Il futuro del raffreddamento a liquido nei data center

Per valutare la transizione dai data center raffreddati ad aria rispetto a quelli raffreddati a liquido, lo specialista di servizi per infrastrutture critiche Vertiv ha condotto alcuni studi specifici di settore.

Trend di mercato come IA (Intelligenza Artificiale) e GenAI (IA generativa) richiedono l’utilizzo di IT (Information Technology) ad alta densità ed è previsto un crescente interesse su questa tecnologia da parte del mercato che sta già avendo riscontro concreto su larga scala.

I trend del consumo energetico delle apparecchiature IT

Algoritmi software legati all’IA, ai processi di automazione e al ML (Machine Learning) richiedono una potenza di calcolo sempre maggiore, con conseguente aumento della potenza elettrica assorbita detta TDP (Thermal Design Power) legata ai chip di nuova generazione. Questo contribuisce a far sì che i server generino più calore che va collezionato, trasportato all’esterno dell’edificio e smaltito o recuperato per mantenere la temperatura dei server sotto una soglia massima di temperatura. In alcune situazioni il calore generato a livello di processore (CPU e GPU) raggiunge un livello tale, che il raffreddamento ad aria non è più efficace motivo per cui le tecnologie high density vengono utilizzate.

Esistono diverse soluzioni thermal management che possono essere adottate che sono primariamente influenzate dalla densità per rack. Le tecnologie di raffreddamento 100% ad aria rimangono predominanti per capacità per rack a bassa-media densità. Quando il calore generato per rack si avvicina e supera i 50 kW, il mantenimento della temperatura di lavoro del processore (Junction Temperature) non è efficacemente gestibile con un raffreddamento ad aria motivo per cui le tecnologie high density entrano in gioco.

Il livello di efficienza

Per fare un esempio, la tecnologia direct-to-chip è efficacemente applicata a server ad alta densità, con due principali benefici:

• La temperatura di alimentazione del fluido di esercizio veicolato ai coldplates può essere aumentata a parità di temperatura del processore rispetto alla temperatura che dovrebbe avere l’aria nel caso di un raffreddamento 100% ad aria. Il trasferimento di calore tra il processore e liquido è efficace e permette di trasferire una notevole quantità di calore con un basso consumo di energia.
• La temperatura dell’acqua di ritorno dai server, essendo piuttosto elevata, può consentire il recupero del calore in modo molto più efficiente rispetto a un data center raffreddato ad aria.

Con il costante aumento delle applicazioni che richiedono una maggiore potenza di calcolo, ci sarà un passaggio a tecnologie di gestione termica innovative. Si prevede che molti data center introdurranno sistemi di gestione termica ibridi, con raffreddamento sia ad aria che a liquido.

Le tecnologie high density

Le tecnologie high density includono Rear Door HX, direct-to-chip e Immersion Cooling, con una crescente vicinanza del liquido alla componente IT rispettivamente, fino ad arrivare alla completa immersione dei server in fluido dielettrico (Immersion Cooling).

Il Rear Door HX è una tecnologia che viene adottata a livello di rack per densità di potenza medie, mantenendo i server completamente raffreddati ad aria ma abbattendo il carico termico trasferito all’aria direttamente a valle dei server, mediante batterie Chilled Water evitando di veicolare l’intero carico termico a eventuali unità perimetrali.

La tecnologia direct-to-chip, largamente diffusa al momento, prevede un parziale raffreddamento dei server con liquido per i componenti elettronici principali (CPU e GPU) mentre rimane una parte di raffreddamento ad aria per i componenti elettronici rimanenti. Il raffreddamento di CPU e GPU avviene tramite utilizzo di coldplate che hanno operano come piccoli scambiatori di calore. Questi richiedono un elevato grado di purezza del fluido utilizzato e di tutti i componenti a contatto con esso, dal server fino alla CDU, elemento fondamentale del sistema direct-to-chip.

La CDU (Cooling Distribution Unit) è una macchina che ha l’obiettivo di dividere fisicamente il TCL (Technology Cooling Loop) dal FCL (Facility Cooling Loop), fornire la portata di coolant ai server alla temperatura di setpoint stabilita.

Un sistema Immersion Cooling, cioè di raffreddamento a immersione, richiede invece un layout del data center diverso: la disposizione in verticale dei rack con server posti orizzontalmente viene sostituita da serbatoi che richiedono predisposizione verticale dei server. La componentistica elettronica è completamente immersa in un liquido o fluido dielettrico non elettricamente conduttivo. Il raffreddamento a immersione è una tecnologia promettente, ma non ancora del tutto matura.

Entrambe le tecnologie utilizzano una CDU con uno scambiatore liquido-liquido per separare il TCL dal FCL. Il TCL ha requisiti rigorosi in termini di pulizia e i requisiti di filtrazione sono molto più elevati di quelli richiesti per l’FCL.

Le metriche

La progettazione di data center ibridi è destinata a diffondersi pertanto le metriche diventano importanti per misurare l’efficienza dell’intero data center. In tal senso può essere opportuno prendere in considerazione metriche che vadano oltre la tradizionale metodologia del PUE (Power Usage Effectiveness).

Vertiv, insieme a Nvidia, ha sviluppato uno studio che evidenzia le diverse metriche come il TUE (Total Usage Effectiveness), che riflettono la riduzione totale dell’energia per l’intero data center.

— a cura di Massimiliano Maistro, Application Engineer Manager per l’EMEA (Europa, Middle East, Africa) di Vertiv