisión trabajan conjuntamente para garantizar una distribución precisa del refrigerante conforme a la demanda real de refrigeración.

Si la distribución del caudal no está equilibrada, varias filas de racks pueden experimentar acumulaciones térmicas localizadas, lo que reduce la eficiencia informática general del clúster de IA.

3.5 Sistema de filtración

• Elemento filtrante de 50 micras (μm):
  Configuración equilibrada estándar de la industria para aplicaciones de computación de IA, que logra un compromiso óptimo entre la eficiencia de eliminación de contaminantes y la resistencia hidráulica.
• Elemento filtrante de 25 micras (μm):
  Proporciona una mayor protección de limpieza, pero genera una mayor resistencia al flujo y tiende a obstruirse más rápidamente.
• Elemento filtrante de 100 micras (μm):
  Reduce la carga de la bomba, pero no puede evitar eficazmente las partículas metálicas más pequeñas que pueden dañar los microcanales de las placas frías.

Experiencia de ingeniería en campo:
Durante los primeros 1–3 meses posteriores a la puesta en servicio de un sistema de refrigeración líquida recién construido, los residuos de soldadura y las partículas de mecanizado que quedan en el sistema de tuberías se liberan gradualmente. Durante este periodo, se debe aumentar la frecuencia de inspección y sustitución de los filtros.

3.6 Sensores y arquitectura de control PLC

El sistema integra:

• sensores de temperatura,
• sensores de presión,
• sensores de presión diferencial,
• sensores de caudal,
• cables distribuidos de detección de fugas de tipo cable o puntual.

Un PLC de grado industrial actúa como controlador central y ejecuta una regulación PID en tiempo real.

Cuando se detectan caídas anómalas de presión o eventos de fuga, el sistema puede activar rápidamente alarmas y ejecutar acciones de enclavamiento como:

• cerrar las válvulas de aislamiento,
• detener las bombas,
• notificar a los sistemas de supervisión de nivel superior.

4.0 Dos tipos principales de configuración de CDU

Según el método de disipación térmica del disipador de calor del lado primario, las CDU se dividen principalmente en dos categorías:

1. CDU líquido-líquido

Principio:

El lado primario se conecta al circuito de agua refrigerada de las instalaciones o al circuito de agua de la torre de refrigeración, mientras que el lado secundario se conecta directamente al circuito de refrigeración de las placas frías de los equipos TI.

Características:

• Capacidad de disipación térmica extremadamente alta.
• Capacidad desde varios cientos de kilovatios hasta la escala de megavatios.
• Relación de eficiencia energética (COP) muy alta.
• Ampliamente utilizada en centros de datos de IA grandes y de hiperescala de nueva construcción.

2. CDU líquido-aire

Principio:

El lado secundario hace circular el refrigerante líquido, mientras que el lado primario disipa el calor mediante serpentines refrigerados por aire y conjuntos de ventiladores hacia el entorno circundante.

Características:

• No requiere una infraestructura externa de tuberías de agua de las instalaciones.
• Despliegue flexible.
• Adecuada para proyectos de modernización en centros de datos existentes o emplazamientos de computación perimetral.

• Sin embargo, la densidad máxima de potencia del rack está limitada por la capacidad de ventilación de la sala.

5.0 Ubicaciones de instalación y arquitecturas de despliegue de las CDU

1. CDU en rack

CDU compacta instalada directamente dentro de un rack de servidores individual.

Ventajas:

• Distancia de transporte del refrigerante más corta.
• Respuesta térmica extremadamente rápida.
• Ideal para la refrigeración de alta densidad de un solo rack.

Limitaciones:

• Requiere un espacio interno de mantenimiento específico en el rack.
• Cada rack requiere una CDU individual.

Aplicación típica:

Refrigeración de un solo rack de aproximadamente 100 kW.

2. CDU en fila

CDU independiente instalada junto a los racks de servidores dentro de la misma fila.

Ventajas:

• Mantenimiento centralizado.
• Puede prestar servicio aproximadamente a 6–20 racks adyacentes.

Desafíos:

• Equilibrado hidráulico entre múltiples racks.
• Gestión más compleja de las tuberías derivadas.

3. CDU centralizada

Grandes sistemas CDU industriales montados sobre skid, instalados en salas mecánicas específicas o en áreas de soporte de las instalaciones.

Ventajas:

• Operación y mantenimiento centralizados.
• Adecuada para salas de datos completas.
• Admite clústeres de computación de IA a escala de MW.

6.0 Comparación conceptual entre CDU, CRAC, CRAH y enfriadora

Para comprender claramente el papel de la CDU dentro de la arquitectura general de refrigeración del centro de datos, la siguiente comparación resume sus diferencias con los equipos tradicionales de refrigeración de centros de datos:

Resumen:

Los sistemas CRAC y CRAH están diseñados únicamente para la refrigeración por aire y no pueden conectarse directamente a las placas frías de los chips de los servidores.

Los sistemas de enfriadoras proporcionan fuentes de refrigeración a nivel del edificio.

La CDU es la única plataforma específica de aislamiento y distribución que presta servicio directo a los sistemas de placas frías de refrigeración líquida de equipos TI de alta densidad.

7.0 Cómo seleccionar la capacidad adecuada de la CDU

La selección de la CDU debe calcularse con precisión de acuerdo con la potencia térmica máxima y las características hidráulicas del clúster de racks.

8.0 Directrices para el diseño del circuito de refrigeración principal

8.1 Gestión química del refrigerante

El circuito de refrigeración secundario normalmente funciona con:

• agua desionizada de alta pureza (agua DI)
  o
• una mezcla diluida de agua y etilenglicol (WEG)

con inhibidores de corrosión cuidadosamente controlados.

Requisitos de supervisión:

Los equipos de operación deben tomar muestras y analizar periódicamente:

• el valor de pH,
• la conductividad eléctrica,
• la concentración de iones cloruro.

Prevención de riesgos:

Una concentración excesiva de cloruros puede provocar:

• corrosión por picaduras en los intercambiadores de calor de placas de acero inoxidable.

Un valor de pH excesivamente bajo puede acelerar:

• la corrosión de las placas frías de cobre.

Todas las CDU estándar deben estar equipadas con puertos específicos para la toma de muestras de refrigerante.

8.2 Control de la condensación (punto de rocío)

Para evitar la formación de condensación en los chips y las superficies de las placas base, el sistema de control de la CDU debe garantizar que:

La temperatura de suministro del refrigerante del lado secundario se mantenga siempre por encima de la temperatura del punto de rocío de la sala.

El margen de diseño habitual es:

2℃–3℃ por encima de la temperatura del punto de rocío.

Cuando se producen condiciones anómalas de humedad en el entorno del centro de datos:

El PLC automáticamente:

• ajusta la apertura de la válvula del lado primario,
• aumenta la temperatura del agua de suministro,
• evita el riesgo de condensación.

8.3 Planificación del caudal y la presión

Durante el diseño de las tuberías, los ingenieros deben controlar la velocidad máxima del refrigerante:

Normalmente por debajo de 1.5–2.5 m/s

para evitar:

• la erosión de las paredes de las tuberías,
• pérdidas hidráulicas excesivas.

En los puntos de conexión de los racks, los ingenieros deben utilizar:

acoplamientos rápidos de baja resistencia y desconexión en seco

para reducir las pérdidas de presión localizadas.

8.4 Mitigación de fugas en múltiples capas

Para proporcionar la máxima protección al costoso hardware de GPU, los sistemas CDU deben incorporar varias capas de protección contra fugas:

1. Capa física

Incluye:

• conectores rápidos de desconexión en seco,
• válvulas manuales/eléctricas de aislamiento a nivel de rack.

2. Capa de supervisión

Incluye:

• cables distribuidos de detección de fugas instalados debajo de los racks y las tuberías.

3. Capa lógica

Cuando el PLC recibe:

• alarmas de detección de humedad,
• señales de fuga,

el sistema automáticamente:

• detiene las bombas,
• cierra las válvulas de suministro de refrigerante,
• activa las notificaciones de emergencia.

9.0 Programa diario de mantenimiento en campo

Para garantizar la estabilidad y fiabilidad a largo plazo de la CDU y del circuito de refrigeración secundario, se recomienda el siguiente programa de mantenimiento estandarizado:

Diariamente

Realizar una inspección visual de:

• las conexiones de los colectores,
• los acoplamientos de desconexión rápida,
• las interfaces de las tuberías.

Confirmar que no existan indicios de:

• fugas,
• filtraciones,
• humedad anómala.

Mensualmente

Inspeccionar:

• la presión diferencial del filtro,
• el estado físico del filtro.

Durante el funcionamiento inicial de los sistemas recién instalados:

• limpiar o sustituir los elementos filtrantes con mayor frecuencia.

Trimestralmente

Realizar el muestreo del refrigerante secundario y las pruebas de equilibrio químico:

• valor de pH,
• conductividad eléctrica,
• concentración de inhibidor de corrosión.

Cada seis meses

Realizar pruebas funcionales de:

• conmutación automática por fallo de la bomba,
• alarmas de detección de fugas,
• funciones de enclavamiento de seguridad.

Cada 2–3 años

Realizar:

• el lavado completo del circuito de refrigeración secundario,
• la sustitución del refrigerante,

• la eliminación de sedimentos microscópicos acumulados.

10.0 Tendencias futuras de desarrollo de la industria

10.1 Desarrollo a corto plazo (tecnologías comerciales próximas)

1. Arquitectura de refrigeración con agua templada

Al aumentar la temperatura del agua de suministro del lado primario:

32℃–45℃

las arquitecturas de refrigeración con agua templada pueden maximizar el aprovechamiento de las fuentes naturales de refrigeración exteriores (Free Cooling), reduciendo considerablemente el tiempo de funcionamiento de las enfriadoras mecánicas.

2. Control predictivo del caudal mediante IA

Mediante la combinación de:

• modelos de redes neuronales,
• predicción de la carga de trabajo de la GPU,
• análisis térmico en tiempo real,

los futuros sistemas de control de CDU podrán ajustar de forma proactiva la salida de las bombas de velocidad variable, eliminando los retrasos en la respuesta de temperatura.

3. Diseño modular prefabricado sobre skid

Los sistemas CDU sobre skid integrados y probados en fábrica permiten:

• un despliegue rápido,
• una instalación estandarizada,
• una ampliación modular.

Esto permitirá ensamblar los futuros centros de datos mediante un enfoque de bloques de construcción.

10.2 Tendencias de evolución a largo plazo

1. Integración del gemelo digital

Mediante la creación de modelos completos de simulación térmica y de fluidos de la infraestructura de refrigeración, los sistemas de gemelo digital permitirán:

• predicción de fallos en tiempo real,
• optimización dinámica de la refrigeración,
• toma de decisiones operativas inteligente.

2. Sistemas completos de recuperación del calor residual

Las futuras infraestructuras de refrigeración líquida capturarán el calor residual de alta calidad de los servidores y lo reutilizarán para:

• calefacción urbana,
• aplicaciones en invernaderos,
• producción de agua caliente sanitaria.

3. Arquitectura CDU híbrida simplificada

Una futura generación de hardware CDU podrá admitir múltiples tecnologías de refrigeración dentro de una plataforma unificada, entre ellas:

• refrigeración líquida directa al chip,
• refrigeración por inmersión,
• refrigeración tradicional por aire.

Esto permitirá una asignación flexible de los recursos de refrigeración en entornos de computación heterogéneos.