Lenovo trae un aire fresco a los superordenadores

El Leibniz Supercomputing Centre (LRZ) de Munich, Alemania, no es un superordenador al uso. Por supuesto que hay miles de servidores, o nodos, apilados en filas en un sótano cerrado. Tal y como lo ven los técnicos, su trabajo consiste en realizar cálculos sobre grandes cantidades de datos para resolver los dilemas de organizaciones de investigación, o llevar a cabo simulaciones para mejorar las predicciones de desastres naturales futuros como tsunamis y terremotos.

Pero todo está inquietantemente tranquilo. Uno diría que demasiado. El familiar zumbido del aire caliente saliendo de los ordenadores a toda potencia prácticamente no se oye. ¿Dónde están los ventiladores?

Pues parece que ya no quedan. El SuperMUC NG del LRZ, con un gran número de cabinas de servidores ThinkSystem SD650 de Lenovo, apenas necesita ventiladores: tan solo hay los necesarios para enfriar las fuentes de alimentación y los refrigeradores internos instalados cada ocho filas.

El resultado: «el ruido ambiental del centro de datos es ahora menor que el de una oficina convencional», comenta Rick Koopman, director técnico para EMEA de Computación de Alto Rendimiento en Lenovo.

Aun así, Lenovo ha sido capaz de mantener el LRX en funcionamiento todo este tiempo con unos niveles de reducción energética del 40 %, lo que ha disminuido en gran medida la factura eléctrica del centro e, igualmente, el impacto medioambiental. «Queríamos optimizar todo lo que ponemos en un superordenador y lo que obtenemos de él, en lo que respecta a eficiencia», declara.

El secreto: un enfoque sostenible y el uso de agua caliente para enfriar el centro de datos. Lo cual, en un principio, suena un poco como repostar un Fórmula 1 con las emisiones de su propio tubo de escape. Así que, ¿cómo lo hacen?

Un gigante verde

Lenovo lleva tiempo siendo una empresa destacada en el sector de HPC. De hecho, en 2017 se fijó el objetivo de convertirse en el mayor proveedor a escala mundial de sistemas de supercomputación, según el ranking del proyecto TOP500 para 2020, objetivo que alcanzo tan solo un año después.

Koopman y otros entienden que los avances futuros en la supercomputación deben hacerse de forma sostenible, y sus demandas de energía deben satisfacerse de manera considerada.

«El enfoque principal del LRZ es un enfoque “verde”. Al hacer hincapié en la sostenibilidad y reducir la huella de carbono para su gran superordenador de uso genérico, ahora tienen un sistema realmente eficiente», comenta. Y el SuperMUC NG es solo un ejemplo: De hecho, 177 de los sistemas que aparecen en la lista Green500 del proyecto TOP500 de superordenadores con eficiencia energética son de Lenovo.

En principio, supercomputación sostenible suena a oxímoron. Después de todo, a medida que los procesadores se vuelven más rápidos, requieren más energía.

Cuando la compañía comenzó a trabajar por primera vez en el SuperMUC del LRZ en 2012, los nodos de computación HPC habituales usaban procesadores que requerían de 100 a 200 W (vatios) de potencia por procesador. Esa cifra supera hoy fácilmente los 200 W y seguirá aumentando por encima de los 300 W en 2021.

Y, a más vataje, más calor que hay que eliminar de los procesadores para mantenerlos dentro del rango de temperatura operativa óptima. Normalmente, con la generación actual de procesadores, cuando la temperatura de unión de los procesadores internos supera los 80 grados, el silicio de los chips comienza a degradarse.

«Si miramos estos componentes básicos y la cantidad de energía que necesitan, para un servidor con dos procesadores de 300 W, cuatro aceleradores usando hasta 500 W cada uno, más la memoria, las unidades y los adaptadores de red, hablamos de más de 3000 W por servidor, y hay treinta y seis servidores en un rack de computación estándar con 42U de 19 pulgadas», afirma Koopman.

En otras palabras, todo suma: una lavadora normal necesita 500 W, lo que significa que un rack de computación como el del ejemplo usa la misma energía que 210 lavadoras funcionando al mismo tiempo. ¿Cómo se pueden reducir esos costes energéticos y aumentar la eficiencia operativa al mismo tiempo, mientras los requisitos siguen aumentando?

Nuevas soluciones sostenibles

A medida que aumenta la demanda energética, se empeora el problema, por lo que se ha hecho necesaria una nueva solución. Es fundamental librarse del calor generado, pero el método conocido (ventiladores y aire) ya no es lo bastante eficiente para eliminar el calor de los servidores.

«El método antiguo enfría la sala del centro de datos y utiliza los ventiladores para expulsar el aire caliente», explica Koopman. De ahí el ruido. Pero enfriar el aire no es para nada eficiente en las soluciones HPC actuales y futuras, y con estas soluciones utilizando cabinas de hardware cada vez más densas, no es ni siquiera viable.

«Estamos llegando a un punto en que la refrigeración por aire ya no es una opción», precisa. «Puede usarse hasta un máximo de 32 a 36 kilovatios (kW) con la ayuda de intercambiadores de calor traseros, pero por encima de ahí el aire deja de ser eficiente, y con 36 nodos en un rack de computación estándar y un consumo por nodo de 3000 W nos encontraremos con racks que requieren una conectividad energética y refrigeración superiores a los 90 kW. No es posible librarse del aire lo bastante rápido, sería necesario un huracán».

Aquí es donde entra el concepto de refrigeración por agua caliente: la idea de mover agua que para nosotros está caliente, pero que, a 45 o 50 grados Celsius, sigue estando más fría que los procesadores a pleno rendimiento. De este modo, el LRZ es capaz de eliminar, aproximadamente, un notorio 90 % de la energía calorífica de sus nodos SD650, de forma limpia y silenciosa.

Lenovo introdujo la refrigeración mediante agua caliente por primera vez a gran escala en el LRZ en 2012, y las ventajas sobre la ventilación por aire son muchas y variadas. La misma masa de agua almacena cuatro veces más energía que el aire a una temperatura dada, y el suministro de agua puede estar en contacto directo con todos los elementos que necesitan enfriarse, lo que focaliza mucho más el proceso. «La transferencia de calor al agua es mucho más eficiente», comenta Koopman.

Puesto que el agua también se contiene en una tubería, es muy sencillo usarla repetidas veces. En función de la ubicación del centro de datos y de la temperatura exterior, tan solo con dejarla correr por el equipo del intercambiador de calor en el tejado de los centros de datos evita que el exceso de calor del hardware salga al exterior.

El agua caliente puede usarse también de otros modos: para piscinas climatizadas, o para climatizar invernaderos agrícolas en las inmediaciones. En el LRZ puede utilizarse incluso como parte de la climatización del campus. Y todo ello viene a sumarse a los ahorros energéticos e impacto medioambiental que supone una reducción del uso de la electricidad.

Una triple estrategia

Este es solo un elemento de la tecnología de enfriamiento líquido Neptune de Lenovo, que enfoca la eficiencia energética del centro de datos de tres modos: enfriamiento mediante agua caliente, optimización del software (que ha proporcionado más de un 10 % de ahorros adicionales en energía regulando el hardware en función de la necesidad) y avances en infraestructura.

Esta última función es quizá la más notable desde el punto de vista de la sostenibilidad. Para el SuperMUC NG del LRZ, Lenovo ha puesto en marcha una tecnología de refrigeración por absorción para generar agua fría que refresque los racks de almacenamiento y red a partir de agua caliente. «Es básicamente el modo en que funciona una nevera», dice Koopman. «Tiene un segundo circuito de refrigeración que proporciona agua fría para las soluciones de almacenamiento y red».

Se necesitan menos refrigeradores para generar esta agua fría que se añade a escala de superordenador. Pero igualmente importante es que, a medida que los centros de datos adquieren más potencia, estas técnicas pueden aplicarse también en el futuro en cualquier solución del sector tecnológico.

«Dado que mejora la eficiencia general del centro de datos, es algo que puede convertirse en una solución estándar en muchos centros de datos a gran escala, y que les permitirá reducir el número de refrigeradores necesarios instalados actualmente para mantenerlos fríos», añade Koopman.

«La creciente necesidad de energía y refrigeración va a convertirse en un problema en todo el sector tecnológico, no solo en el sector de los superordenadores. El vataje de los procesadores, aceleradores y otros componentes utilizados en los servidores sigue aumentando. Todos y cada uno de los centros de datos experimentarán este problema». Y cuando ello ocurra, Lenovo tendrá la solución, lista y esperándoles.