Una guida al raffreddamento dei data center: future innovazioni per la sostenibilità

Poiché tecnologia, traffico Internet e carichi di lavoro richiedono più risorse di calcolo per memorizzare, elaborare, gestire e trasferire dati, la domanda di data center aumenta. Un recente rapporto di S&P Global Ratings prevede che la capacità dei data center aumenterà a un tasso di crescita annuo composto di circa il 25%-30% , raggiungendo quasi 650 miliardi di dollari entro il 2028, da meno di 200 miliardi di dollari nel 2023.

Con questo aumento arriva la sfida di trovare un equilibrio tra carichi di lavoro molto intensi e obiettivi di sostenibilità. Ma migliorare l'efficienza energetica offre al settore dei data center opportunità di innovazioni avanzate nelle tecniche di raffreddamento, in particolare per i partner giusti con le giuste competenze nella progettazione di data center . 

Al centro di questa sfida risiedono due verità:  

1. Non esiste un approccio universale per il raffreddamento, in particolare per i carichi di lavoro ad alta densità, come l'intelligenza artificiale (AI) e il calcolo ad alte prestazioni (HPC), che potrebbero richiedere un raffreddamento specializzato.  
2. Implementare soluzioni di raffreddamento efficienti e sostenibili è la strada davvero innovativa da seguire. I data center producono calore: non c'è modo di evitarlo. Tuttavia, il partner giusto in ambito data center per la tua implementazione non solo gestisce la quantità di calore prodotto, ma consente anche l'innovazione attraverso strategie IT scalabili e sostenibili che aiutano i responsabili IT a bilanciare la sostenibilità con gli obiettivi aziendali.

In questo post: 

• Esamineremo la gamma di tecnologie di raffreddamento attualmente impiegate nel settore.  
• Approfondiremo ogni metodo, fornendo esempi pratici per metterne in evidenza i vantaggi.  
• Poi vedremo come i sistemi innovativi di raffreddamento dei data center possano promuovere la sostenibilità, rispondendo al contempo alle esigenze dell'HPC.  

Perché sono importanti i metodi di raffreddamento dei data center?

Per mantenere temperature operative ottimali per l'HPC e configurazioni server ad alta densità, è fondamentale garantire l'affidabilità e le prestazioni dell'infrastruttura del data center. Ciò include l'applicazione della tecnica di raffreddamento corretta per l'hardware e lo scenario appropriati. I metodi comuni includono sistemi di raffreddamento ad aria, soluzioni di raffreddamento a liquido e approcci ibridi che combinano entrambe le tecniche per la massima efficienza.  

Metodi e sistemi di raffreddamento dei data center

La gravità dei dati è l'idea che i dati abbiano una massa e, man mano che la loro dimensione e importanza crescono, diventa sempre più difficile spostarli o replicarli. Ciò significa che i data center moderni ospitano e interconnettono sempre più una vasta gamma di dati, permettendo tutto, dalle transazioni finanziarie alle interazioni sui social media.

Con l'aumento di questa domanda, i data center crescono in dimensioni e complessità. E lo stesso vale per l'importanza di soluzioni di raffreddamento efficienti, soprattutto per carichi di lavoro ad alta densità come l'AI e l'HPC. Approfondiamo alcune delle soluzioni di raffreddamento più importanti, evidenziandone i rispettivi punti di forza attraverso casi d'uso. 

Raffreddamento ad aria

Il raffreddamento ad aria utilizza l'aria condizionata, le ventole e le prese d'aria per far circolare l'aria ambiente, espellendo l'aria calda prodotta dalle apparecchiature informatiche. È il metodo di raffreddamento più tradizionale.  
  
Per le implementazioni con una minore densità di potenza, come l’inferenza AI, il raffreddamento ad aria tradizionale potrebbe essere la scelta giusta, dato che il machine learning (ML) richiede meno risorse di raffreddamento. Il raffreddamento ad aria trova inoltre ampia applicazione, poiché sia i data center di piccole che di grandi dimensioni possono adottare questo metodo di raffreddamento. 
 
Nonostante la sua ampia applicabilità, il raffreddamento ad aria viene tipicamente utilizzato per potenze inferiori a 20 kilowatt (kW) per rack nelle configurazioni convenzionali, sebbene possa arrivare fino a 35 kW in casi eccezionali. Per andare oltre, spesso serve il raffreddamento a liquido (diretto o ad immersione) e un approccio combinato (ibrido). La soluzione di colocation ad alta densità di Digital Realty può supportare fino a 150 kW per rack.

Raffreddamento a liquido

I sistemi di raffreddamento a liquido utilizzano fluidi refrigeranti che circolano attraverso una rete di tubi, assorbendo il calore dalle apparecchiature IT. Questo metodo è particolarmente efficace per il raffreddamento di server ad alta densità con carichi di lavoro AI e HPC. 
 
Prendi ad esempio carichi di lavoro ad alta potenza, come ad esempio le implementazioni di training. Questi progetti potrebbero richiedere l'uso del deep learning e dell'AI generativa (GenAI) e spesso necessitano di un ambiente più ampio per far fronte alle loro dimensioni e complessità. Sfruttando le proprietà conduttive dei liquidi, il data center è in grado di dissipare rapidamente il calore dai server.  

In primo piano: il nostro sistema di raffreddamento a liquido diretto  

Nel 2023, Digital Realty ha lanciato un data center indipendente dal cloud e dagli operatori a Parigi, enfatizzandone l'efficienza energetica. Per affrontare le preoccupazioni legate alla gravità dei dati, l'hub di La Courneuve incorpora il raffreddamento a liquido diretto, concentrandosi sulle esigenze di prestazioni e minimizzando le emissioni di Scope 1 e 2. Questa innovativa soluzione di raffreddamento a liquido massimizza l'uso ottimale dell'energia per allinearsi ai nostri obiettivi di sostenibilità e offre vantaggi economici alle imprese partner.

Raffreddamento a immersione

Il raffreddamento a immersione consiste nell'immergere direttamente i componenti dell'infrastruttura IT in un fluido dielettrico che assorbe il calore per raffreddarli. I server, immersi in fluidi non conduttivi e assorbenti, garantiscono un'efficace gestione del calore.  

Uno dei principali vantaggi del raffreddamento a immersione è che consente l’installazione di apparecchiature ad altissima densità in strutture che altrimenti avrebbero una densità bassa o media, rendendo di fatto il data center pronto per applicazioni future. Le implementazioni ad alta densità, come l'AI e l'Internet of Things (IoT), sono casi d'uso comuni per il raffreddamento a immersione in fase di sviluppo.

Raffreddamento evaporativo

Il raffrescamento evaporativo utilizza ventole per aspirare l'aria esterna, raffreddandola prima di utilizzarla per raffreddare le apparecchiature IT. Attraverso l'evaporazione dell'acqua, questo metodo estrae calore dall'aria in modo efficiente.  
 
A seconda delle caratteristiche specifiche dell'installazione, del contesto aziendale e della posizione, il raffrescamento evaporativo potrebbe essere la tecnica di raffreddamento più adatta. Ad esempio, in alternativa al raffreddamento ad aria tradizionale e a seconda di altri fattori, il raffrescamento evaporativo potrebbe essere una soluzione adeguata per le implementazioni di inferenza.

Raffreddamento libero

Il raffreddamento dei data center tramite aria libera consente di bypassare i tradizionali meccanismi di raffreddamento quando le condizioni esterne lo permettono. Il raffreddamento libero sfrutta le condizioni esterne, principalmente aria esterna più fredda o acqua, e tipicamente impiega diversi meccanismi per erogare il raffreddamento, tra cui economizzatori, aria libera indiretta, scambiatori di calore rotativi e scambiatori di calore a piastra.
 
Sebbene il microclima di un sito debba essere valutato per determinare inizialmente la fattibilità del raffreddamento libero in un’implementazione, una volta accertata la fattibilità, il raffreddamento può essere una delle soluzioni a basso rischio ed efficienti dal punto di vista energetico per le aziende che vogliono minimizzare il carbon footprint delle installazioni nei loro data center. Questo è particolarmente importante per i casi d'uso legati alla distribuzione dell’AI e dell’HPC.

Strategia di raffreddamento ibrida

Un approccio di raffreddamento ibrido integra molteplici tecnologie di raffreddamento per ottimizzare la gestione termica in base alle specifiche esigenze delle apparecchiature IT.  

Ad esempio, una struttura potrebbe combinare il raffreddamento ad aria tradizionale con scambiatori di calore a porta posteriore, questi ultimi montati direttamente sui rack dei server per assorbire il calore in uscita dai server stessi. In questa configurazione, il raffreddamento ad aria ambiente gestisce l'ambiente complessivo del rack, mentre lo scambiatore di calore a porta posteriore gestisce efficacemente i carichi di lavoro ad alta densità, trasferendo il calore in eccesso (tramite liquido) lontano dai componenti critici. 

Questa strategia combinata non solo migliora l'efficienza energetica e il raffreddamento mirato, ma offre anche flessibilità operativa. In condizioni ambientali favorevoli, metodi aggiuntivi come il raffreddamento evaporativo o libero possono ulteriormente integrare il sistema, riducendo la dipendenza da raffreddatori meccanici. Sfruttando in modo dinamico diverse soluzioni di raffreddamento, tra cui la precisione degli scambiatori di calore integrati nelle porte posteriori, un’implementazione ibrida risponde alle sfide odierne in materia di raffreddamento e si adatta alle future esigenze di prestazioni. 

Progettazione e ottimizzazione del raffreddamento dei data center

Il raffreddamento dei data center non riguarda solo l'installazione di ventole e altri sistemi di raffreddamento. Si tratta di trovare il giusto equilibrio tra progettazione e ottimizzazione, oltre che di garantire efficienza ed efficacia. La progettazione strategica combinata con l'ottimizzazione è fondamentale per garantire che l'infrastruttura dei data center e le attrezzature IT funzionino al meglio. Questo approccio non solo previene il surriscaldamento delle apparecchiature IT, ma massimizza anche l'uso efficiente delle risorse del data center, come i sistemi di potenza e raffreddamento. Ottimizzando questi elementi, i data center possono ridurre in modo significativo il loro impatto ambientale, garantendo operazioni più sostenibili ed economicamente vantaggiose.

Di seguito sono riportati alcuni fattori critici per l'ottimizzazione delle prestazioni del data center:  

• Configurazione del contenimento dei corridoi caldi/freddi: configurando i rack dei server in file alternate, con le prese d’aria fredda rivolte in un senso e l’uscita dell’aria calda rivolta nell’altro, i data center possono creare "corridoi" caldi e freddi. Questo massimizza l'efficienza assicurando che l'aria raffreddata sia dove è più necessaria, impedendo al contempo la miscelazione di aria calda e fredda.  
• Ottimizzazione della gestione del flusso d'aria: ottimizzando il flusso d'aria attraverso le bocchette e le barriere, i data center possono ridurre al minimo le zone di aria stagnante. Una corretta gestione del flusso d'aria riduce quindi i costi di raffreddamento, limitando la necessità di compensare i punti caldi. Aiuta inoltre a garantire che il raffreddamento sia costante in tutta la struttura.  
• Lavorare entro limiti di sicurezza: seguendo le linee guida pubblicate dall'American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers (ASHRAE), i data center possono trovare e implementare standard di temperatura per condizioni operative sicure delle apparecchiature comuni. In alcuni casi, mantenere una temperatura leggermente più alta (quando è possibile farlo in sicurezza) può far risparmiare notevolmente energia e costi.
• Prevenire i tempi di inattività: affidandosi ai dispositivi IoT, all’apprendimento automatico (ML) e ai sistemi automatizzati, i data center possono individuare i problemi prima ancora che si verifichino. I sistemi di monitoraggio e l'installazione tempestiva di patch e aggiornamenti assicurano che le strutture prevengano i tempi di inattività e migliorino ulteriormente l'efficienza.  
• Controllo dell'umidità: controllando l'umidità, i data center possono evitare danni all'hardware e danni causati dall'elettricità statica. 

Implementazione del raffreddamento a liquido: nuove strutture vs. riqualificazione di data center esistenti 

Nel valutare le diverse opzioni relative ai data center, è fondamentale comprendere come funziona il raffreddamento a liquido e il suo impatto sulle prestazioni e sull'affidabilità. Negli impianti progettati fin dall’inizio per il raffreddamento a liquido, la configurazione iniziale prevede percorsi dedicati per il raffreddamento a liquido, rack per server specializzati e sistemi di sicurezza affidabili. Questo approccio progettuale proattivo garantisce che l'infrastruttura sia ottimizzata fin dal primo giorno per garantire elevate prestazioni termiche ed efficienza energetica, offrendo un ambiente fluido e pronto per il futuro per le tue apparecchiature IT. 

Al contrario, i data center che riadattano strutture esistenti per consentire il raffreddamento a liquido affrontano una sfida più complessa. Questi siti, originariamente costruiti attorno a sistemi di raffreddamento ad aria, devono subire significative modifiche, come la riconfigurazione dei piani, l'adeguamento delle disposizioni dei rack e l'installazione di nuove unità di distribuzione del refrigerante e sistemi di rilevamento delle perdite, per supportare efficacemente il raffreddamento a liquido. Questi aggiornamenti possono richiedere un processo di integrazione più complesso, con possibili ripercussioni sulla coerenza durante la transizione. 

In definitiva, quando si valuta un data center, è fondamentale considerare l'infrastruttura di raffreddamento e l’esperienza comprovata dell’operatore. Le strutture progettate appositamente per il raffreddamento a liquido fin dall'inizio sono spesso più performanti ed efficienti, ma con un costo significativo, mentre i siti ristrutturati possono comunque essere un'ottima scelta se gestiti da un provider con profonda competenza ed esperienza comprovata, come Digital Realty. Scegliendo un operatore affermato con una comprovata esperienza nell’adattare con successo gli impianti esistenti, le imprese possono mantenere alti livelli di affidabilità e prestazioni, anche in ambienti inizialmente progettati per il raffreddamento ad aria.

Tendenze di raffreddamento dei data center e il futuro

Guardando al futuro del raffreddamento dei data center, vediamo diverse tendenze interessanti che possono contribuire a ridurre ulteriormente l’impatto ambientale del settore. Avvalersi di tecnologie moderne e di una progettazione strategica dei data center, ad esempio, potrebbe rivelarsi fondamentale.  

• Raffreddamento adattivo: l'impiego dell'AI con i sistemi di raffreddamento promette una maggiore adattabilità che mai. Queste soluzioni apprendono e si adattano continuamente alle specifiche esigenze di raffreddamento dei data center in tempo reale, riducendo il raffreddamento eccessivo e lo spreco di energia.  
• Data center periferici: in futuro potremmo assistere a un numero ancora maggiore di data center situati in posizioni strategiche “periferiche”. Questi centri periferici garantiscono la consegna di dati e carichi di lavoro AI a bassa latenza e introducono innovative possibilità di raffreddamento nei loro ambienti unici.  
• Energia sostenibile: anche se è importante migliorare l'efficienza nella gestione dell'energia, è anche possibile utilizzare energia proveniente da fonti rinnovabili. I data center a energia solare o eolica, ad esempio, non sono più un sogno ma una realtà. La combinazione di fonti di energia rinnovabile e soluzioni di accumulo, quali le celle a combustibile e le batterie di nuova generazione, con strategie di raffreddamento efficienti, rappresenta un approccio olistico al progresso in materia di sostenibilità. Questo approccio integrato garantisce che i data center possano operare in modo affidabile ed efficiente, minimizzando al contempo il loro impatto ambientale. Sfruttando queste tecnologie, i data center possono ottenere una maggiore indipendenza energetica e ridurre la loro carbon footprint.

In primo piano: le nostre iniziative per le torri di raffreddamento

I data center di Digital Realty sono all’avanguardia nel settore per quanto riguarda il miglioramento dell’efficienza del raffreddamento. Nel nostro stabilimento SIN10 a Singapore, ad esempio, utilizziamo l'elettrolisi DCI per la conservazione dell'acqua, risparmiandone 1,24 milioni di litri al mese. Questo processo elimina l'uso di sostanze chimiche, consentendo di riutilizzare l'acqua per un periodo 3 volte più lungo prima di diventare acque reflue, riducendo così il consumo di acqua e di elettricità a Singapore. 

Promuovere in modo sostenibile l’innovazione nel raffreddamento dei data center del futuro

Nei moderni data center esistono vari sistemi di raffreddamento, ognuno dei quali offre vantaggi specifici per determinati casi d'uso. Dal tradizionale raffreddamento ad aria al raffreddamento a liquido fino alle tecnologie ibride, ognuna può contribuire a aiutare l'ecosistema data center a ridurre il consumo di energia e acqua se applicata strategicamente alla situazione giusta.  
 
Digital Realty comprende che non esiste un approccio unico per il raffreddamento e si impegna ad aiutare i responsabili IT a trasformare i loro settori implementando una strategia centrale che favorisca l'innovazione, bilanciando sostenibilità e obiettivi aziendali. Lo facciamo implementando tecnologie innovative nei nostri data center, progettate per affrontare le sfide del raffreddamento e dell'aumento della densità di potenza, carichi di lavoro che non sono solo implementazioni su larga scala ma piuttosto specifiche per il cliente e per il tipo di implementazione.
 
Che si tratti di IA, IoT o HPC, le nostre strutture sono già pronte dal punto di vista strutturale e progettuale per soddisfare le esigenze di raffreddamento dei sistemi di calcolo avanzati dei nostri clienti, offrendo al contempo soluzioni sostenibili che guidano l’ecosistema globale dei data center verso l’efficienza energetica, la conservazione delle risorse idriche e una riduzione della carbon footprint.  
 
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Domande frequenti

Come avviene il raffreddamento in un data center?  

Il raffreddamento nei data center avviene attraverso vari metodi, come ad esempio:  

• Raffreddamento ad aria  
• Raffreddamento a liquido  
• Raffreddamento a immersione  
• Raffreddamento evaporativo  
• Raffreddamento libero  
• Raffreddamento ibrido

I responsabili IT dovrebbero scegliere un data center che adatti le tecniche di raffreddamento in base a diversi fattori, tra cui la densità del carico di lavoro, l'hardware e i requisiti infrastrutturali per una distribuzione sostenibile.

Qual è il miglior sistema di raffreddamento per un data center?

Non esiste un approccio unico per il raffreddamento dei data center. Fattori quali, ad esempio, le dimensioni del data center, la sua ubicazione e le esigenze in termini di carico di lavoro hanno tutti un impatto. Le soluzioni sostenibili ed efficienti come l'immersione stanno diventando sempre più popolari grazie alla loro maggiore efficienza e alla minore carbon footprint.  

Quali sono i componenti del sistema di raffreddamento di un data center?

I componenti chiave di raffreddamento di un data center includono:  

• Refrigeratori  
• Torri di raffreddamento  
• Condizionatori d'aria (CRAC/CRAH)
• Tubi di raffreddamento a liquido  
• Unità di distribuzione del refrigerante (CDU)
• Sistemi di pompaggio
• Ventole e griglie di ventilazione  

Anche i sistemi avanzati di monitoraggio AI per il controllo della temperatura e dell'umidità sono sempre più comuni man mano che i data center diventano più sostenibili.

Come raffredderesti un server in un data center?  

Le tecnologie avanzate di raffreddamento (come i sistemi ad aria che si basano sulla circolazione dell'aria raffreddata per rimuovere il calore o le soluzioni di raffreddamento a liquido che trasferiscono il calore tramite il liquido refrigerante) sono entrambi metodi efficienti utilizzati per raffreddare i server nei data center. Altri metodi prevedono l'ottimizzazione del flusso d'aria attraverso tecniche come il contenimento dei corridoi caldi e freddi, per evitare il ricircolo del calore. Per i server ad alta densità, il raffreddamento a liquido diretto al chip o il raffreddamento a immersione è ideale per la massima efficienza termica e sostenibilità.