Di Andy Smith
I data center sono la spina dorsale di quasi tutti i settori moderni, poiché consentono operazioni di sistema, archiviazione dati, connettività e comunicazione in tutto il mondo. Telecomunicazioni, e-commerce, media, sanità, finanza, istruzione, sicurezza e produzione sono tutti supportati dai data center. Tuttavia, la gestione termica dei data center rappresenta una sfida enorme, spesso trascurata.
Questo articolo identifica le tecnologie di raffreddamento a livello di scheda, sottosistema e sistema che consentono ai data center moderni di funzionare in modo efficiente ed efficace.
Perché i sistemi di raffreddamento dei data center sono fondamentali
La gestione termica dei data center è essenziale per l'affidabilità delle apparecchiature, l'efficienza energetica, la prevenzione della perdita di dati, l'ottimizzazione delle prestazioni, la sicurezza, i costi, l'efficienza operativa e la riduzione dell'impatto ambientale.
Una gestione termica efficiente garantisce che i singoli componenti elettronici funzionino entro i loro intervalli di temperatura ottimali, migliorando il consumo energetico anche a livello di componenti. All'aumentare della temperatura dei componenti, aumenta anche la loro resistenza interna e ciò può determinare una riduzione delle prestazioni o una crescita del consumo energetico complessivo. Un raffreddamento insufficiente dei componenti può portare a un massiccio aumento del consumo energetico computazionale. Al contrario, sistemi che provocano un raffreddamento eccessivo o inefficiente possono comportare un dispendio energetico non necessario per mantenere ottimale il consumo energetico computazionale.
I costi dei data center sono direttamente collegati al consumo energetico. Delle strategie di gestione termica efficienti riducono i costi operativi complessivi. Ottimizzando i costi energetici dei sistemi di raffreddamento rispetto ai costi di consumo energetico computazionale, gli operatori dei data center possono ridurre al minimo i costi operativi e soddisfare le esigenze di prestazioni computazionali.
I tre livelli di raffreddamento dei data center
Raffreddamento a livello di scheda
La generazione primaria del calore nei data center è determinata da unità di elaborazione come CPU, GPU e TPU. Questi componenti delle schede richiedono un'efficace dissipazione del calore per mantenere le giuste temperature interne.
Il metodo più comune di raffreddamento a livello di scheda si avvale dell'aria come mezzo per l'assorbimento del calore. Le schede dei data center utilizzano dispositivi di raffreddamento ad aria come dissipatori di calore passivi, tubi di calore, camere di vapore, ventole di raffreddamento attive e ventilatori.
Quando i sistemi di gestione termica raffreddati ad aria non forniscono le prestazioni di raffreddamento desiderate si possono utilizzare dei sistemi di raffreddamento a liquido. È possibile trovare CPU, GPU, ASIC e acceleratori computazionali raffreddati a liquido nei data center ad alta densità che presentano requisiti hardware speciali e generano più calore di quello che i metodi di raffreddamento tradizionali sono in grado di gestire. Il raffreddamento a liquido fornisce una dissipazione del calore più efficace per questo tipo di hardware che è comune nelle attività di calcolo ad alte prestazioni (HPC) come addestramento dell'IA, simulazioni scientifiche, analisi di dati complessi e rendering grafico.
Raffreddamento dei sottosistemi
Il raffreddamento a liquido può essere utilizzato per interi data center, ma raramente rappresenta una soluzione di raffreddamento universale a causa della sua complessità e dei costi elevati. Molti data center utilizzano diverse tecniche di raffreddamento per le varie sezioni. Nel caso dei sistemi di raffreddamento a liquido localizzato, il calore raccolto viene spesso disperso nell'aria tramite il liquido e l'aria viene poi trasferita al resto dei sistemi di raffreddamento ad aria del data center.
La gestione dei flussi d'aria è una tecnica fondamentale per la gestione termica complessiva dei data center. Dato che la maggior parte delle schede dei data center sono disposte in rack, i sistemi di raffreddamento a livello di rack possono comprendere unità di raffreddamento dedicate o ventole montate sui rack che dirigono il flusso d'aria da una sezione del data center a un'altra.
I data center sono solitamente organizzati con una disposizione alternata di corridoi caldi e freddi, in cui un lato di un server è rivolto verso un corridoio freddo, mentre il lato opposto è rivolto verso un corridoio caldo. Le unità di raffreddamento e le ventole a livello di rack aspirano l'aria dai corridoi freddi, la fanno passare attraverso il rack per raffreddare le schede e i componenti, quindi la smaltiscono nei corridoi caldi. Le soluzioni HAC (Hot Aisle Containment, contenimento dei corridoi di aria calda) compartimentano i data center utilizzando barriere fisiche e porte per ridurre al minimo la miscelazione tra aria calda e aria ambientale o raffreddata, mantenendo così una maggiore efficienza.
In alternativa al raffreddamento ad aria dei rack, le unità di distribuzione dell'acqua refrigerata (CDU) e del liquido di raffreddamento (LCDU) fanno circolare acqua refrigerata all'interno di un intero rack fino ai singoli dispositivi di raffreddamento a liquido a livello di scheda. Le CDU sono costituite da un circuito del refrigerante, una pompa e un sistema di controllo in grado di distribuire il liquido di raffreddamento in base alla domanda. Comprendono inoltre uno scambiatore di calore che espelle il calore generato all'interno del rack nel sistema di raffreddamento ad aria o a liquido a livello del data center.
Il raffreddamento a immersione in liquido, la forma più rara di raffreddamento dei sottosistemi dei data center, viene utilizzato nei settori dell'informatica e della tecnologia ad alte prestazioni. Questo metodo prevede l'immersione di interi sistemi hardware dei server in fluidi dielettrici per raffreddare direttamente tutti i componenti delle schede contemporaneamente. Questo metodo di raffreddamento offre capacità di raffreddamento superiori, ma richiede un'infrastruttura altamente specializzata e non è scalabile come i sistemi di raffreddamento ad aria condizionata o ad acqua refrigerata. I fluidi dielettrici sono inoltre costosi, soggetti a consumo, complicati da mantenere e possono essere pericolosi per l'ambiente, pertanto la maggior parte dei data center li utilizza con moderazione.
Raffreddamento a livello di sistema
Il raffreddamento di un intero data center richiede una notevole lungimiranza per quanto riguarda l'infrastruttura complessiva, il consumo energetico e la pianificazione del sito. Vengono utilizzati diversi sistemi a seconda della temperatura generale, dell'umidità e delle condizioni ambientali all'interno della struttura. La scelta del sistema da utilizzare dipende in gran parte dal settore e dalla domanda o dall'utilizzo previsto del data center.
Sistemi di condizionamento d'aria di precisione
I sistemi di condizionamento d'aria di precisione come le unità CRAC (Computer Room Air Conditioner) sono i sistemi di raffreddamento più comuni nei data center. Le unità CRAC vengono impiegate nei data center che utilizzano la ventilazione forzata per raffreddare i rack e, per farlo, si avvalgono di un ciclo di refrigerazione centralizzato, smaltendo l'aria riscaldata nell'ambiente esterno.
Le unità CRAC garantiscono un controllo preciso della temperatura e dell'umidità, nonché la filtrazione dell'aria, fondamentale per le apparecchiature più sensibili e l'archiviazione dati, ma meno adatta per le applicazioni di calcolo ad alte prestazioni. I sistemi di distribuzione dell'aria raffreddata dalle unità CRAC possono prevedere una configurazione con corridoi caldi/freddi o sistemi di distribuzione del flusso d'aria verso l'alto, dal pavimento verso il soffitto. I sistemi di condizionamento d'aria di precisione si trovano più comunemente nei data center bancari, sanitari, tecnologici, di e-commerce e per l'intrattenimento, vista l'elevata presenza di soluzioni per l'archiviazione dati, la domanda giornaliera costante e il numero minimo di rack per il calcolo ad alte prestazioni.
Esempio di una configurazione di raffreddamento del rack con flusso d'aria verso l'alto
Sistemi ad acqua refrigerata
I sistemi ad acqua refrigerata utilizzano l'acqua come mezzo di raffreddamento diffuso nell'intero data center. Questi sistemi, chiamati anche sistemi di raffreddamento idronici, vengono utilizzati da settori che hanno carichi di calcolo elevati o in data center molto grandi, a causa della loro scalabilità. I sistemi ad acqua refrigerata sono più efficienti e possono tollerare carichi di calore notevolmente più elevati rispetto ai sistemi di condizionamento dell'aria, consentendo di gestire una domanda di calore variabile durante la giornata.
I sistemi ad acqua refrigerata forniscono inoltre un elevato numero di ridondanze e ciò rende il sistema complessivamente più affidabile. Sfortunatamente, questi sistemi hanno un costo iniziale più elevato. L'apparecchiatura centrale, i tubi di distribuzione e i sistemi di raffreddamento a livello di rack sono più costosi rispetto a quanto avviene con i sistemi di raffreddamento ad aria condizionata. Questi sistemi possono anche essere soggetti a perdite, quindi è necessario affidarsi a professionisti del settore per l'installazione e la manutenzione, in modo da evitare di danneggiare il prezioso hardware dei server.
Tuttavia, grazie alla loro affidabilità, alla scalabilità e alla maggiore capacità termica, i sistemi ad acqua refrigerata sono comunemente utilizzati nei settori delle telecomunicazioni, governativo, energetico/servizi pubblici, sicurezza, manifatturiero e scientifico. I sistemi ad acqua refrigerata sono il metodo di raffreddamento più usato per i sistemi ad alto carico computazionale, sia per densità di calcolo che per dimensioni complessive.
Sistemi di raffreddamento libero
I sistemi di raffreddamento libero sfruttano le condizioni ambientali esterne per raffreddare i data center. Questi sistemi vengono utilizzati quando l'efficienza energetica è una priorità, poiché riducono al minimo la dipendenza dai sistemi di raffreddamento meccanico. Funzionano prelevando l'aria più fresca dell'ambiente esterno, filtrandola, utilizzandola per raffreddare i rack del data center e quindi espellendo l'aria riscaldata all'esterno. Questi sistemi sono presenti solo dove l'ambiente esterno è in grado di supportarli e ciò li rende meno comuni e utilizzabili solo per un numero ristretto di settori con una domanda computazionale minima.
Il raffreddamento dei data center è fondamentale
Nella maggior parte dei casi, il raffreddamento dei data center si basa su un sistema di condizionamento dell'aria tradizionale o su un sistema ad acqua refrigerata. La densità di calore del data center, lo spazio disponibile, la posizione geografica e i vincoli di costo sono i fattori decisionali più comuni nella scelta tra i due sistemi. I data center più avanzati per il calcolo ad alte prestazioni possono avvalersi di complessi sistemi di gestione termica a immersione in liquidi, che offrono la soluzione di gestione termica più valida. Tuttavia, il costo e la complessità rendono questi sistemi piuttosto rari. La progettazione altamente personalizzata dei sistemi di raffreddamento a livello di schede, sottosistemi e data center dipende in gran parte dalle richieste del settore, dalla scalabilità, dall'affidabilità e dagli obiettivi di efficienza energetica. In ogni caso, le soluzioni di gestione termica sono essenziali per le operazioni dei moderni data center.
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