Data center e raffreddamento: quali alternative ai PFAS?

La crescita dei data center dedicati all’intelligenza artificiale sta aumentando rapidamente la quantità di calore da rimuovere da chip e server. Con densità di potenza sempre più elevate, il liquid cooling sta assumendo un ruolo crescente rispetto al tradizionale raffreddamento ad aria, ma porta con sé anche una nuova questione ambientale: la scelta dei fluidi termovettori.

In alcune tecnologie di raffreddamento bifase vengono infatti utilizzati fluidi fluorurati appartenenti alla vasta famiglia dei PFAS, sostanze caratterizzate da elevata persistenza ambientale. La possibile restrizione europea dei PFAS sta quindi accelerando la ricerca di alternative capaci di mantenere elevate prestazioni termiche, sicurezza elettrica e affidabilità.

Per progettisti e operatori della refrigerazione il tema è particolarmente interessante perché non tutte le tecnologie di liquid cooling dipendono dai PFAS allo stesso modo. In alcuni casi esistono già soluzioni prive di fluidi fluorurati; in altri, soprattutto nel raffreddamento bifase, la sostituzione richiede ancora sviluppo e validazione.

Liquid cooling monofase: alternative ai PFAS già disponibili

La prima distinzione riguarda il modo in cui il fluido trasferisce il calore.

Nei sistemi monofase, sia direct-to-chip sia a immersione, il liquido assorbe calore senza cambiare stato. Queste configurazioni possono utilizzare fluidi privi di PFAS, tra cui acqua trattata, miscele a base acquosa o fluidi dielettrici alternativi, a seconda dell’architettura dell’impianto.

Il direct-to-chip porta il refrigerante direttamente verso cold plate installate sopra CPU e GPU, trasferendo successivamente l’energia verso circuiti secondari e sistemi di dissipazione. Questa soluzione è già una delle principali direzioni adottate per gestire server ad alta densità.

La situazione diventa più complessa nei sistemi bifase, nei quali il fluido evapora assorbendo calore e viene poi condensato per ripetere il ciclo. In queste applicazioni i fluidi fluorurati sono stati utilizzati per la loro combinazione di isolamento elettrico, stabilità chimica e temperatura di ebollizione controllabile.

Il raffreddamento bifase resta la sfida principale

Il vantaggio del raffreddamento bifase è la capacità di asportare grandi quantità di calore sfruttando il cambiamento di fase del fluido, caratteristica sempre più interessante con l’aumento della potenza termica dei processori.

Le tecnologie bifase rappresentano tuttavia ancora una quota limitata del mercato globale dei data center. La maggior parte delle infrastrutture continua a utilizzare raffreddamento ad aria o soluzioni liquid cooling monofase, entrambe realizzabili senza fluidi PFAS.

Le alternative per i sistemi bifase stanno comunque avanzando. Sono in sviluppo fluidi dielettrici dichiarati privi di PFAS e nuove architetture che puntano a mantenere i vantaggi del cambiamento di fase evitando l’utilizzo di sostanze fluorurate persistenti.

La criticità non riguarda soltanto le prestazioni termiche. Il fluido deve infatti garantire contemporaneamente:

• compatibilità con materiali e componenti elettronici;
• adeguata rigidità dielettrica;
• stabilità nel tempo;
• corretta temperatura di evaporazione;
• limitata corrosività;
• sicurezza durante manutenzione e gestione dell’impianto.

Per questo la sostituzione deve essere valutata sulla base dell’intero sistema e non soltanto confrontando la capacità di trasferimento termico dei diversi fluidi.

Dal direct-to-chip al direct-to-silicon: cambia anche l’architettura del raffreddamento

La ricerca non sta lavorando soltanto sulla sostituzione del fluido. Una seconda direzione consiste nel ripensare completamente il modo in cui il calore viene estratto dal chip.

Tra le tecnologie più avanzate rientrano sistemi microfluidici nei quali il refrigerante viene fatto circolare attraverso microcanali integrati direttamente nel silicio o in strutture poste immediatamente a contatto con il processore.

In questi casi la distanza tra sorgente di calore e fluido viene ridotta al minimo, aumentando la capacità di dissipazione e aprendo la possibilità di utilizzare anche acqua deionizzata o altri fluidi non fluorurati.

Questo passaggio potrebbe modificare anche la distribuzione delle responsabilità nella progettazione termica: una parte del raffreddamento potrebbe essere integrata direttamente nel componente elettronico, lasciando all’infrastruttura HVAC/R il compito di gestire il circuito secondario e lo smaltimento finale del calore.

PFAS e data center: la sostenibilità entra nella scelta del fluido

Il dibattito europeo sui PFAS arriva quindi in una fase in cui il raffreddamento dei data center sta già attraversando una profonda trasformazione tecnologica.

La crescita dei carichi AI rende necessario aumentare la capacità di dissipazione, ma contemporaneamente cresce l’attenzione verso consumi energetici, utilizzo dell’acqua e impatto ambientale dei fluidi impiegati.

Per il settore della refrigerazione la sfida non sarà quindi soltanto trovare un fluido sostitutivo. Occorrerà valutare l’intera architettura termica, scegliendo tra raffreddamento ad aria, sistemi monofase, bifase e nuove soluzioni direct-to-silicon in funzione della densità di potenza e delle reali esigenze dell’infrastruttura.

La direzione appare comunque chiara: la sostenibilità dei data center passerà sempre più anche dalla scelta dei fluidi e dalla capacità di sviluppare sistemi di raffreddamento ad alte prestazioni con un minore impatto ambientale.