Data center: come smaltire il calore del circuito secondario

La crescita dell’intelligenza artificiale, del cloud computing e delle applicazioni ad alte prestazioni sta aumentando rapidamente la densità termica dei data center. Più potenza di calcolo significa infatti più calore da rimuovere in modo continuo, con requisiti sempre più stringenti in termini di efficienza, affidabilità e continuità operativa.

In questo scenario, l’attenzione non può concentrarsi soltanto sul raffreddamento dei server. Una volta trasferito il calore dalle apparecchiature IT a un fluido termovettore, occorre infatti smaltirlo efficacemente verso l’ambiente esterno. È qui che entrano in gioco dry cooler, torri evaporative, sistemi adiabatici, scambiatori e chiller, componenti fondamentali nell’architettura termica dei data center moderni.

Dal chip all’esterno: il calore deve attraversare più livelli

Nei sistemi a liquido il calore generato da CPU e GPU viene trasferito a un circuito che lo trasporta verso la parte impiantistica della struttura. Il passaggio può avvenire attraverso cold plate, CDU e scambiatori di calore, fino al circuito dell’edificio incaricato di portare l’energia termica verso il sistema finale di dissipazione.

Il punto chiave è che il raffreddamento non termina quando la temperatura del server viene mantenuta sotto controllo. Il calore assorbito deve comunque essere ceduto all’ambiente, e l’efficienza con cui avviene quest’ultimo passaggio incide direttamente sui consumi complessivi del data center.

Con l’aumento delle densità di potenza, il liquid cooling sta assumendo un ruolo sempre maggiore perché i liquidi sono in grado di trasportare il calore in modo più efficace rispetto all’aria. Questo consente di avvicinare il raffreddamento direttamente alle sorgenti termiche più critiche e di ridurre parte dell’energia necessaria alla movimentazione dell’aria.

Le configurazioni più diffuse possono comprendere:

• direct-to-chip con cold plate;
• sistemi a immersione;
• circuiti acqua o acqua-glicole;
• CDU per separare circuito IT e circuito della struttura;
• sistemi ibridi aria-liquido.

Qualunque sia la soluzione adottata vicino ai server, rimane però necessario progettare correttamente la fase finale di heat rejection.

Dry cooler, torri evaporative o chiller?

La scelta della tecnologia per lo smaltimento del calore dipende da temperature del circuito, clima, disponibilità d’acqua, spazio, requisiti di ridondanza e obiettivi energetici.

• I dry cooler dissipano il calore direttamente nell’aria esterna attraverso batterie alettate e ventilatori. Il circuito rimane chiuso e non richiede normalmente consumo d’acqua per evaporazione. Questa soluzione può risultare particolarmente interessante quando le temperature del fluido sono sufficientemente elevate da consentire un buon scambio con l’aria esterna. Le nuove architetture per data center ad alta densità stanno proprio aumentando le temperature operative dei circuiti, rendendo possibile in alcuni casi un funzionamento senza chiller per periodi molto estesi dell’anno.
• Le torri evaporative sfruttano invece l’evaporazione dell’acqua per ottenere temperature di raffreddamento inferiori rispetto a quelle normalmente raggiungibili con sistemi puramente ad aria. Possono garantire elevate prestazioni anche con carichi importanti, ma introducono consumi idrici e requisiti aggiuntivi per trattamento dell’acqua e manutenzione.
• Una soluzione intermedia è rappresentata dai raffreddatori adiabatici, nei quali l’aria viene pre-raffreddata attraverso evaporazione solo quando le condizioni esterne lo rendono necessario. L’obiettivo è combinare parte dei vantaggi del dry cooling con un miglioramento delle prestazioni nelle giornate più calde.
• Il chiller rimane invece necessario quando il circuito deve essere mantenuto a temperature inferiori rispetto a quelle ottenibili direttamente dall’ambiente. Offre maggiore controllo delle condizioni operative ma introduce il consumo energetico del ciclo frigorifero.

La soluzione migliore non è quindi universale: il progetto deve trovare un equilibrio tra PUE, consumo d’acqua, affidabilità e condizioni climatiche locali.

Temperature più alte possono ridurre il bisogno di refrigerazione meccanica

Una delle tendenze più interessanti riguarda l’aumento delle temperature dei circuiti dedicati al liquid cooling.

Quando il calore viene raccolto direttamente da CPU e GPU, il fluido può uscire dai rack a temperature molto superiori rispetto a quelle tipiche dei tradizionali sistemi ad acqua refrigerata. ASHRAE evidenzia come alcune nuove architetture possano lavorare con acqua in ingresso fino a circa 45 °C e ritorni fino a 65 °C.

Un livello termico più elevato crea una maggiore differenza di temperatura rispetto all’aria esterna, facilitando lo smaltimento attraverso dry cooler e riducendo o eliminando il ricorso alla refrigerazione meccanica in determinate condizioni climatiche.

Questo può produrre diversi vantaggi:

• minore utilizzo dei compressori;
• riduzione dei consumi elettrici del cooling;
• possibilità di utilizzare più frequentemente il free cooling;
• minore consumo d’acqua rispetto a sistemi evaporativi;
• maggiore potenziale per il recupero del calore.

Il recupero rappresenta infatti un’altra opportunità importante. Più alta è la temperatura del calore disponibile, maggiori possono essere le possibilità di utilizzarlo per reti di teleriscaldamento, edifici vicini o altri processi termici. Il Dipartimento dell’Energia statunitense indica proprio il riutilizzo del calore residuo come una delle strategie da considerare prima dello smaltimento finale.

Il cooling diventa parte strategica dell’infrastruttura IT

Con data center sempre più potenti, il raffreddamento non può essere considerato un semplice sistema ausiliario.

La progettazione deve valutare insieme carico IT, temperature del circuito, disponibilità d’acqua, condizioni climatiche, ridondanza e consumo energetico. Una tecnologia molto efficiente in un clima fresco può risultare meno vantaggiosa in un’area caratterizzata da temperature elevate; allo stesso modo, una torre evaporativa può offrire ottime prestazioni termiche ma essere poco adatta a un territorio soggetto a stress idrico.

La crescita del liquid cooling rende inoltre più stretto il rapporto tra mondo IT e refrigerazione industriale. Scambiatori, pompe, chiller, dry cooler, torri e sistemi di regolazione diventano parte di un’infrastruttura che deve funzionare 24 ore su 24 con livelli elevatissimi di affidabilità.

La sfida non consiste quindi soltanto nel togliere calore dai server, ma nel progettare l’intero percorso termico fino all’ambiente esterno. È proprio nella gestione del circuito e nella scelta del sistema di smaltimento che si giocherà una parte importante dell’efficienza dei data center di nuova generazione.