Todas as discussões sobre o planeamento de instalações de IA acabam por convergir para a mesma bifurcação: placas frias de refrigeração direta no chip (direct-to-chip) ou imersão total. Ambas as soluções transportam o calor através de líquido, superando o ar numa ordem de grandeza; contudo, divergem em quase tudo o que dita o sucesso do projeto: a percentagem do servidor que refrigeram, os requisitos impostos ao edifício, os procedimentos de manutenção do hardware e as exigências do circuito de fluido em relação às bombas. As comparações efetuadas pelos fornecedores tendem a privilegiar a arquitetura que estes comercializam. Este guia compara ambas as opções numa perspetiva de engenharia, com recurso aos dados que fundamentam os projetos reais e às implicações para as bombas e circuitos de fluidos, que a maioria das comparações costuma omitir.
Como Cada Arquitetura Remove o Calor
Refrigeração direta no chip: captura orientada
A refrigeração direta no chip (direct-to-chip) assenta na instalação de placas frias seladas sobre os componentes com maior fluxo de calor, nomeadamente as CPUs e GPUs, circulando uma mistura de água e glicol através de microcanais no seu interior, com um caudal aproximado de 0,5 a 2 litros por minuto (LPM) por placa. A resistência térmica entre o processador e o líquido de refrigeração desce para valores entre 0,02 e 0,10°C/W, uma eficiência dez a vinte vezes superior à de um dissipador de calor a ar. O circuito integra uma unidade de distribuição de líquido de refrigeração (CDU), responsável por isolar o fluido da infraestrutura tecnológica da rede de água da instalação, mantendo o caudal, a temperatura e a pressão nos valores de referência. Este sistema captura entre 60 a 80 por cento da carga térmica do bastidor (rack); componentes como memória, conversores de energia e unidades de armazenamento continuam a rejeitar calor para o ar, exigindo que a sala mantenha um sistema complementar de refrigeração a ar, ainda que reduzido.
Imersão: captura de todo o servidor
O sistema de imersão elimina totalmente as barreiras ao mergulhar as placas do servidor num fluido dielétrico. Nos sistemas monofásicos, o fluido é bombeado através de um permutador de calor e volta para o tanque. Os sistemas bifásicos, por outro lado, permitem que o fluido entre em ebulição sobre os componentes quentes e condense numa serpentina instalada na parte superior, transferindo o calor por mudança de fase, com necessidades mínimas de bombagem. A captura de calor ronda os 98% da carga das TI, os ventiladores dos servidores são eliminados e a densidade equivalente de rack pode atingir valores de 100 a 250 kW por tanque. O preço a pagar recai sobre a vertente operacional: os servidores carecem de versões específicas para imersão, as operações de manutenção exigem o levantamento de hardware molhado do interior do fluido e a instalação passa a exigir um programa de gestão de fluidos inédito.
Frente a Frente: Os Números que Decidem Projetos
| Critério | Direta no chip | Imersão monofásica | Imersão bifásica |
|---|---|---|---|
| Densidade prática por rack | 60 a 120 kW | 50 a 150 kW | 100 a 250+ kW |
| Percentagem de captura de calor | 60 a 80% | ~98% | ~98% |
| PUE Típico | 1,05 a 1,15 | 1,02 a 1,10 | 1,01 a 1,08 |
| Modificação do servidor | Placas frias em chassis standard | Hardware certificado para imersão | Certificado para imersão e qualificado para tanque selado |
| Fluxo de trabalho de serviço | Hot-swap de rack standard com acoplamentos rápidos | Acesso ao tanque, manuseamento de fluidos e procedimentos de secagem | Tanque selado, controlo da perda de fluidos, procedimentos especializados |
| Fluido de refrigeração | Água-glicol, 20 a 35% | Hidrocarboneto dielétrico | Fluido de ebulição fabricado |
| Adequação para Retrofit (Modernização) | Elevada, implementação rack a rack | Baixa, necessidade de pods dedicados ou novas instalações (greenfield) | Muito baixa, exige instalações concebidas de raiz para o efeito |
Os Quatro Eixos de Decisão
Trajetória da densidade
Os bastidores de GPUs de última geração operam com potências entre 40 a 120 kW, enquadrando-se perfeitamente no território da refrigeração direta no chip, motivo pelo qual as configurações recomendadas pelos OEMs para os principais sistemas de IA são fornecidas com placas frias. Quando as projeções apontam para mais de 150 kW por rack, a solução de imersão torna-se mais apelativa. A arquitetura escolhida deve estar alinhada com a densidade esperada para os próximos cinco anos, embora uma abordagem híbrida possibilite o adiamento de decisões para cenários extremos.
Adaptação de instalações (retrofit) ou construção de raiz (greenfield)
A tecnologia direta no chip permite a integração numa sala de dados existente, fila a fila, tirando partido de bastidores e chassis normalizados, com uma unidade CDU por fila ou bastidor. Em contrapartida, os tanques de imersão impõem exigências significativas ao nível da capacidade de carga do pavimento, da contenção de derrames, da estratégia de proteção contra incêndios e de adaptações elétricas. Estes fatores tornam-nos desadequados para projetos de modernização de infraestruturas (retrofit), assumindo-se como opções robustas apenas para instalações construídas de raiz (greenfield). A maior parte da capacidade projetada para inteligência artificial até 2026 prevê a ocupação de edifícios já existentes ou com estruturas convencionais, justificando a predominância atual das placas frias no mercado.
Modelo de operações
A manutenção de placas frias assemelha-se às tarefas rotineiras das equipas de manutenção: acoplamentos de desconexão rápida, substituição a quente (hot-swap) e fluxos de trabalho conhecidos nos bastidores. A refrigeração por imersão, por seu turno, exige uma mudança profunda na cultura operacional, introduzindo novos requisitos de limpeza de fluidos, testes de compatibilidade e protocolos de elevação. Uma arquitetura que se adeque à equipa existente no terreno irá sempre superar uma solução teoricamente mais avançada, mas para a qual ninguém se encontra preparado.
Normas e garantia
A solução direta no chip tira partido de normas de conceção maduras, destacando-se as especificações de interface OCP ACS e uma grande diversidade de placas frias com garantia original do fabricante (OEM). Embora a certificação do hardware para imersão apresente progressos, continua a ser muito dependente de cada fornecedor, e as condições da garantia para operação submersa exigem uma validação casuística.
Os requisitos que cada arquitetura exige das bombas e dos circuitos de fluidos
Trata-se da vertente comparativa frequentemente ignorada na maioria dos artigos, sendo precisamente aqui que se materializam as falhas operacionais.
Refrigeração direta no chip: um circuito de precisão de água e glicol
A rede de refrigeração tecnológica é um circuito de elevada resistência: microcanais na placa fria, engates rápidos e redes de coletores originam quedas de pressão progressivas sob um fluxo de intensidade média. As bombas operam em regime contínuo, a velocidade variável, no interior da Unidade de Distribuição de Refrigeração (CDU), dispostas em esquemas N+1, devendo assegurar uma pressão estável mesmo com o progressivo entupimento dos filtros, sem qualquer margem para fugas no interior da sala de dados. Além disso, a viscosidade acrescida do glicol a baixas temperaturas impõe a necessidade de redução das curvas de rendimento. As bombas de circulação de acionamento magnético sem vedante, com vias de contacto com o fluido em aço inoxidável, são ideais para esta exigência, tal como se detalha no guia de seleção de bombas de refrigeração líquida para data centers de IA; a bomba magnética de vórtice MDW responde à exigência de baixo fluxo contínuo e sem fugas, e a funcionalidade de inversão de marcha facilita o enchimento e purga do circuito.
Imersão monofásica: circulação de fluidos dielétricos
As bombas de circulação em tanques operam com fluidos dielétricos sintéticos, que se caracterizam pela reduzida capacidade de lubrificação e exigem uma rigorosa compatibilidade de materiais. A contenção de derrames assume uma relevância secundária no que respeita ao risco para os componentes eletrónicos, uma vez que o fluido não é condutor, assumindo, porém, particular importância no que concerne aos custos do próprio fluido e à manutenção da limpeza da instalação. A adequação dos materiais de vedação e da estrutura dos rolamentos deve ser meticulosamente confirmada face à composição química específica do fluido.
Imersão bifásica: bombagem reduzida
A ebulição e a condensação são responsáveis pela transferência de calor, pelo que a função da bomba se restringe à reposição, filtragem e gestão de condensados. A complexidade de engenharia transfere-se para a garantia de estanqueidade do tanque e para o controlo da perda de fluidos, especialmente numa fase em que a indústria se afasta dos fluidos da família PFAS.
As alegações de eficiência exigem uma análise mais atenta
Os valores publicados de PUE são mais favoráveis à imersão, e parte dessa vantagem é inegável: a ausência de ventiladores nos servidores elimina um consumo de energia real. Contudo, parte desta vantagem deve-se à forma como o cálculo é feito. A energia despendida com os ventiladores é suprimida da vertente de TI no cálculo do PUE e redefine os critérios de avaliação, o que beneficia a arquitetura numa comparação direta. Uma avaliação fidedigna para efeitos de aquisição conjuga o PUE com a eficiência da utilização da água (WUE) e com a temperatura a que o calor é rejeitado. Os sistemas diretos ao chip que operam com água quente viabilizam longos períodos de "free-cooling" e a reutilização do calor a temperaturas adequadas para outras finalidades. Em contrapartida, os sistemas de imersão rejeitam o calor a temperaturas idênticas ou superiores com um menor consumo de energia para o transporte do fluido. A arquitetura que apresenta o PUE mais baixo numa brochura técnica não resulta, necessariamente, na fatura de energia anual mais reduzida para as condições específicas do seu local, clima e necessidades operacionais.
A dissipação térmica carece da mesma análise rigorosa, qualquer que seja a arquitetura escolhida. A refrigeração líquida tem a função de transportar o calor, não de o eliminar. Arrefecedores secos (dry coolers), torres de refrigeração ou sistemas de reaproveitamento de calor continuam a ter a obrigatoriedade de absorver cada quilowatt recolhido pelo circuito. Uma infraestrutura que se foca excessivamente na tecnologia de climatização em fila (in-row) e negligencia o planeamento da dissipação térmica incorrerá no erro de ter um circuito altamente eficiente ligado a uma unidade de refrigeração subdimensionada.
A Realidade Híbrida
É invulgar os grandes operadores adotarem uma arquitetura singular para a totalidade da infraestrutura. A disposição mais frequente consiste em manter o processamento geral arrefecido a ar, transferir os bastidores de IA para filas de arrefecimento direto no chip (direct-to-chip) e reservar as cápsulas (pods) de imersão para os clusters de treino de maior densidade. Esta estratégia progressiva permite a implementação gradual da refrigeração líquida, garante flexibilidade nas aquisições face à evolução do hardware e distribui o investimento ao longo do tempo. O ambiente misto determina igualmente o planeamento das bombas: cada zona possui uma composição química do circuito e um perfil hidráulico específicos, obrigando à seleção de equipamento de circulação à medida de cada zona, consoante as perdas de carga locais e as caraterísticas do fluido. Não existe uma única bomba capaz de suprir as necessidades de toda a sala. O planeamento da infraestrutura partilhada, englobando as temperaturas da água do sistema, a capacidade de rejeição de calor e a capacidade de reserva das CDU (Unidades de Distribuição de Refrigeração), assume maior relevância do que a escolha de uma arquitetura vencedora em detrimento da outra.
Lista de Verificação para Decisão
- Pico de densidade por bastidor atual e a perspetiva real a cinco anos, por bastidor e não a média da sala.
- Constrangimentos da infraestrutura: capacidade de carga do piso, medidas de contenção, trajetos das tubagens e temperaturas da água disponíveis.
- Capacidade operacional: a equipa de manutenção e os processos de trabalho que irão efetivamente garantir a assistência ao equipamento.
- Plano de equipamento (hardware): disponibilidade de placas de arrefecimento do fabricante (OEM) e respetivas condições de garantia, em oposição às alternativas próprias para imersão.
- Programa de fluidos: composição química do circuito de glicol ou gestão do ciclo de vida dos fluidos dielétricos, englobando os procedimentos para o seu tratamento em fim de vida.
- Engenharia das bombas e do circuito: previsões de queda de pressão, configuração do sistema de redundância e contenção de fugas associadas à arquitetura selecionada.
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