Viviamo in un mondo interconnesso dove ormai gli smartphone sono diventati una vera e proprio estensione del nostro braccio: su questi dispositivi corrono ogni giorno milioni e milioni di informazioni. Tutto questo è possibile grazie ai data center, immense strutture che raccolgono i server necessari al funzionamento delle reti in grado di assicurare la comunicazione su scala globale. Tuttavia, queste mega farm tecnologiche rischiano quotidianamente di surriscaldarsi. Quindi, come garantire il raffreddamento dei data center?
Nelle prossime righe osserveremo da vicino i vari sistemi di condizionamento pensati per mantenere sotto controllo la temperatura dei server e consentire la loro operatività 24 ore su 24 senza interruzioni.
Quanto scalda un data center?
Prima di addentrarci nel mondo dei sistemi di raffreddamento dei data center, cerchiamo di comprendere meglio i motivi per cui si surriscaldano così tanto. Facciamo una premessa: la quantità di calore dipende dal numero di server presenti, dalla potenza installata e dalla densità dei rack.
Questi ultimi sono la vera e propria struttura portante dei data center. Potremmo definirli come delle grandi librerie industriali metalliche che ospitano e proteggono i server, così come i dispositivi di rete (switch e router) e quelli di storage.
Le infrastrutture IT operano 24 ore su 24 ed ovviamente si caratterizzano per consumi energetici altissimi. Il range è altamente variabile: si passa dai data center medio-grandi che assorbono tra i 20 e i 50 MW al giorno fino ai mega data center, come quelli di Google e Microsoft che superano regolarmente i 100 MW. Le strutture legate ai supercomputer per l’AI possono addirittura arrivare ad 1 Gigawatt di potenza.
Per darti un’idea dei consumi, ti basterebbe sapere che un data center che assorbe 100 MW al giorno impiega la stessa energia di 33.000 lavatrici accese alla massima potenza per 24 ore di fila.
Queste attività oltre a consumare livelli esorbitanti di energia elettrica, producono anche un’eccezionale quantità di calore. Ipotizziamo, che non sia presente un sistema di ventilazione: all’interno del rack si raggiungerebbe nei primi 60 secondi di attività una temperatura di 40-50° C. Dopo 2-3 minuti invece i gradi arriverebbero a 70°C fino, infine, a raggiungere le vorticose temperature di 120-130° C. A questo punto i componenti si inizierebbero a sciogliere e i server si incendierebbero.
Per fortuna i data center sono dotati di sistemi di controllo all’avanguardia. Infatti, raggiunti gli 80°C i server iniziano automaticamente a diminuire le proprie prestazioni per produrre meno calore. Qualora raggiungessero i 90°C scatterebbe il thermal shutdown, ovvero uno spegnimento di emergenza per salvaguardare i dispositivi ed evitare incendi.
Qual è la temperatura ideale per un data center?
La temperatura da mantenere in un data center è compresa tra 20 e 27 °C, sia in estate sia in inverno. Fino a qualche anno fa la temperatura media si aggirava invece intorno ai 15-18° C. In pratica, gli operatori erano costretti a lavorare con il giubbotto al loro interno! L’evoluzione della tecnologia dei server li ha resi maggiormente resistenti alle temperature più alte.
Per assicurare il raffreddamento del data center è necessario applicare una vera e propria architettura di condizionamento. Infatti, oltre alla temperatura va anche gestita l’umidità, la pressione e la circolazione dell’aria. Quali sono i principali sistemi che vengono utilizzati per assicurare condizioni termiche stabili?
Raffreddamento ad aria
Il raffreddamento ad aria rappresenta la prima tecnologia utilizzata per i data center. Come già accennato, a differenza dei condizionatori domestici, i sistemi per le sale computer non devono solo rinfrescare l’ambiente, ma controllare millimetricamente tre fattori critici:
- temperatura;
- umidità;
- purezza dell’aria.
I sistemi di raffreddamento utilizzati per espletare tutte queste funzioni prendono il nome di unità CRAC (Computer Room Air Conditioner) e CRAH (Computer Room Air Handler). Si tratta di condizionatori di precisione posizionati direttamente nella sala server che prelevano l’aria calda prodotta dai rack, la raffreddano e la reimmettono nell’ambiente, spesso spingendola sotto il pavimento galleggiante.
Qual è la differenza tra unità CRAC e CRAH?
Il primo sfrutta un sistema ad espansione diretta (DX). In questo schema, l’unità CRAC funziona in modo simile al frigorifero di casa. All’interno della sala server, l’aria calda passa attraverso una serpentina in cui circola un gas refrigerante. Il gas evapora assorbendo direttamente il calore dell’aria, per poi essere spinto verso un compressore e un condensatore esterni che rilasciano il calore nell’ambiente. È una soluzione ideale per data center di dimensioni medio-piccole per la sua semplicità di installazione.
Invece, le unità CRAH si basano su un sistema ad acqua refrigerata. Nei data center più grandi, quelli definiti hyperscale come quelli di Google o AWS, l’espansione diretta diventa inefficiente. Si preferisce quindi utilizzare le unità Crah collegate a un circuito idraulico.
All’esterno dell’edificio, grandi macchinari chiamati Water Chiller (refrigeratori d’acqua) raffreddano enormi volumi d’acqua, la quale viene pompata all’interno del data center fino alle unità della sala server, dove scambia calore con l’aria. Questo sistema offre una precisione estrema: i ventilatori e le valvole idrauliche regolano costantemente la loro velocità per adattarsi millimetricamente alla pressione statica e al carico termico richiesto in quel preciso istante.
Dove posizionare la sorgente del freddo nei data center?
Nel paragrafo precedente abbiamo osservato i due principali sistemi di raffreddamento ad aria del data center. Ma dove vengono applicate le sorgenti del freddo? Anche in questo caso abbiamo due strade percorribili.
La prima è rappresentata dal room cooling, ovvero il raffreddamento della sala. Le unità di condizionamento trattano il volume d’aria dell’intero data center. Potremmo definirla come una soluzione classica, adatta a carichi termici moderati. Tuttavia, richiede massima attenzione: l’aria fredda tende a disperdersi e a miscelarsi con quella calda prima di raggiungere i server, creando pericolosi “punti caldi”.
L’alternativa al room cooling è l’In-Row Cooling. In questa configurazione le unità di condizionamento vengono installate direttamente dentro le file dei rack, posizionate tra un server e l’altro. Avvicinando la sorgente di freddo all’hardware, il percorso dell’aria diventa brevissimo e lineare. Tale soluzione è pensata per le aree ad alta densità termica. Anche qui però è presente un risvolto della medaglia: richiede di sacrificare spazio utile per i server all’interno dei rack e comporta costi iniziali più elevati.
L’importanza dei corridoi caldi e freddi
L’efficacia del raffreddamento di un data center dipende anche dalla separazione dei flussi d’aria. Per questo motivo vengono progettati i cosiddetti corridoi caldi e freddi. Che cosa sono?
Qualche riga più su abbiamo evidenziato quanto uno dei rischi principali nei sistemi di condizionamento delle infrastrutture IT sia la tendenza dell’aria calda e fredda a miscelarsi prima di raggiungere i server creando punti caldi.
I corridoi caldi e freddi nascono anche per ovviare a questa problematica. Per comprendere il loro funzionamento è necessario partire dalla disposizione dei rack. Gli “armadi” contenenti i server non vengono mai messi tutti nella stessa direzione, ma posizionati faccia a faccia e schiena a schiena. Il motivo?
- Corridoio freddo: È lo spazio racchiuso tra le parti anteriori di due file di rack contrapposte. Qui, attraverso piastrelle forate poste sul pavimento galleggiante, viene immessa l’aria fresca che arriva dalle unità di condizionamento. I server aspirano quest’aria per raffreddare i chip.
- Corridoio Caldo: si tratta dello spazio compreso tra i dorsi delle file di rack. Qui i server espellono l’aria che ha assorbito il calore dei componenti elettronici. Quest’aria surriscaldata sale verso l’alto per essere catturata dalle prese di ritorno del condizionatore.
Per evitare il rischio di miscelazione tra aria calda e fredda di cui parlavamo poco fa, i corridoi vengo sigillati fisicamente con tetti in plexiglas.
Raffreddamento a liquido
L’ultima frontiera in tema di raffreddamento dei data a center è incarnata dai sistemi a liquido. Queste soluzioni sono pensate in particolar modo per i supercomputer dell’AI: la densità di calcolo delle CPU e GPU è talmente potente che l’aria non è più sufficiente a garantire condizioni termiche adeguate.
Il raffreddamento a liquido si suddivide in un due principali categorie: osserviamole insieme!
Raffreddamento diretto a liquido
Si tratta di un sistema idraulico in cui l’acqua, spesso mescolata con glicole antigelo, scorre attraverso tubi flessibili fino a delle piastre metalliche montate direttamente sopra i chip più caldi. Il liquido assorbe il calore e lo porta via. È una soluzione flessibile perché consente di raffreddare a liquido i componenti critici, lasciando all’aria il compito di raffreddare la componentistica secondaria del server.
Raffreddamento a immersione
In questa configurazione i server vengono letteralmente immersi in vasche piene di un fluido dielettrico (un olio speciale che non conduce elettricità e non cortocircuita i componenti). Il fluido assorbe il calore direttamente da ogni millimetro del server e lo trasferisce a un circuito idraulico esterno.
Come i data center smaltiscono il calore all’esterno?
L’ultima fase del processo di raffreddamento di un data center riguarda l’espulsione del calore accumulato verso l’esterno dell’edificio. Tutto ciò è reso possibile dal circuito idraulico secondario.
Nella pratica, Il fluido termovettore caldo viene pompato verso l’esterno dell’infrastruttura, dove incontra i sistemi di dissipazione finale ambientali. La scelta di questi macchinari dipende dal clima e dalle risorse idriche del luogo. Solitamente si utilizzano:
- chiller, refrigeratori meccanici usati quando fuori fa molto caldo.
- dry cooler e raffreddatori adiabatici. Sono grandi radiatori con ventole che raffreddano il liquido sfruttando l’aria esterna, a volte aiutati da una nebulizzazione d’acqua (adiabatici) per aumentarne l’efficacia in estate senza consumare troppa acqua come le vecchie torri evaporative.
I chiller, così come altri dispositivi per il condizionamento industriale, sono presenti nel catalogo Airtech. La nostra azienda si occupa da diversi anni del noleggio di impianti per la climatizzazione industriale: i nostri tecnici sono pronti a mettere tutta la loro esperienza al tuo per progettare la soluzione migliore per gli spazi della tua azienda.
