Cooling data center: il raffreddamento dei data center in fase di progettazione

Il data center è una sala macchine, una struttura fisica in cui trovano spazio server, storage, gruppi di continuità e tutte le apparecchiature che supportano i sistemi informativi delle aziende. A causa dell'elaborazione continua dei server, che movimentano enormi quantità di processi e informazioni, viene generata una grande quantità di calore; per questo motivo, è necessario prevedere già in fase progettuale, adeguati ed efficienti sistemi di raffreddamento e gestione del calore.

Importanza del raffreddamento nei data center

Come si può dedurre, il calore che viene generato dalle macchine presenti all’interno di un Data Center rappresenta una delle maggiori criticità: infatti, il funzionamento delle apparecchiature informatiche può essere compromesso in presenza di temperature elevate, causando ingenti danni all’intera infrastruttura. Da qui la necessità di prevedere al suo interno uno o più sistemi di raffreddamento e di estrazione del calore.

Le tipologie di raffreddamento dei data center si stanno dotando di tecnologie sempre più ottimali per mantenere condizioni ambientali adatte all'attrezzatura informatica. Con la crescente domanda per una maggiore efficienza operativa dei data center, contemporaneamente si cercano soluzioni per il raffreddamento sempre più performanti.

Per un corretto controllo ambientale, oltre al calore, bisogna considerare:

• temperatura ambientale
• pressione e flusso dell’aria
• livelli di umidità

Questo tipo di controllo, al fine di mantenere le condizioni ambientali ottimali, può essere gestito attraverso dei sensori che ottimizzino il funzionamento degli impianti, riducendo spese evitabili derivanti da riscaldamento o raffrescamento non necessario.

Evoluzione delle esigenze di raffreddamento

Il processo di raffreddamento dei Data Center impiega circa il 40% del consumo energetico e, generalmente, sfrutta i tradizionali impianti di condizionamento dell’aria. Ad esempio, se consideriamo che i processi necessari ad alimentare le applicazioni di intelligenza artificiale sono ancora più energivori, capiamo come i Data Center siano costretti ad adottare nuovi approcci per soddisfare le proprie esigenze di raffreddamento e che l’infrastruttura tradizionale non è più sufficiente.

Per migliorare il raffreddamento, i progettisti devono occuparsi di:

• trasferire il calore dall'attrezzatura IT verso il dissipatore di calore; 
• garantire continuità di lavoro senza interruzione dei dispositivi di raffreddamento; 
• una progettazione ottimale che minimizzi il trasferimento di calore. 

Il consumo energetico e l’impatto ambientale che derivano dal loro raffreddamento rendono necessario sviluppare soluzioni di condizionamento sempre più efficaci, tanto sul piano funzionale quanto su quello economico.

Principi fondamentali del raffreddamento dei data center

Il raffreddamento di una data center è uno degli aspetti più importanti per i professionisti del settore, perché non avere a disposizione adeguate tecniche di raffreddamento implicherà una serie di limitazioni fisiche sul funzionamento delle macchine e un dispendio energetico fuori controllo.

Un primo tentativo viene affrontato con la legge di Moore proposta da Ken Bill nel 2007, che prevede l'introduzione di nuove tecnologie per contrastare i potenziali problemi di sovraconsumo di elettricità da parte dalle attrezzature di raffreddamento dei data center.

Oggi, alcune delle organizzazioni più attente cercano di ridurre le emissioni dannose per l’ambiente, di ottimizzare il più possibile i costi e quindi di ridurre il dispendio energetico. Ciò richiede che la progettazione dei data center avvenga in base a stringenti criteri di efficienza, basata sempre più su fonti di energia rinnovabile.

Approcci tradizionali e le nuove tecnologie per il raffreddamento

Come accennato, una delle soluzioni tradizionali per il controllo della temperatura all’interno dei data center è il sistema di condizionamento ad aria. 

I data center, però, possono anche aumentare la propria efficienza di raffreddamento sfruttando la disposizione e l'organizzazione delle proprie attrezzature. 

Per ottenere la disposizione ideale si utilizza il sistema detto “corridoio caldo/freddo”: se l'aria calda e fredda di mescolano si verifica un consumo di energia non efficiente, inoltre, l'attrezzatura viene privata della temperatura necessaria per funzionare in modo ottimale. Implementando il metodo del corridoio freddo/caldo, i rack sono sostanzialmente posizionati in modo tale che l'aria calda e fredda finiscano per passare attraverso percorsi separati.

Superata la soluzione tradizionale, sono state sperimentate altre soluzioni più efficienti; ad esempio, la tecnologia di “raffreddamento a liquido” sta registrando risultati positivi, divenendo così tra le soluzioni di raffreddamento alternative per i Data Center. 

Di seguito si passano in rassegna alcuni dei sistemi di raffreddamento moderni:

• I Sistemi a espansione diretta (Direct Expansion, DX): Il sistema a espansione diretta prevede, attraverso l’utilizzo di una unità esterna alimentata elettricamente, l’immissione nelle condutture di un gas refrigerante (HFC). L’energia frigorifera viene quindi distribuita nei locali del Data Center o direttamente nei rack contenenti le apparecchiature e i dispositivi informatici. 

• I Sistemi ad acqua refrigerata (Chilled Water, CW): Analogamente ai sistemi solitamenti impiegati negli edifici per uffici, un’unità esterna produce acqua refrigerata (tramite espansione diretta o raffreddatori “free-cooling”) e, soffiando aria su uno scambiatore termico, è possibile abbassare la temperatura dell’aria che verrà immessa nell’ambiente. La possibilità di regolare la velocità della ventola dell’unità consente di mantenere costanti i valori di pressione, umidità e temperatura.

• Il raffreddamento ad aria e free cooling:  i sistemi DX e CW riescono a garantire buoni livelli di efficienza solo nel caso di impianti di potenza ridotta; tuttavia, per i data center più energivori viene utilizzata la tecnologia del free cooling, sfruttando cioè il potenziale dell’aria esterna che viene immessa negli ambienti direttamente (free cooling diretto) o a seguito di un trattamento (free cooling indiretto).

I vantaggi del Free Cooling

Il free cooling è un metodo di raffreddamento che si può definire minimalista e riduce il costo totale del raffreddamento in un data center. Questo sistema si basa sul principio di garantire che il flusso d'aria del data center abbia la temperatura ideale; in questo modo si può economizzare sulle due componenti di questo sistema: l'acqua e l'aria. Il sistema ad aria è leggermente rischioso perché richiede di regolare l'aria esterna per raffreddare l'attrezzatura, mentre quello ad acqua potrebbe introdurre agenti inquinanti.

Il sistema di raffreddamento libero degli ambienti va a sfruttare la sola differenza di temperatura con l’ambiente esterno, ovvero l’entalpia. Un impianto di questo tipo non necessita di macchine preposte a favorire lo scambio termico: esso, infatti, sfrutta la temperatura naturale esterna. Da qui un immediato impatto molto positivo sul risparmio energetico. Questa tecnologia può essere adottata laddove il clima lo consente, e presuppone un investimento iniziale più elevato rispetto a quello richiesto da altri sistemi, e spesso viene scartato perché non si valutano i ritorni economici nel lungo termine.

Sistemi di gestione termica avanzati

Di seguito altri metodi che utilizzano moderne tecnologie per il raffreddamento:

• Pannelli d'otturazione: impediscono all'aria calda di entrare in contatto con l’aria presente all’interno del data center, garantendo maggiore raffreddamento e impedendo al calore in eccesso di occupare spazio rack libero, che potrebbe diminuire sia il raffreddamento che l'efficienza dei server.

• Refrigerante pompato: si utilizza uno scambiatore di calore che pompa un liquido refrigerato attraverso il circuito di raffreddamento. Questo processo è vitale per dissipare il calore generato dalle numerose apparecchiature elettroniche e server presenti nel data center.

• Sistema evaporativo d'aria indiretto: è utilizzato in luoghi dove l'aria esterna è più fredda di quella interna. Con l'ausilio di un condotto d'aerazione connesso con un refrigeratore ad evaporazione indiretta, l'aria fredda viene immessa direttamente nello spazio aria del data center.

• Intelligenza Artificiale (AI) nel raffreddamento: non è vero e proprio sistema di raffreddamento ma grazie alla loro capacità di monitorare e di regolare dinamicamente l’ambiente, proprio i sistemi AI forniscono una soluzione ideale per il controllo del microclima all’interno dei data center.

Progettazione sostenibile e ambientale dei data center

Come precedentemente descritto, il tema di una progettazione attenta dei data center è fondamentale sia per il controllo della temperatura interna che per ridurre l’impatto ambientale (generazione di calore, consumo eccessivo di acqua, energia ecc).

Possiamo individuare alcune soluzioni che vertono verso una progettazione sostenibile:

• Raffreddamento a impatto zero - Per ridurre un notevole dispendio energetico che servirebbe per raffreddare l’intero volume delle sale dati, si può intervenire attraverso una efficientissima compartimentazione dei flussi di aria fredda in ingresso e calda in uscita che interessa il raffreddamento dei rack e quindi dei server e degli altri apparati. Grazie a un’apposita canalizzazione, l’aria fredda interessa solo il volume frontale del rack che risulta isolato dalla sala dati.

• Raffreddamento delle sale dati con acqua di falda - L’utilizzo dell’acqua di falda come sorgente principale di energia frigorifera permette di ridurre gli sprechi energetici. Il principale vantaggio è dato dalla temperatura costante dell’acqua che, a livello di falda, resta intorno ai 9°C tutto l’anno. Al termine del processo di raffreddamento e senza subire alcuna alterazione chimica, l’acqua viene immessa nuovamente nella falda di origine, azzerando l’impatto ambientale del processo. L’impianto, completamente ridondato, può ricevere l’apporto parziale o totale da parte dei chiller aria/acqua del circuito di emergenza, in grado di garantire la stessa potenza refrigerante dell’impianto primario.

• Dynamic free cooling - Con le basse temperature, il Dynamic Free Cooling permette di risparmiare energia utilizzando l’aria esterna, opportunamente filtrata, per raffreddare la sala server. L’aria calda viene espulsa dall’edificio da grandi ventilatori, serrande elettriche chiudono ed aprono all’occorrenza le aperture. 

Il riciclo del calore

Un aspetto virtuoso, che può essere messo in campo ad esempio per il raffreddamento ad acqua, risiede nella possibilità di non far disperdere il calore prodotto, bensì di recuperarlo per riscaldare ambienti vicini. Sperimentazioni di questo tipo sono state avviate già in Scandinavia. 

L’unità di distribuzione del raffreddamento da liquido a liquido fa circolare quest’ultimo attraverso i rack ed espellono il calore utilizzando appunto l’acqua. Si tratta di un sistema a circuito chiuso dell’acqua – quindi senza alcun consumo o necessità di reintegro – ed è in grado di intercettare il calore di dissipazione per riscaldare uffici, case o, in generale, per supportare applicazioni di processo che richiedono potenza termica per l’operatività.

Il recupero del calore di scarto è un aspetto di notevole interesse ed importanza: è una tecnica che favorisce l’ecosostenibilità.

Minimizzare l'impatto ambientale del raffreddamento

L’acqua è il presupposto necessario per molte attività umane, e internet non fa eccezione. Per il raffreddamento dei data center ne vengono utilizzate enormi quantità, e indirettamente, ne consumano per la produzione dei materiali e dell'energia che li alimenta. Complessivamente i data center non incidono molto sul consumo idrico globale, ma il loro impatto, in zone dove l'acqua scarseggia, può essere pesantissimo. Le sale dati diventeranno sempre più grandi e numerose, e con l'arrivo dell'intelligenza artificiale, che ha bisogno di immense quantità di dati, il fabbisogno di acqua potrebbe crescere ulteriormente, per questo non è più possibile ignorare il problema.

Per questo, molte grandi aziende hanno dichiarato impegni ambiziosi per il prossimo futuro: sia Microsoft che Google si sono impegnate a diventare "water positive" entro il 2030, utilizzando il sistema di reintegro dell’acqua in falda almeno nella stessa quantità prelevata. Anche Meta provvede già a ripristinare acqua nei luoghi in cui le sue strutture hanno un impatto più pesante. 

Nel 2017 un consorzio che rappresenta il 90% dell'industria europea del settore ha stilato un "Patto per la neutralità climatica dei data center" che prevede, tra l'altro, un maggiore utilizzo di acqua industriale, riservando quella potabile ad altri usi.

Normative e standard di riferimento

Accordo di Programma MSE-ENEA:

• Linee guida per la progettazione di data center ad alta efficienza 

Data Center Standards from ASHRAE:

• Standard 90.4-2019 - Energy Standard for Data Centers (ANSI Approved)
• Standard 127-2012 - Method of Testing for Rating Computer and Data Processing Room Unitary Air Conditioners (ANSI Approved)

Norma ASHRAE I43-2015

• Fornisce pratiche raccomandate e procedure di misurazione accurate per testare dispositivi di raffreddamento evaporativo indiretto

Norme ISO/IEC TS 22237

• lo standard definisce requisiti e procedure per garantire l'affidabilità e la disponibilità dei servizi offerti dal data center.

ANSI/TIA 942 

• Stabilisce i requisiti per i data center considerando gli elementi costitutivi (tra cui architettura di rete, impianto elettrico, storage, ridondanza dei sistemi, sicurezza della rete, DB, protezione contro i rischi fisici, gestione energia, ecc.)

Caso studio e best practices

Diversamente dagli impianti di raffreddamento tradizionali ad aria, il caso Ovh Cloud è importante perché veicola il calore verso l'esterno sfruttando un complesso impianto a liquido che funziona grazie a stazioni e sottostazioni di pompaggio, tubature e componenti a diretto contatto con i chip. I waterblock sono personalizzati con scanalature fresate che agevolano il passaggio dell'acqua (osmotizzata) e quindi il trasferimento di calore. Si tratta di un impianto di raffreddamento privo di refrigerazione e meno rumoroso di quelli più diffusi ad aria; può essere anche modulato a seconda degli impieghi e condizioni ambientali, infatti, si possono aggiungere componenti di dissipazione, come ad esempio portelli esterni con piccole ventole e scambiatori.

Ovh Cloud ha perfezionato costantemente le sue tecniche di raffreddamento per raggiungere livelli leader del settore in termini di efficienza energetica (Pue) e efficienza di utilizzo dell'acqua (Wue) per data center. Per raffreddare 10 ore di operatività di un server è sufficiente infatti la quantità di un bicchiere d'acqua contro un litro degli eventuali concorrenti.

La nuova sfida è rappresentata da un’altra tecnologia, che sta sviluppando ancora Ovh Cloud, che si propone di abbinare il raffreddamento ad acqua a quello a immersione: si chiama Hybrid Immersion Liquid Cooling. Esternamente appare come un comune rack verticale a forma di libreria che può contenere fino a 48 server, ma in realtà ogni server è inserito in un case indipendente a forma di libro in cui tutti i circuiti sono immersi in un fluido dielettrico.

Cpu e gpu, di fatto le parti più calde, godono invece del sistema di raffreddamento ad acqua basato su serpentine usato comunemente dall'azienda. In questo modo il rack risulta passivo e viene assicurata silenziosità e azzeramento dei consumi.

Conclusioni

In Italia vediamo ancora una netta prevalenza dei sistemi a espansione diretta (DX), radicati verso un approccio orientato alla semplicità e al vantaggio economico immediato, mentre in altri Paesi europei hanno preso piede soluzioni più efficienti (CW e free cooling), anche se più costose nella fase iniziale risultano poi più economiche nel medio/lungo termine, portando ad un risparmio economico e un minor impatto ambientale.

In ogni caso, la tecnologia DX, per come la conosciamo oggi, sembra destinata ad essere superata: le restrizioni all’impiego di gas HFC costringeranno gli esperti del settore a optare per sistemi più evoluti, come quelli basati su composti organici insaturi (HFO), comunque più costosi, o quelli ad acqua refrigerata o per free cooling precedentemente descritti.