Clústers de ordenadores capaces de calentar edificios

Un nuevo sistema de enfriamiento por agua hace que los ordenadores utilicen su calor de forma más eficiente para calentar edificios.
Se han utilizado para hacer modelos informáticos del cambio climático, para prever las tendencias económicas, y simular la complejidad intrínseca de las proteínas. Sin embargo, IBM tiene en mente una nueva aplicación para los ordenadores de alto rendimiento: calentar edificios.

Gracias a un nuevo sistema de enfriado por agua instalado en el propio chip que ha desarrollado la compañía, la energía térmica de un grupo de procesadores informáticos se puede reciclar de forma eficiente para suministrar agua caliente a una oficina, afirma Bruno Michel, director de empaquetado termal avanzado en el Laboratorio de Investigación de IBM en Zurich, Suiza. El objetivo, afirma, es mejorar en rendimiento energético de los grandes grupos de ordenadores y reducir el impacto ambiental que provocan.

Un esquema piloto basado en un sistema informático equipado con este tipo de tecnología se espera que logre ahorra 30 toneladas de emisiones de dióxido de carbono al año—el equivalente a un 85 por ciento de reducción en la huella de carbono. Una novedosa red de capilares microfluídicos dentro de una placa de disipación térmica se adhiere a la superficie de cada chip dentro del grupo de ordenadores, lo que permite que el agua se pueda bombear a sólo micrones del material semiconductor mismamente. A pesar de su proximidad con el circuito, no hay riesgo de gotera, afirma Michel, puesto que los capilares están herméticamente sellados. Al hacer que el agua pase tan cerca de los chips, el calor se puede disipar de forma más eficiente. El agua, calentada a 60 °C, se pasa a través de un intercambiador de calor para así generar el calor que será finalmente distribuido a otras zonas.

IBM ha empleado varios años en desarrollar esta tecnología de enfriado microfluídica, y tiene previsto ponerla a prueba con el Instituto Federal de Tecnología de Suiza, en Zurich. Un clúster de 10 teraflops consistente en dos Servidores BladeCenter de IBM será utilizado por el Laboratorio de Ciencia Informática e Ingeniería de la universidad para poder generar los modelos de las dinámicas de los fluidos que son necesarios para la investigación nanotecnológica. Después el agua se bombeará en el sistema de calefacción de la universidad, lo que ayudará a calentar 60 edificios. “Este es el primer sistema a gran escala,” afirma Michel. “Tiene un tamaño aproximadamente 20 veces menos al de un centro de datos típico.” El objetivo final de esta tecnología, afirma, es ayudar a combatir los problemas de calentamiento que sufren los centros de datos de gran tamaño.

Hasta un 50 por ciento de la energía que consumen los centros de datos modernos se gasta en enfriar el aire. La mayoría del calor se desperdicia puesto que simplemente se arroja a la atmósfera. Se han dado pocas iniciativas para reciclar el calor que generan los centros de datos convencionales. Por ejemplo, un centro de datos de 9 pisos y 18.500 metros cuadrados que la compañía de alojamiento Telehouse está construyendo en Londres será capaz de proveer calefacción a las oficinas cercanas. Otras compañías, entre las que se incluye IBM, han utilizado el exceso de calor para calentar invernaderos o piscinas. Sin embargo, la reutilización de los residuos térmicos resulta bastante cara puesto que las temperaturas que se pueden recolectar son relativamente bajas, afirma Frank Brand, director de operaciones del centro de datos de la compañía holandesa de ingeniería Imtech. “Sólo se pueden obtener de 30 a 35 grados Celsius,” afirma.
Por el contrario, y puesto que el agua es mucho más eficiente que el aire para capturar el calor, el enfriamiento a base de agua hace que se obtengan temperaturas mucho más elevadas, señala Michel. El agua se utilizó en un principio para enfriar los ordenadores, aunque este método consistía únicamente en unas tuberías de agua fría que pasaban por detrás de las cajas de los servidores para enfriar el aire cercano a los armarios de metal.

Según algunas estimaciones, la infraestructura de la tecnología de la información es responsable de un 2 por ciento de las emisiones globales de dióxido de carbono, lo que la equipara con la aviación. Y hay expertos que aseguran que esta cifra se duplicará en los próximos cinco años.

“Es más eficiente calentar el agua y trasladarla a algún otro lugar que hacer lo mismo con el aire,” afirma Jonathan Koomey, científico de proyectos en los Laboratorios Nacionales Lawrence Berkeley y profesor asesor en la Universidad de Stanford. En 2005, los centros de datos consumían un 1 por ciento de la electricidad mundial—el doble que en 2000, afirma Koomey. Sin embargo, no está convencido de que esta cifra siga subiendo. “Hay muchas formas de mejorar la eficiencia de los centros de datos,” afirma. Por ejemplo, un mejor control de los centros de ordenadores podría ayudar a mejorar los niveles de eficiencia de forma dramática. “Tenemos servidores que, como media, funcionan a un 5 o 15 por ciento de su carga máxima,” afirma Koomey. “Incluso si el servidor no lleva a cabo ninguna tarea, aún así está consumiendo entre un 60 y un 70 por ciento de potencia.”

Brand también señala que “usar el aire para enfriar resulta mucho más barato” y que los centros de datos modernos consumen mucha menos energía de enfriado que los centros más antiguos.

La tendencia hacia el apilamiento de los procesadores unos encima de otros para incrementar la densidad de potencia es otra razón por la que IBM sigue apostando por este sistema microfluídico de enfriamiento con agua, afirma Michel. Los chips tridimensionales de este tipo suponen un serio problema para los sistemas de enfriamiento tradicionales a base de aire,” afirma.

Administrar Energía con Lógica de Enjambre

Equipamiento autoorganizado podría reducir las facturas de energía.

Las unidades de aire acondicionado y los sistemas de calefacción son ejemplos de equipos que consumen mucha energía que se encienden y apagan regularmente en los edificios comerciales. Cuando todos los equipos se encienden simultáneamente, el consumo de energía alcanza picos, y a los dueños del edificio les quedan grandes gastos por las demandas pico en sus facturas de electricidad.

Una startup ubicada en Toronto dice que ha creado un modo para reducir el uso de energía al imitar el comportamiento de auto-organizarse de las abejas. REGEN Energy desarrolló un controlador inalámbrico que se conecta a la caja de controles en una unidad de equipo de un edificio y funciona como un interruptor inteligente de energía. Una vez que se activan varios controladores, se detectan entre sí usando un estándar de red llamado ZigBee y comienzan a negociar cuándo es el mejor momento para encender y apagar los equipos. Los dispositivos captan los ciclos energéticos de cada aparato y los reconfiguran para maximizar la eficiencia colectiva.

La meta es evitar que todo se encienda simultáneamente sin sacrificar el rendimiento individual. Los dispositivos resuelven el problema utilizando un “algoritmo de enjambre” que coordina la actividad sin que ningún dispositivo individual emita órdenes.

“Cada nodo piensa independientemente”, dice Mark Kerbel, cofundador y presidente ejecutivo de REGEN Energy, que inventó el algoritmo patentado que está incorporado a cada dispositivo. Él explica que antes de tomar una decisión, el nodo considerará las circunstancias del resto de los nodos de su red. Por ejemplo, si una nevera necesita pasar al ciclo de encendido para mantener una temperatura mínima, un nodo conectado a un ventilador o a una bomba permanecerá apagado 15 minutos más para que el uso de la energía quede por debajo de cierto umbral. “Los dispositivos deben satisfacer la restricción local pero a su vez deben satisfacer el objetivo del sistema”, dice Kerbel, agregando que un edificio típico puede tener entre 10 y 40 controladores trabajando juntos en una sola “colmena”. Los dispositivos son simples y se instalan rápidamente, y como no hay intervención humana, no se necesita de capacitación especial para usarlos.

Es una forma espectacular de dejar de lado el modelo de comandos de arriba hacia abajo asociado a los sistemas actuales de automatización de edificios. Algunos investigadores dicen que este método descentralizado para administrar la energía ofrece un modo más efectivo y más barato para administrar la oferta y demanda de un sistema eléctrico que se balancea delicadamente. De hecho, algunos creen que sería una indicación temprana para que emerja la red eléctrica inteligente.

“Se está notando mucho más interés por esto a una escala modesta”, dice David Chassin, un científico del grupo de energía-tecnología del Pacific Northwest National Laboratory que está dirigiendo la iniciativa de la cuadrícula inteligente GridWise.

Los beneficios podrían extenderse más allá de ahorros de energía para los propietarios de edificios. El sistema eléctrico actual está diseñado para picos de consumo, lo que significa que las centrales de energía se construyen para satisfacer esos pocos minutos del día cuando aparecen brotes de demanda superiores al promedio diario. Al reducir los picos de demanda a gran escala, las empresas de servicios públicos pueden maximizar la operación de centrales de energía existentes y a la vez reducir la necesidad de construir centrales nuevas para usos ocasionales. Otro beneficio potencial es la reducción de emisiones de carbono, ya que las centrales de energía que proveen la electricidad para los picos generalmente son menos eficientes y son a base de carbón y gas natural.

Interruptor inteligente: El controlador que aparece aquí podría mejorar la eficiencia de la energía de los aparatos de los edificios. Los dispositivos se comunican por vías inalámbricas y utilizan algoritmos que se enjambran para decidir colectivamente como van a administrar el uso de la energía.