Raffreddamento diretto a liquido nei data center: tecnologia, funzionamento ed efficienza economica

Capire il raffreddamento diretto a liquido

Nel sistema Direct Liquid Cooling (DLC), un liquido assorbe direttamente il calore da componenti selezionati del server. Nella versione più diffusa, denominata Direct-to-Chip, è presente un Piastra di raffreddamento ad esempio su una CPU o su un acceleratore. Il fluido di raffreddamento scorre attraverso i canali presenti nella piastra, si riscalda e dissipa l’energia tramite i condotti collegati.

In un sistema monofase, il fluido rimane allo stato liquido durante il funzionamento previsto. I processi bifasici, invece, sfruttano un cambiamento di fase del fluido di raffreddamento; la loro progettazione e i requisiti operativi non possono essere semplicemente dedotti da un circuito monofasico. Anche il raffreddamento ad immersione rappresenta un concetto diverso: in questo caso, i componenti si trovano all’interno di un fluido di raffreddamento adeguato, anziché essere semplicemente collegati ad esso tramite piastre di raffreddamento.

Il raffreddamento dissipa il calore, ma non ne impedisce la generazione. Una CPU continua ad aver bisogno di energia elettrica per le proprie operazioni di calcolo, che viene dissipata prevalentemente sotto forma di calore. Il DLC può influire sul fabbisogno energetico dei sistemi di raffreddamento; tuttavia, l’installazione di piastre di raffreddamento non comporta né una riduzione del consumo energetico dei sistemi IT né, automaticamente, un risparmio per l’intero centro dati.

Direct-to-Chip diventa particolarmente interessante in caso di elevata Densità dei rack: Quando molti processori ad alta potenza operano in uno spazio ristretto, è necessario dissipare una grande quantità di calore da un’area ridotta. Il liquido assorbe parte di tale calore direttamente dai componenti, anziché cederlo inizialmente per intero all’aria ambiente. La convenienza di tale intervento dipende anche dal sistema di raffreddamento dell’edificio, dal profilo di carico e dalle modalità operative.

Il contributo dedicato a offre una panoramica di ulteriori approcci e dei loro campi di applicazione Raffreddamento a liquido dei server nel centro dati. Ai fini della progettazione di un sistema DLC specifico, è inoltre fondamentale il modo in cui il circuito del fluido viene collegato al sistema di dissipazione del calore dell'edificio.

Il percorso del calore

Il percorso termico ha inizio sulla superficie di contatto tra il componente e la piastra di raffreddamento. Il fluido riscaldato scorre attraverso tubi flessibili e raccordi verso un distributore che collega diversi server o percorsi di raffreddamento al circuito. Da lì, in genere, raggiunge una Cooling Distribution Unit (CDU), che alimenta e regola il circuito lato IT.

In una CDU liquido-liquido, un Scambiatore di calore l'energia dal circuito IT a un circuito dell'edificio. I due fluidi non devono necessariamente mescolarsi. Pompe, sensori e sistemi di regolazione garantiscono la portata prevista e il controllo della temperatura; a seconda dell'architettura, un'unità di raffreddamento centrale (CDU) può essere collocata all'interno di un rack oppure alimentare più rack.

Il compito non si esaurisce con lo scambiatore di calore: l’edificio deve continuare a dissipare il calore assorbito. A tal fine, a seconda dell’impianto e delle condizioni operative, si possono prendere in considerazione, ad esempio, raffreddatori di ritorno, torri di raffreddamento o macchine frigorifere. La combinazione più adatta dipende, tra l’altro, dalle temperature richieste, dal clima esterno e dalle condizioni operative nel corso dell’anno.

Un’alternativa alla semplice dispersione nell’ambiente è lo sfruttamento del calore da parte di un utilizzatore adeguato. A tal fine, l’offerta e la domanda devono coincidere nel tempo; anche il livello di temperatura e la distanza sono fattori rilevanti. Se la temperatura disponibile non è sufficiente, può essere necessaria una pompa di calore. La semplice presenza di una tubazione per il trasporto di fluidi non implica di per sé un effettivo utilizzo del calore.

Molti server raffreddati a liquido rimangono Sistemi ibridi. Le piastre di raffreddamento non coprono necessariamente tutti i componenti; quelli rimanenti continuano a dissipare calore nell’aria. NVIDIA descrive tali componenti residui raffreddati ad aria per le configurazioni GB200. Pertanto, la circolazione dell’aria nell’ambiente e il raffreddamento ad aria disponibile devono essere adeguati al carico residuo anche quando gran parte del calore viene dissipato tramite liquido.

Classificare correttamente le temperature e le interfacce

Per il collegamento di un server, l’indicazione „raffreddamento a liquido“ non è sufficiente. I progettisti hanno bisogno dei dati operativi approvati per la configurazione specifica e devono armonizzarli con la CDU, il sistema di distribuzione e l’impianto dell’edificio. Un collegamento adeguato si ottiene solo quando tutti i componenti coinvolti sono compatibili tra loro nelle condizioni di carico e di funzionamento previste.

Il sito Temperatura di mandata indica la temperatura del fluido lungo il percorso verso l'apparecchio da raffreddare. Deve rientrare nei limiti specificati nelle specifiche tecniche dell'apparecchio; allo stesso tempo, influenza le condizioni in cui l'impianto dell'edificio è in grado di dissipare il calore. Una temperatura più elevata può favorire determinati sistemi di raffreddamento, ma non deve superare il limite consentito per il server in questione.

La portata richiesta indica la quantità di fluido refrigerante che deve scorrere attraverso il circuito di raffreddamento in un determinato periodo di tempo. La Perdita di carico Si verifica, tra l’altro, a livello di piastre di raffreddamento, tubi flessibili e raccordi. La progettazione delle pompe e delle tubazioni deve consentire la portata richiesta tenendo conto di queste resistenze e, al contempo, rispettare i limiti di pressione ammessi dei componenti.

Altrettanto importanti sono la qualità del fluido di raffreddamento e la compatibilità dei materiali. I requisiti del produttore possono riguardare, ad esempio, la composizione del fluido e la gestione delle impurità. I tubi flessibili, i raccordi e le guarnizioni omologati devono essere compatibili con il fluido e con il rispettivo collegamento; un componente meccanicamente compatibile non è automaticamente omologato per l’uso previsto.

ASHRAE distingue diverse classi W per l’approvvigionamento idrico degli edifici. Tale classe aiuta a classificare l'approvvigionamento, ma non sostituisce l'omologazione dell'apparecchio e non definisce automaticamente le condizioni nel circuito IT separato. I valori forniti da un produttore o relativi a un lato del circuito non dovrebbero quindi essere applicati senza verifica ad altri apparecchi, raccordi o fluidi.

Confronto tra quattro metodi di raffreddamento

Nella scelta del sistema di raffreddamento non conta solo se si utilizza un liquido. Ciò che è determinante è, dove viene assorbito il calore e quale infrastruttura sia necessaria a tal fine nel server e nell'edificio. I quattro approcci si differenziano anche in base al fatto che l'aria continui o meno a circolare attraverso le apparecchiature IT.

In presenza di un carico moderato e distribuito nello spazio, un sistema di raffreddamento ad aria esistente può essere sufficiente, a condizione che il flusso d’aria e le riserve di temperatura siano adeguati alle effettive condizioni di funzionamento. Uno scambiatore di calore «Rear-Door», invece, viene installato direttamente sul rack senza dover convertire in linea di principio l’assorbimento di calore del server tramite piastre di raffreddamento. È comunque necessario pianificare l’alimentazione del fluido e l’accesso alla parte posteriore del rack.

In caso di elevata densità termica, la tecnologia Direct-to-Chip può facilitare la dissipazione del calore direttamente dai processori e dagli acceleratori. La tecnologia a immersione trasferisce l’assorbimento di calore in un bagno di liquido, ma comporta cambiamenti più significativi in termini di integrazione e manutenzione. La scelta della soluzione più adeguata per una determinata sede dipende quindi, oltre che dalla densità dei rack, anche dalla compatibilità dell’hardware, dai costi di adeguamento e dalla capacità di dissipazione termica disponibile.

Pianificazione dei rack ad alta densità già presenti in magazzino

Un esempio concreto di elevata densità di rack è il GB200 NVL72 di NVIDIA: il produttore indica per questo modello di rack una capacità di raffreddamento necessaria pari a 120 kW per rack. Questo valore descrive i requisiti della configurazione citata, non un limite generale di potenza per Raffreddamento diretto a liquido e nessuna garanzia per altri sistemi.

Anche in questo sistema il raffreddamento non si limita al liquido: NVIDIA documenta la presenza di componenti residui raffreddati ad aria. Per la pianificazione dell’installazione è quindi necessario tenere conto sia dell’alimentazione del liquido sia del carico d’aria residuo del sistema effettivamente fornito. Fanno fede i dati di collegamento specifici del progetto, non un valore forfettario tratto dall’esempio.

Per gli impianti esistenti, la progettazione inizia con la distribuzione effettiva e prevista dei carichi: quali rack rimarranno raffreddati ad aria, quali saranno dotati di piastre di raffreddamento e dove saranno posizionati? Da ciò è possibile Zone di raffreddamento e ricavarne i rispettivi requisiti in materia di raffreddamento ad aria e a liquido. Un singolo carico elevato su un rack non deve essere confuso con un carico uniforme in tutta la sala.

Successivamente occorre verificare il percorso delle linee, lo spazio disponibile per i distributori e la CDU, nonché l’accessibilità per la manutenzione. L'impianto di raffreddamento esistente dell'edificio deve essere in grado di dissipare il calore aggiuntivo anche nelle condizioni operative previste. Il fatto che sia possibile installare un'unità di raffreddamento (CDU) nell'ambiente non è di per sé indicativo della capacità di raffreddamento disponibile.

Per concludere, ci vuole un abbinamento concetto di ridondanza: I gestori devono stabilire quale carico debba continuare a essere alimentato in caso di guasto di un percorso di raffreddamento e in che modo la manutenzione influisca sulla capacità residua. Solo sulla base di questi requisiti e dei dati forniti dal produttore è possibile dimensionare in modo affidabile le operazioni di ristrutturazione, ampliamento e funzionamento.

Bilancio termico e possibili utilizzi

La potenza termica dissipata descrive la velocità con cui viene trasportato il calore. L’energia termica trasportata in un determinato periodo di tempo, a potenza costante, è data dal prodotto della potenza per il tempo. Questa distinzione è importante quando si dimensiona un impianto di raffreddamento o si valuta un possibile apporto di calore in un determinato periodo di tempo.

Un esempio di calcolo illustrativo: supponendo che venga dissipato un calore costante di 40 kW nell’arco di un’ora, moltiplicando 40 kW per un’ora si ottiene un’energia termica trasportata pari a 40 kWh. Questa non è una misurazione. Da questo risultato non si deduce né un risparmio di energia elettrica né che l’intera quantità di calore sia disponibile o utilizzabile per un utente.

Per una vera e propria Utilizzo del calore di scarto il livello di temperatura deve essere adeguato alle esigenze dell'utente. Se è troppo basso, una pompa di calore può aumentare la temperatura; il suo fabbisogno di energia elettrica va quindi considerato nel bilancio complessivo. Temperature del fluido più elevate possono facilitare l'integrazione, ma non sostituiscono la verifica dell'impianto specifico.

Ai fini della progettazione, i gestori dovrebbero mettere a confronto l’offerta termica e il fabbisogno temporale di un potenziale utente. A tal proposito, occorre anche verificare se per il progetto specifico sia possibile ricorrere a una soluzione di accumulo. Una quantità termica annuale teorica, di per sé, non garantisce un utilizzo per tutto l’anno.

Per prendere una decisione in merito all'investimento, i gestori dovrebbero inoltre valutare, in base alle specificità del sito, il collegamento con l'utente finale e i costi legati alle tecnologie aggiuntive. Il calore trasportato non può essere automaticamente considerato interamente come rendimento valorizzato. Una valutazione attendibile richiede dati concreti sull'utilizzo previsto.

Garantire il funzionamento e la manutenzione

Un sistema di raffreddamento a liquido che si presti alla manutenzione richiede ben più che server accessibili. Per ogni connessione dovrebbe essere chiaro quale Raccordi rapidi il produttore indichi dove è possibile isolare la sezione interessata e come scollegare in modo sicuro un’apparecchiatura dal circuito. Queste operazioni devono essere incluse in una procedura di manutenzione specifica per il sito, che comprenda anche la rimessa in funzione e il controllo dei collegamenti.

Prima di procedere alla sostituzione, è necessario chiarire le responsabilità e le ripercussioni sugli altri rack. Una distribuzione comune può comportare che un'interruzione di alimentazione interessi più di un server. Pertanto, sul luogo di intervento devono essere disponibili schemi di cablaggio, connessioni etichettate e le specifiche del produttore dell'apparecchiatura; i pezzi di ricambio necessari devono essere compatibili con il modello installato.

Anche la qualità del liquido di raffreddamento è una responsabilità dell’azienda. I materiali, il liquido e il trattamento devono essere compatibili tra loro, affinché, ad esempio, la corrosione o i depositi non ne compromettano il funzionamento. Quali controlli, valori limite e intervalli di sostituzione si applicano dipende dai requisiti dei componenti e del rispettivo circuito, non da una raccomandazione generica sull’acqua.

A Monitoraggio delle perdite Tra questi figurano sensori posizionati in modo adeguato, un sistema affidabile di inoltro degli allarmi e una risposta documentata. Il team deve sapere chi riceve l’allarme, valuta l’area interessata e interviene secondo le procedure della sede. Lo spegnimento automatico può essere previsto in base alle specifiche del progetto, ma non è presente in tutti i sistemi né rappresenta l’unica reazione possibile.

Le procedure di manutenzione e di gestione dei guasti dovrebbero essere coordinate: se durante gli interventi di manutenzione un sensore viene coperto o un messaggio di allarme viene temporaneamente disattivato, è necessario che anche il ripristino di tali funzioni sia regolamentato. I registri relativi agli interventi e alle anomalie aiutano a individuare i problemi ricorrenti e a preparare in modo mirato le prossime finestre di manutenzione.

Individuare sistematicamente i guasti

Se la temperatura di un componente aumenta, la piastra di raffreddamento non è necessariamente la causa. Controlla innanzitutto il Carico IT e confronta l'andamento della temperatura con i valori limite specificati per l'hardware in questione. Un aumento del carico può modificare la dissipazione termica; ciò che conta è che il sistema continui a funzionare entro i limiti delle specifiche previste nelle condizioni operative previste.

A questo punto è possibile verificare passo dopo passo il percorso di raffreddamento: la temperatura di mandata nel punto di misurazione previsto rientra nell’intervallo consentito? La portata raggiunge il valore richiesto per l’apparecchio? Entrambe le grandezze devono corrispondere alla configurazione effettivamente utilizzata. Un valore accettabile nell’impianto di alimentazione dell’edificio non garantisce di per sé che anche il server sia alimentato correttamente.

Un modificato Perdita di carico può indicare una variazione nel percorso del flusso, ma senza ulteriori verifiche non ne spiega la causa. Confrontare i dati disponibili relativi alla pressione e alla portata con i valori specificati e con le condizioni di funzionamento precedenti. Successivamente, è necessario verificare l’unità di raffreddamento (CDU), i relativi messaggi di allarme e il trasferimento di calore verso l’edificio; gli interventi sono riservati a personale qualificato, in conformità con le procedure del produttore e del sito.

In un sistema ibrido, anche il raffreddamento dell’aria residua rientra nella diagnosi. Se i condotti dell’aria sono ostruiti o se l’alimentazione d’aria prevista non funziona come previsto, i componenti non raffreddati a liquido potrebbero risentirne. Un circuito del liquido che non presenta anomalie non esclude quindi la presenza di un problema termico nello stesso rack.

Un allarme di perdita viene gestito separatamente dalla diagnosi della temperatura, secondo il piano locale di emergenza. In caso di guasto di un percorso di raffreddamento, il piano di emergenza documentato stabilisce quale carico debba essere trasferito o quale impianto debba essere messo fuori servizio in modo controllato. Il sistema di allarme e l’escalation devono funzionare anche quando la causa non è ancora stata individuata; gli interventi improvvisati su condutture sotto pressione non sostituiscono una diagnosi.

Valutare la redditività e il green hosting

Per un confronto ambientale, la PUE il rapporto tra il consumo energetico totale annuo del centro di calcolo e il consumo energetico annuo dei sistemi IT. Il WUE mette in rapporto il consumo annuo di acqua nella sede con il consumo energetico annuo dei sistemi IT. Entrambi i valori sono comparabili in modo significativo solo se vengono specificati il periodo di riferimento e i limiti di misurazione.

Un valore PUE basso non implica automaticamente basse emissioni assolute o un consumo idrico ridotto. Per Hosting verde Sono quindi rilevanti anche il fabbisogno energetico complessivo, il bilancio delle emissioni o il mix energetico e il consumo idrico assoluto. Un carico IT in crescita può aumentare il consumo della sede, anche se il rapporto tra energia totale ed energia IT diventa più favorevole.

Anche un circuito informatico chiuso non rende necessariamente l’intero sistema privo di acqua: in un’altra fase della dissipazione del calore l’acqua può evaporare. Per quanto riguarda il calore residuo, non conta solo la disponibilità teorica, ma anche la calore effettivamente utilizzato. A tal fine, la temperatura e il fabbisogno temporale dell'utente devono essere adeguati; una pompa di calore potrebbe richiedere energia supplementare.

La redditività dipende dall’ubicazione. Confronta il profilo di carico previsto e la densità dei rack pianificata con gli investimenti necessari per l’infrastruttura IT compatibile, la distribuzione, l’unità di controllo della temperatura (CDU) e l’adeguamento dell’edificio. A ciò si aggiungono i costi di manutenzione, energia, eventualmente acqua, nonché i costi per la ridondanza e la prevenzione dei guasti. Confronta queste voci, considerando lo stesso periodo di esercizio, con un’alternativa progettata in modo realistico per la sede in questione.

Per i clienti dei servizi di hosting è opportuno chiedere ai fornitori informazioni sul periodo di misurazione, sui dati relativi all’ubicazione e sull’effettivo volume di recupero del calore residuo, anziché dedurre l’impatto ambientale basandosi esclusivamente sulla tecnologia di raffreddamento. L’articolo illustra ulteriori sviluppi in materia di infrastrutture e sostenibilità nei Tendenze nel settore dell'hosting 2026 in.