Raffreddamento Datacenter: l’importanza di smaltire il calore del circuito secondario

Il datacenter, il fulcro materiale della nostra era digitale, è come un cervello ininterrottamente al lavoro: elabora miliardi di informazioni ogni secondo ed ogni clic, ogni video in streaming, ogni transazione online dipende da queste infrastrutture. Dietro a tutto questo, si nasconde una sfida cruciale: Miliardi di calcoli vengono eseguiti ogni secondo, generando una quantità enorme e ininterrotta di calore. Per questo è importante un efficiente raffreddamento dei datacenter.

In tempi diversi sono state predisposte diverse soluzioni per la gestione di questo calore: sistemi di raffreddamento ad aria e sistemi ad acqua che trasferiscono il calore su un fluido termovettore. Ed è anche qui che entra in gioco il raffreddamento del circuito secondario dei datacenter, per lo smaltimento di calore di questo stesso fluido attraverso diverse soluzioni: scambiatori di calore, torri di raffreddamento, raffreddatori adiabatici, dry coolers e chiller.

1. L'importanza del raffreddamento efficiente nei datacenter: una panoramica

I datacenter sono strutture fisiche che ospitano grandi server, macchine per l’elaborazione dei dati e apparecchiature di supporto, funzionando ininterrottamente 24 ore su 24. Questa attività continua genera enormi quantità di calore, che deve essere gestito in modo efficace per garantire la continuità operativa. Per questo il raffreddamento efficiente dei datacenter è un aspetto cruciale per garantire prestazioni ottimali riducendo l’impatto ambientale.

Il consumo legato al raffreddamento dei datacenter è decisamente significativo: fino al 40% delle risorse interne di energia, secondo alcune stime recenti. Questo evidenzia l’importanza di sviluppare soluzioni di condizionamento sempre più efficienti, sia dal punto di vista funzionale che economico.

Le organizzazioni più attente stanno cercando di ottimizzare i costi e ridurre le emissioni dannose per l’ambiente, puntando su una progettazione dei datacenter basata su stringenti criteri di efficienza, con un’attenzione tanto alla sostenibilità ambientale quanto a quella economica.

Esistono diversi sistemi di raffreddamento per i datacenter, ognuna con propri vantaggi.

Le normative europee stanno giocando un ruolo importante nel guidare l’adozione di sistemi di raffreddamento più efficienti.

2. Raffreddamento datacenter: il circuito secondario

In questo contesto, il circuito secondario del datacenter è la parte di un sistema di raffreddamento che trasferisce il calore dalle apparecchiature IT (server, storage, networking) a un fluido termovettore.

Mantenere il refrigerante a una temperatura ottimale è fondamentale per diversi motivi.

• Preservare le apparecchiature. Un raffreddamento inadeguato può danneggiare i server, gli storage e gli altri componenti del data center, causando costi di sostituzione elevati. Le temperature elevate possono infatti ridurre la durata di vita delle apparecchiature IT. Un raffreddamento adeguato aiuta a proteggere l’hardware da guasti prematuri, riducendo i costi di manutenzione e sostituzione.
• Efficienza energetica. Un sistema ben progettato e mantenuto può ridurre significativamente il consumo energetico del data center. A sua volta, meno energia viene utilizzata per il raffreddamento, più è disponibile per l’elaborazione dei dati. Sostenibilità ambientale uguale sostenibilità economica.
• Disponibilità. Un sistema di raffreddamento affidabile garantisce continuità operativa a tutte le apparecchiature, laddove un surriscaldamento può causare malfunzionamenti e interruzioni del servizio.

3. Sistemi di raffreddamento ad aria: vantaggi e limiti

Prima di elencare le modalità di smaltimento di calore del circuito secondario, facciamo un passo indietro e scopriamo la tecnologia ampiamente utilizzata per il raffreddamento dei datacenter: i sistemi di raffreddamento ad aria. Queste apparecchiature sfruttano l’aria come mezzo per dissipare il calore generato dalle apparecchiature IT.

Si tratta di dispositivi semplici che spesso rendono superfluo un circuito secondario.

Vediamo intanto le due possibilità in campo: il raffreddamento diretto della sala e il raffreddamento in-row.

3.1 Raffreddamento della sala

Fluido di raffreddamento primario: aria.

Modalità di raffreddamento del circuito secondario: non applicabile (circuito ad aria).

Descrizione: il calore viene dissipato direttamente nell’aria circostante attraverso dissipatori, ventilatori e dry cooler.

Applicazioni

• Data center con carichi termici moderati.
• Climi freschi e secchi dove l’aria esterna è sufficiente per raffreddare.

Vantaggi

• Bassi costi di installazione e manutenzione.
• Nessun utilizzo di acqua.

Svantaggi

• Efficienza limitata in climi caldi.
• Sensibilità a variazioni ambientali.

Questo approccio prevede l’utilizzo di unità di condizionamento dell’aria della sala computer (CRAC) per raffreddare l’intero ambiente.

Da valutare:

1. l’efficienza energetica di questa soluzione,
2. la miscelazione dell’aria calda e fredda,
3. l’eventuale formazione di punti caldi.

Per ottimizzare l’efficienza del raffreddamento della sala, è essenziale seguire le linee guida ASHRAE TC 9.9, che forniscono raccomandazioni sulle temperature e l’umidità accettabili per i data center. Inoltre, l’uso di pannelli d’otturazione può impedire all’aria calda di mescolarsi con l’aria fredda, migliorando l’efficienza complessiva del sistema.

3.2. Raffreddamento in-row

Il raffreddamento in-row rappresenta un’evoluzione rispetto al tradizionale raffreddamento della sala. Questo approccio prevede l’installazione di unità di raffreddamento direttamente nelle file dei rack server (ossia la struttura fisica, simile a un armadio, progettata per ospitare e organizzare i dispositivi hardware), avvicinando la fonte di raffreddamento alle apparecchiature IT che generano calore.

I vantaggi del raffreddamento in-row includono:

1. Maggiore efficienza: le unità di condizionamento Row-Based seguono percorsi brevi e lineari, riducendo la potenza necessaria per azionare le ventole e aumentando l’efficienza energetica.
2. Flessibilità: è possibile adattare il raffreddamento alle esigenze specifiche di determinate file o aree del data center.
3. Gestione dei punti caldi: il raffreddamento in-row è più efficace nel gestire aree ad alta densità di calore, riducendo il rischio di surriscaldamento delle apparecchiature.

Aspetti da analizzare.

1. Costi iniziali: l’implementazione di un sistema di raffreddamento in-row può richiedere investimenti iniziali più elevati rispetto al raffreddamento tradizionale della sala.
2. Spazio: le unità di raffreddamento in-row occupano spazio all’interno delle file di rack, potrebbero quindi ridurre lo spazio disponibile per le apparecchiature IT.

4. Raffreddamento a liquido

Il raffreddamento a liquido è una soluzione per il raffreddamento del circuito primario dei datacenter.

Questa tecnologia sfrutta le proprietà superiori dei liquidi per dissipare il calore in modo più efficiente rispetto ad altri sistemi di raffreddamento.

L’interesse è dato anche dall’aumento delle densità di potenza e delle prestazioni richieste dalle applicazioni di intelligenza artificiale, supercalcolo e altri processi di calcolo ad alte prestazioni.

4.1. Raffreddamento diretto a liquido

Fluido di raffreddamento primario: acqua o acqua + glicole

Modalità di raffreddamento del circuito secondario:

• Torri evaporative,
• Dry cooler,
• Chiller.

Descrizione

Il liquido passa direttamente attraverso i componenti elettronici (es. CPU, GPU) tramite scambiatori di calore o tubazioni dedicate.

Applicazioni

• Data center con apparecchiature ad alte prestazioni.
• Soluzioni ibride con raffreddamento ad aria per componenti secondari.

Vantaggi

• Raffreddamento mirato per componenti critici.
• Efficienza energetica maggiore rispetto al raffreddamento ad aria.

Svantaggi

• Rischio di perdite d’acqua.
• Maggiore complessità nella manutenzione.

Il raffreddamento diretto a liquido, noto anche come raffreddamento diretto su chip, prevede l’utilizzo di piastre di raffreddamento posizionate direttamente sui componenti che generano più calore, come CPU e GPU.

Secondo alcune stime, questo metodo consente di dissipare fino al 70-75% del calore prodotto dalle apparecchiature nel rack. Il liquido refrigerante, che può essere acqua o un fluido speciale, circola attraverso queste piastre assorbendo il calore e trasportandolo verso uno scambiatore di calore esterno.

Uno dei principali vantaggi di questa tecnologia è la sua capacità di gestire densità di potenza molto elevate, supportando processori e GPU con alti requisiti termici. Ciò permette di aumentare significativamente la densità computazionale dei datacenter, consentendo di ospitare più server in uno spazio ridotto senza rischi di surriscaldamento.

Vediamo ora le due principali forme di raffreddamento a liquido (e le modalità di raffreddamento del circuito secondario): raffreddamento a immersione e raffreddamento indiretto a liquido.

4.2. Raffreddamento a immersione

Fluido di raffreddamento primario: “fluido dielettrico”

Modalità di raffreddamento del circuito secondario:

• Scambiatori di calore a piastre,
• Circuiti secondari con acqua o acqua + glicole raffreddati tramite torri evaporative, dry cooler o chiller.

Descrizione

I componenti elettronici sono immersi in un “fluido dielettrico” che assorbe il calore e lo trasferisce a un circuito secondario.

Applicazioni

• Datacenter ad alta densità di calcolo.
• Applicazioni critiche come calcolo scientifico o AI.

Vantaggi

• Massima efficienza termica.
• Riduzione del rumore e del consumo energetico per ventilazione.
• Protezione avanzata da polvere e umidità.

Svantaggi

• Costo iniziale elevato.
• Richiede monitoraggio del fluido per mantenere le proprietà dielettriche.

Nel raffreddamento a immersione i server e gli altri componenti elettronici vengono completamente immersi in un liquido dielettrico termicamente conduttivo. Questa soluzione elimina la necessità di sistemi di ventilazione, riducendo notevolmente il rumore e i costi di manutenzione.

Esistono due varianti principali di raffreddamento a immersione:

1. Monofase: il liquido di raffreddamento viene continuamente fatto circolare e raffreddato per dissipare il calore.
2. Bifase: si utilizza un liquido con un basso punto di ebollizione. Il calore fa evaporare il liquido, che poi si condensa e torna nel sistema.

Il raffreddamento a immersione offre numerosi vantaggi. Alcuni di questi: un’efficienza termica superiore e la possibilità di gestire carichi termici estremamente elevati. Inoltre, questa tecnologia può portare a significativi risparmi energetici, riducendo il consumo di energia e l’utilizzo di acqua rispetto ai sistemi di raffreddamento ad aria tradizionali.

Nonostante i suoi vantaggi, il raffreddamento a liquido presenta anche alcune sfide. I costi iniziali di implementazione possono essere elevati, soprattutto per i datacenter esistenti che richiedono modifiche sostanziali all’infrastruttura. Inoltre, la gestione dei liquidi all’interno del datacenter richiede competenze specifiche e misure di sicurezza adeguate a prevenire perdite e danni alle apparecchiature.

Tuttavia, i benefici a lungo termine in termini di efficienza energetica, densità computazionale e sostenibilità stanno spingendo sempre più operatori di datacenter a considerare seriamente l’adozione di tecnologie di raffreddamento a liquido. Grandi aziende tecnologiche come Google, Microsoft e Facebook stanno già sperimentando e implementando queste soluzioni nei loro datacenter, dimostrando il potenziale di questa tecnologia per il futuro dell’industria.

In conclusione, il raffreddamento a liquido in generale, e il raffreddamento ad immersione in particolare, si sta affermando come una soluzione promettente per affrontare le crescenti sfide termiche ed energetiche dei datacenter moderni. Con il continuo aumento della potenza di calcolo richiesta e l’enfasi sempre maggiore sulla sostenibilità, è probabile che questa tecnologia giocherà la parte del leone nel futuro del raffreddamento dei datacenter.

4.3. Raffreddamento indiretto a liquido

• Fluido di raffreddamento primario: acqua o acqua + glicole
• Modalità di raffreddamento del circuito secondario:
  • Torri evaporative
  • Dry cooler
  • Chiller

Descrizione. Il calore viene trasferito dai componenti elettronici a un fluido refrigerante primario tramite scambiatori di calore.

Applicazioni

• Datacenter di medie e grandi dimensioni.
• Zone con disponibilità limitata di acqua.

Vantaggi

• Maggiore flessibilità nell’utilizzo dei fluidi secondari.
• ossibilità di utilizzare circuiti chiusi per ridurre il consumo d’acqua.

Svantaggi

• Efficienza inferiore rispetto al raffreddamento diretto a liquido.
• Costi operativi più alti in ambienti caldi.

Il raffreddamento indiretto a liquido nei data center è una soluzione che utilizza un fluido, solitamente acqua o un mix acqua-glicole, per dissipare il calore generato dai server. A differenza del raffreddamento diretto, in cui il liquido entra in contatto con i componenti IT, nel sistema indiretto il calore viene trasferito tramite uno scambiatore di calore. Questo approccio permette di mantenere i dispositivi isolati dal fluido, riducendo i rischi di danni accidentali.

Questo sistema offre diversi vantaggi, tra cui l’elevata efficienza energetica. La separazione del fluido dai componenti IT garantisce maggiore sicurezza e riduce il rumore operativo. Tuttavia, il raffreddamento indiretto a liquido presenta anche alcune criticità. Alcuni esempi: costi iniziali elevati, manutenzione più complessa e requisiti di spazio per gli impianti esterni. Inoltre, in climi caldi, l’efficienza potrebbe ridursi, aumentando la dipendenza dai chiller.

Il raffreddamento indiretto a liquido è quindi una scelta versatile e affidabile per i data center moderni, ideale per applicazioni ad alta densità e in contesti dove sono richieste efficienza e sicurezza, a patto di disporre di aree di installazione non contenute.

5. Conclusione

La selezione del sistema di raffreddamento ottimale per un datacenter è un processo complesso che richiede un’attenta valutazione di molteplici fattori e il coinvolgimento di società specializzate: questo vale per il raffreddamento del circuito primario (ad aria, ad acqua diretto, ad acqua indiretto) e del circuito secondario (torri evaporative, raffreddatori adiabatici, dry cooler, chiller).

Come in ogni altro ambito del raffreddamento di processo e della climatizzazione civile, per prendere una decisione informata, è essenziale considerare diversi aspetti chiave che influenzano l’efficienza e l’efficacia del raffreddamento.