L'evoluzione del raffreddamento dei data center: dai metodi basati sull'aria al raffreddamento gratuito

Definizione del problema

La crescita crescente delle infrastrutture dei data center e il contemporaneo aumento dell'utilizzo delle apparecchiature IT hanno portato a un incremento del consumo di elettricità.

Poiché i server, componenti integrali dei data center, convertono l'elettricità in calore durante il funzionamento, ci troviamo di fronte al problema di dover gestire temperature elevate e di raffreddare i locali e le apparecchiature dei data center.

Ricordiamo rapidamente le basi della fisica scolastica: seguendo i principi fondamentali della termodinamica, l'energia non scompare ma si trasforma. Quindi, se un data center consuma 1 MW di elettricità, l'intero quanto di energia si trasforma in una quantità equivalente di calore. Di conseguenza, più elettricità viene consumata, maggiore è la sfida di gestire il calore risultante all'interno del data center.

La situazione diventa ancora più complicata, poiché le apparecchiature IT possono avere livelli di consumo energetico variabili pur avendo dimensioni fisiche diverse. Ad esempio, le apparecchiature con un elevato consumo energetico possono avere dimensioni ridotte, ponendo problemi nel raffreddamento efficiente del calore concentrato. D'altro canto, le apparecchiature IT più grandi con un tasso di consumo di elettricità relativamente moderato sono più facili da raffreddare grazie alla loro maggiore superficie. I data center in genere ospitano un mix di dimensioni e livelli di consumo delle apparecchiature, presentando la sfida non solo di raffreddare apparecchiature IT diverse, ma anche di farlo a velocità diverse, dettate dai requisiti di temperatura di ciascun tipo di apparecchiatura. Inutile dire che per raffreddare la CC abbiamo bisogno di notevoli quantità di elettricità, il che si aggiunge ai costi operativi.

Il problema dell'uso efficiente dell'energia nei data center diventa particolarmente acuto con l'aumento globale dei prezzi dell'elettricità. Secondo il rapporto di Statista i prezzi mondiali dell'elettricità sono saliti alle stelle raggiungendo il massimo storico tra il 2021 e il 2022. Quando la crisi sanitaria del COVID-19 si è placata nella seconda metà del 2021, la domanda di energia è aumentata e i prezzi dell'elettricità hanno raggiunto un primo massimo storico. All'inizio del 2022, il mercato energetico si è nuovamente irrigidito e la crisi energetica si è intensificata.

Il consumo di elettricità nei data center è in crescita nonostante l'aumento dell'efficienza delle prestazioni.

In altre parole, nonostante le prestazioni per watt stiano migliorando, la domanda di risorse cresce ancora più velocemente, quindi il consumo complessivo aumenta inevitabilmente, così come i costi. Tuttavia, si possono ottenere risparmi sostanziali ottimizzando i sistemi di raffreddamento. Questo mi ha spinto a dare un'occhiata più approfondita ai metodi di raffreddamento efficienti in generale e al raffreddamento gratuito in particolare.

La valutazione dei livelli di consumo energetico nei data center solitamente si basa sulla metrica Power Usage Effectiveness (PUE). PUE misura l'efficienza di un data center valutando il consumo energetico totale rispetto a quello utilizzato esclusivamente per le apparecchiature IT. Ne parleremo più in dettaglio più avanti. Ciò che dobbiamo sapere ora è che un PUE inferiore indica un data center più efficiente, il che indica una minore dipendenza dall'energia non informatica. Di fronte alla crescita dell'infrastruttura e all'aumento del consumo di elettricità, l'ottimizzazione del PUE con sistemi di raffreddamento più efficienti fornisce prudenza finanziaria e operazioni sostenibili.

In questo articolo esploreremo i metodi di raffreddamento tradizionali e innovativi e scopriremo quale di essi offre la massima efficienza.

Panoramica sui metodi di raffreddamento

Aria e non aria

In una classificazione semplificata, le tecniche di raffreddamento possono essere delineate in due categorie principali: metodi basati sull'aria e non basati sull'aria. Per elaborare, il raffreddamento ad aria comprende approcci convenzionali, mentre la categoria non ad aria include diversi metodi che impiegano sostanze come acqua, olio o materiali solidi. È degno di nota che la stragrande maggioranza, che costituisce il 99%, dei metodi di raffreddamento rientra nell'ombrello del raffreddamento ad aria.

Condizionatori d'aria

I sistemi di condizionamento dell'aria sono il mezzo più diffuso di raffreddamento dell'aria nelle configurazioni dei data center professionali. Il loro principio fondamentale rispecchia quello dei condizionatori d'aria residenziali: l'aria che scorre attraverso i server viene fatta circolare attraverso un condizionatore d'aria, raffreddata tramite una griglia del radiatore e quindi ricircolata nei server. Questo processo ciclico garantisce un meccanismo di raffreddamento continuo.

Refrigeratori

Dopo i condizionatori d'aria, i refrigeratori rappresentano il secondo sistema di raffreddamento più ampiamente adottato. A differenza dei condizionatori d'aria, i refrigeratori impiegano acqua (o una soluzione a base d'acqua) per trasferire il calore lontano dagli spazi che richiedono il controllo del clima. Sebbene l'aria condizionata sia più semplice e generalmente più conveniente, i suoi costi energetici più elevati possono talvolta essere un deterrente per le aziende. D'altro canto, i sistemi ad acqua refrigerata sono più efficienti dal punto di vista energetico, ma richiedono più componenti e complessità nella loro installazione e manutenzione.

Camere e materassini adiabatici

Il raffreddamento adiabatico prevede l'uso di camere o tappetini in cui l'acqua viene versata ed evaporata. Mentre l'acqua evapora, le camere e i tappetini si raffreddano insieme all'aria al loro interno. Mentre il raffreddamento adiabatico rappresenta una terza opzione praticabile, è considerato un po' esotico e non è così comunemente impiegato nel raffreddamento dei data center rispetto ai condizionatori d'aria e ai refrigeratori.

Raffreddamento ad acqua

Nei sistemi di raffreddamento ad acqua, l'acqua o i liquidi contenenti acqua vengono utilizzati per la dissipazione del calore. I tubi dell'acqua sono posizionati strategicamente nelle sale server, con ogni server collegato a due tubi, uno per l'uscita dell'acqua calda e l'altro per l'ingresso dell'acqua fredda. I radiatori su CPU, GPU e altre apparecchiature sono collegati direttamente a questo sistema di fornitura idrica. Questo approccio non solo raffredda le apparecchiature e i locali del data center, ma genera anche una fornitura di acqua calda per usi aggiuntivi.

Scambiatori di calore

Questo metodo aumenta l'efficienza del raffreddamento sfruttando gli ambienti freddi esterni.

Se è disponibile una fonte fredda nelle vicinanze, come un lago, il mare o un terreno freddo, è possibile installare delle tubature dell'acqua direttamente al suo interno per trasmettere grandi quantità di calore dalle apparecchiature IT.

Esotici

Esistono anche metodi non convenzionali. Uno di questi si basa sugli elementi Peltier o sui refrigeratori termoelettrici (TEC). Questo approccio si basa sugli effetti dei semiconduttori e prevede la fornitura di elettricità a una piastra speciale che viene riscaldata da un lato e raffreddata dall'altro.

Un altro approccio all'avanguardia è l'implementazione di data center sottomarini. In Progetto Natick di Microsoft , ad esempio, un data center è stato sommerso a 117 piedi di profondità nelle Isole del Nord nella primavera del 2018. Nei due anni successivi, il team ha condotto test e monitoraggi rigorosi sui server del data center. È stato confermato che posizionare un contenitore sigillato sul fondale oceanico potrebbe migliorare l'affidabilità complessiva del data center mitigando problemi come corrosione, fluttuazioni di temperatura e disturbi fisici che in genere si verificano sulla terraferma.

Raffreddamento gratuito

Questa tecnica è particolarmente mirata a massimizzare l'efficienza di raffreddamento. Il raffreddamento gratuito rinfresca l'aria all'interno di un data center senza fare affidamento sui sistemi di raffreddamento tradizionali. Utilizza l'aria esterna naturale così com'è. In genere l'aria esterna è soggetta solo al controllo dell'umidità e quindi i processi termodinamici naturali regolano le temperature all'interno delle sale dati.

Questo metodo riduce significativamente il consumo di energia (dal 75% al ​​92% in meno rispetto ad altri sistemi CRAH), abbassa le emissioni di anidride carbonica ed elimina la necessità di acqua nel sistema di raffreddamento.

Il raffreddamento gratuito è una delle scelte più ecologiche che richiede meno energia. Inoltre, può aiutare a risparmiare sui costi poiché il 40% dell'energia utilizzata dai data center viene utilizzata per il raffreddamento. Questo sistema migliora le prestazioni di tutte le apparecchiature raffreddate ad aria, anche in condizioni difficili. Ecco una semplice rappresentazione visiva del processo di raffreddamento gratuito:

Come potete vedere, il sistema funziona in modo molto semplice, incanalando l'aria esterna attraverso filtri, apparecchiature IT ed espellendola. Questa riduzione della complessità, con solo le ventole come potenziali vulnerabilità, rafforza l'affidabilità complessiva di un DC con raffreddamento gratuito.

A differenza dei sistemi con apparecchiature complesse, l'assenza di componenti intricati riduce anche i costi di installazione iniziale e le spese di manutenzione continua. Quindi i vantaggi finanziari iniziano già nella fase di costruzione, dove la progettazione semplificata del raffreddamento gratuito si traduce in risparmi tangibili.

L'agonia della scelta

Durante conferenze e meeting mi vengono spesso poste numerose domande che ruotano attorno al paradosso: se il free cooling è altrettanto vantaggioso in termini di risparmio sui costi e semplicità, perché non viene adottato universalmente nel settore?

Ciò solleva la questione più ampia del perché, nonostante i suoi benefici, solo un numero limitato di aziende abbia adottato il raffreddamento gratuito, mentre altre persistono con metodi convenzionali. La risposta a questa domanda risiede in un esame sfaccettato delle dinamiche prevalenti del settore.

Dittatura dell'industria

Nel settore dei data center, dove l'affidabilità è di primaria importanza, l'adozione di soluzioni innovative spesso incontra resistenza. Attribuisco questo, prima di tutto, alla natura conservativa del settore DC, dove i decisori danno priorità a concetti collaudati rispetto a soluzioni innovative.

Sebbene le nuove tecnologie come il raffreddamento gratuito promettano efficienza e convenienza, i rappresentanti del settore preferirebbero approcci tradizionali ma affidabili per garantire il funzionamento impeccabile dei server.

Ostacoli al marketing

Un altro punto qui è che i fornitori di DC commerciali, che costituiscono circa l'80% del settore, si affidano a certificazioni di enti indipendenti come Istituto Uptime per commercializzare la loro affidabilità. Tuttavia, ciò rappresenta una sfida per le soluzioni di raffreddamento gratuite, poiché non esiste ancora una certificazione consolidata per esse. Questa situazione porta i fornitori commerciali a resistere a metodi di raffreddamento alternativi, citando incertezze sulla loro affidabilità e l'assenza di un precedente di certificazione.

Preoccupazioni per il riscaldamento globale

I critici spesso sollevano preoccupazioni circa l'impatto del riscaldamento globale sulla fattibilità del raffreddamento gratuito. Tuttavia, l'argomento viene sfatato riconoscendo la natura graduale del riscaldamento globale, con un aumento approssimativo di 1,5 gradi in un decennio. È improbabile che questo modesto cambiamento di temperatura comprometta la stabilità delle soluzioni di raffreddamento gratuito nel breve termine.

Argomento "per ogni evenienza"

Un'altra pratica comune per le aziende che scelgono un metodo di raffreddamento DC è l'inclusione di unità di aria condizionata di backup come misura precauzionale oltre al raffreddamento gratuito. Questo argomento "just in case" mina il concetto fondamentale del raffreddamento gratuito, introducendo complessità non necessaria e compromettendo l'efficienza finanziaria e operativa.

Anche per un piccolo condizionatore d'aria, sorge la necessità di fornire vari componenti come freon, fili, liquidi, sistemi e controlli. Invece di abbracciare l'idea di avere un condizionatore d'aria di riserva, l'industria dovrebbe concentrarsi sull'adattamento del suo sistema di raffreddamento gratuito a un'ampia gamma di condizioni senza affidarsi a false speranze.

Rischi e considerazioni reali

Quando si contempla una soluzione di raffreddamento gratuito, alcuni rischi e considerazioni tangibili richiedono attenzione. Una considerazione primaria è la regione geografica, poiché l'implementazione del raffreddamento gratuito in una regione come gli Emirati Arabi Uniti potrebbe non essere giustificata.

L'accessibilità è un altro aspetto da tenere a mente. La regione selezionata deve possedere l'infrastruttura richiesta ed essere facilmente raggiungibile da personale specializzato incaricato della manutenzione del data center. Anche la connettività, inclusa la disponibilità di linee ottiche, è importante. Ad esempio, stabilire un data center free-cooling oltre il Circolo Polare Artico diventa poco pratico a causa dell'assenza di linee di comunicazione e della sfida di mantenere una forza lavoro qualificata.

Oltre a queste considerazioni logistiche, le uniche restrizioni per il raffreddamento gratuito riguardano la temperatura massima della regione (circa 38-40 gradi) e la qualità dell'aria. Le aree con inquinamento eccessivo, come quelle vicine ad autostrade trafficate o ad attività agricole intense, possono rappresentare dei problemi. Sebbene non vi sia un divieto assoluto, i filtri in tali luoghi dovranno essere sostituiti frequentemente. A differenza dei data center convenzionali con aria condizionata che fanno circolare l'aria interna, i centri di raffreddamento gratuito aspirano aria esterna, richiedendo una manutenzione più diligente del filtro. Altri parametri di posizione sono in linea con quelli applicabili ai data center tradizionali.

Pionieri e tendenze future

Nonostante la natura conservativa del settore, alcune aziende lungimiranti valutano i vantaggi tangibili delle alternative. Calcolando l'economicità del raffreddamento gratuito tramite analisi numerica, si rendono conto dei potenziali risparmi sui costi che offre.

Diverse aziende di spicco, come Facebook (ora Meta), Google, Amazon, Yandex e Wildberries, sono pioniere nell'adozione della tecnologia di raffreddamento gratuito. Il loro status di pionieri deriva dalla loro volontà di valutare i rischi e riconoscere i vantaggi finanziari insiti in questa tecnologia. La scelta per queste aziende era chiara: o optare per schemi convenzionali e sostenere costi più elevati o assumersi i rischi e i vantaggi di diventare pioniere nel raffreddamento dei data center.

Il panorama in evoluzione del settore indica una tendenza crescente tra gli iper-scaler aziendali verso l'implementazione di soluzioni di raffreddamento gratuito. Poiché sempre più aziende riconoscono l'economicità e i vantaggi operativi di questa tecnologia, si prevede che in futuro emergerà un numero crescente di data center aziendali con raffreddamento gratuito.

Se sei interessato a saperne di più sulla fisica del raffreddamento libero, esplora l'argomento nel mio nuovo articolo Free Cooling: Technology Deep Dive.