El crecimiento considerable del consumo de energía de los centros de datos de tecnología de información ofrece a las empresas una excelente oportunidad para desarrollar productos centrados en la eficiencia energética.
Los centros de datos registran un aumento anual del consumo energético del 16%. Debido a la creciente demanda de computación en la nube, de redes sociales, de multimedia y de prestación de servicios computacionales, la Administración Pública y las empresas comerciales tendrán que gastar cada año alrededor de 8 mil millones de dólares para alimentar y refrigerar los centros de datos. Los sistemas de servidores y la refrigeración consumen la mayor parte de la energía.

Las tradicionales arquitecturas de alimentación de estos servidores están alcanzando los límites tecnológicos de la eficiencia energética. Es posible que algunas estrategias para mejorar la eficiencia requieran diseñar de nuevo toda la infraestructura de alimentación del centro de datos para reducir el consumo de energía, pero esta solución supone un coste prohibitivo. Diseñar de nuevo el edificio y la infraestructura del centro de datos puede costar, fácilmente, decenas de millones de dólares.

Empresas como IDT han abordado el problema centrándose en la eficiencia energética total del sistema de servidores, sin necesidad de modificar significativamente la infraestructura ni el edificio del centro de datos. La arquitectura de alimentación de alta eficiencia de IDT para servidores, conocida como coolRAC (siendo RAC el acrónimo de corriente alterna resonante), es una solución viable capaz  de aportar importantes ahorros de energía.
La eficiencia total del servidor se mide desde la entrada de corriente alterna (CA) hasta los procesadores en la placa base, pasando por su bastidor. Las arquitecturas de plataformas de servidores suelen tener una eficiencia total de conversión energética del 80% y utilizan a menudo componentes de alto coste. Esto significa, en términos simples, que alrededor del 20% de la energía consumida se pierde en forma de energía térmica. Con soluciones como coolRAC de IDT se puede mejorar esta conversión alcanzando una eficiencia superior al 90%, lo que reduce las pérdidas de energía y los requisitos de refrigeración relacionados. Puesto que coolRAC utiliza la actual infraestructura eléctrica de los centros de datos, esta tecnología puede readaptarse fácilmente a los centros existentes sin necesidad de costosas modernizaciones de los edificios.

Los servidores informáticos montados en bastidor, con múltiples procesadores y un mínimo de tiempos de inactividad, normalmente consumen más del 70% de la energía de los centros de datos. Por ejemplo, un gran centro, dotado de 50.000 servidores, puede consumir más de 12 MW de energía. Al mejorar la eficiencia de los servidores mediante la tecnología coolRAC de IDT, es posible conseguir directamente ahorros de energía superiores a 1 MW. Basándose en una estimación prudente de 0,10 dólares por kWh, esto equivale a un ahorro directo de más de 800.000 dólares anuales en los costes de energía. Además, contribuye a aumentar la capacidad de procesamiento del centro de datos. La tecnología coolRAC utiliza una corriente de entrada estándar (corriente alterna trifásica de 220/480 V) y una distribución de corriente alterna de alta frecuencia (CA AF).

Concepto de coolRAC con distribución de CA de alta frecuencia
Para conseguir el máximo efecto en la eficiencia del sistema global, el primer paso consiste en abordar la eficiencia de los convertidores de punto de carga (POL). En las arquitecturas actuales, los convertidores reductores han demostrado ser la topología de convertidores POL más simple, más eficiente y más rentable. Sin embargo, los circuitos integrados digitales modernos requieren que el convertidor POL suministre una corriente continua con una tensión de salida de aproximadamente 1 V. Como consecuencia, un convertidor reductor con una tensión de entrada de 12 Vcc tendrá una alta tasa de conversión y, por consiguiente, no podrá alcanzar una alta eficiencia para una tensión de salida de 1Vcc. La importancia de mejorar la eficiencia en el punto de carga se muestra en las tablas 1 y 2 al comparar la eficiencia y las pérdidas de energía para diferentes arquitecturas en etapas específicas.

Para reducir la tasa de conversión y aumentar la eficiencia POL, hay que disminuir la tensión de bus de entrada en el punto de carga. La figura 1 muestra un aumento espectacular de la eficiencia POL sin otro cambio que la reducción de la tensión de bus de entrada en pasos de 12 V a 5 V.

La eficiencia podría aumentar aún más si se utilizaran interruptores de silicio con una tensión nominal más baja. Los dispositivos con tensiones más bajas alcanzarían, a un coste comparable, niveles de eficiencia incluso más altos que los que se muestran en la figura 1. Esto se debe al precio más bajo por área de silicio o, en otras palabras, a la reducida resistencia en conducción drenaje-fuente (Rdson) por área de silicio. Asimismo, un cliente puede optar, en función de la aplicación, por ahorrar costes de silicio en el caso de que una alta eficiencia no sea esencial y seguir mejorando considerablemente la eficiencia en comparación con un bus de entrada de 12 V.

Dada la tendencia de la industria a reducir las tensiones de alimentación de entrada en los modernos circuitos integrados digitales, tales como CPU, GPU, ASIC y memorias, la reducción de la tensión de entrada en el punto de carga se ha convertido en una cuestión primordial para los convertidores POL altamente eficientes. Según parece, para las aplicaciones industriales de hoy en día, una tensión de bus de entrada POL de 5 Vcc es la solución óptima para sistemas de servidores. Esta baja tensión de entrada reduce significativamente la tasa de conversión de tensión y aumenta la eficiencia energética. Además, los componentes de alimentación con una tensión nominal de 5 V están fácilmente disponibles en el mercado actual. La eficiencia de pico del 96% para un convertidor reductor de 5 Vcc a 1,2 Vcc, mostrada en la figura 1, se demostró con interruptores de silicio con una tensión nominal de 30 V, y sería posible aumentarla aún más con dispositivos de 12 V de tensión nominal.

No obstante, al suministrar la corriente de entrada al punto de carga a tensiones más bajas aumentan las pérdidas en los medios de distribución, por lo que un sistema de distribución de 5 Vcc no resulta práctico en la mayoría de los casos. Se necesitan esquemas sofisticados de placas tipo backplane, incluyendo conectores, placas de circuito impreso backplane y barras colectoras de alto coste, para conseguir una pérdida modesta de energía del 2% en una arquitectura de distribución tradicional de 12 Vcc para sistemas de servidores de gama alta. Al cambiar la tensión de distribución a 5 V, se multiplicarán las pérdidas de energía más de cinco veces.

La tecnología coolRAC de IDT suministra con máxima eficiencia energética una baja tensión al punto de carga; de este modo, soluciona el conflicto fundamental que consiste en maximizar la eficiencia para el convertidor POL (que exige una distribución de BAJA tensión) y minimizar las pérdidas en el sistema de distribución de energía (que exige una distribución de ALTA tensión).

La figura 2 compara la arquitectura de distribución más común, de 12 Vcc, y la solución coolRAC de IDT. Se muestra un sistema redundante con N fuentes de alimentación frontales que alimentan K unidades de procesamiento.
Evidentemente, las dos arquitecturas constan de un número igual de etapas de conversión de potencia. El simple desplazamiento de los rectificadores síncronos (SR) desde las fuentes de alimentación hacia las placas base permite usar una tensión de distribución razonablemente alta (por ejemplo de 50 V entre picos). Esto minimiza las pérdidas en los medios de distribución. La magnitud de Vca de distribución definida por la relación de vueltas del transformador es muy flexible y posibilita una solución óptima y escalable para sistemas de servidores con diferentes niveles de potencia.

Obviamente, la arquitectura redundante de distribución de CA AF plantea mayores retos para los diseñadores que los sistemas de distribución de CC tradicionales, como por ejemplo la sincronización de los generadores y la compartición de corriente necesaria para funciones tales como la redundancia de fuentes de alimentación intercambiables en caliente. Este es el motivo principal por el que el mercado no ha adoptado generalmente el concepto de distribución de CA AF.

Desde hace muchos años, los expertos conocen las ventajas de la topología de distribución de CA AF, pero su puesta en marcha no ha sido viable debido a los problemas para controlar múltiples generadores de CA en paralelo y de implementar un algoritmo de control eficiente y fiable para los rectificadores síncronos. Sin embargo, los últimos avances conseguidos en las técnicas de conversión analógico-digital y de control digital convierten esta topología en una oferta atractiva en el mercado.

Teniendo en cuenta las diferencias fundamentales entre corrientes alternas y continuas, la distribución de CA AF ofrece como ventaja adicional, en comparación con la distribución de CC, la posibilidad de utilizar componentes de energía reactiva para la regulación, además de componentes disipadores de energía activa. Utilizando topologías resonantes en la arquitectura coolRAC descrita, se pueden proporcionar funciones de conexión en caliente y de redundancia sin necesidad de circuitos OR o de control de irrupción.

Por descontado, todas estas ventajas solamente han sido posibles después de desarrollar nuevos algoritmos de control digital y analógico e implementarlos en nuevos circuitos integrados de control para convertir esta nueva arquitectura de distribución de CA AF en un sistema viable y rentable.

Conclusión
La necesidad de energía eléctrica de los centros de datos sigue aumentando para satisfacer la creciente demanda de capacidad de procesamiento. Puesto que los servidores consumen la mayor parte de la energía en un centro de datos, un aumento de la eficiencia de los servidores tendría el mayor impacto para ahorrar energía, reducir los requisitos de refrigeración y bajar costes.

La arquitectura de bus intermedio coolRAC de IDT es un ejemplo de una solución de alimentación para servidores que aumenta la eficiencia, reduce las pérdidas de energía térmica y, por consiguiente, el consumo energético sin necesidad de cambiar a gran escala el diseño del centro de datos. Nuevas mejoras de dispositivos de silicio, tales como MOSFET de 12 V para convertidores POL, permitirán seguir avanzando hacia niveles aún más altos de eficiencia del sistema total.

Cada año se instalan más de ocho millones de servidores en todo el mundo y, según estimaciones, el consumo energético anual total de los sistemas de servidores asciende a más de 60 mil millones de kilovatios. A medida que los gestores de centros de datos tomen conciencia de las necesidades de crecimiento y de los costes de sus empresas, el consumo de energía de los servidores se convertirá en un factor clave a la hora de determinar el sistema más eficiente y más rentable.

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