Liquid cooling come nuova frontiera per gestire il surriscaldamento dei data center. Il trend tecnologico è legato all’aumento dei livelli prestazionali delle sale macchine e della densità di potenza a livello rack delle moderne apparecchiature informatiche. Il principio fisico di base è elementare: l’acqua e una serie di altri liquidi sono molto più efficienti nel trasferire il calore rispetto all’aria, in un ordine tra le 50 e le 1.000 volte superiore. Senza contare che, rispetto a volumi d’aria elevati, un liquido è più facile da gestire.
Liquid cooling: quali sono i vantaggi
Abbinare un liquido all’elettronica è sempre stata fonte di preoccupazione ma, a oggi, il liquid cooling è una tecnologia che si è notevolmente evoluta. Di fatto, oggi sempre più aziende stanno passando dal raffreddamento ad aria al liquid cooling. In condizioni standard, infatti, l’acqua e alcuni particolari liquidi possono condurre il calore meglio dell’aria, gestendo le densità crescenti di un data center in modo più efficace, aiutando a soddisfare le applicazioni ad alta intensità di elaborazione.
A questo si aggiunge il fatto che il raffreddamento a liquido riduce significativamente il consumo di energia e utilizza meno acqua rispetto a molti sistemi di raffreddamento ad aria, con conseguente riduzione dell’Opex e un data center più sostenibile. Il raffreddamento a liquido occupa anche meno spazio, produce meno rumore rispetto ai sistemi di raffreddamento a ventola e aiuta a prolungare la vita dell’hardware del computer.
L’American Society of Heating, Refrigeration and Air-Conditioning Engineers (ASHRAE), organizzazione internazionale che conta oltre 50.000 membri provenienti da oltre 132 nazioni che sviluppa e pubblica linee guida per il controllo termico e dell’umidità dei data center, raccomanda di utilizzare le apparecchiature IT a queste condizioni:
- temperature comprese tra 18 e 27 gradi C (da 64,4 a 80,6 gradi F);
- punto di rugiada da -9 gradi C a 15 gradi C (da 15,8 a 59 gradi F);
- umidità relativa del 60%.
La determinazione dell’ambiente appropriato per le apparecchiature IT dipende dalla sua classificazione (A1-A4), che si basa sul tipo di sistemi e su come dovrebbe funzionare, in ordine decrescente di sensibilità. L’ASHRAE, per inciso, in uno dei suoi aggiornamenti ha persino aggiunto un’ulteriore classificazione del liquid cooling, standardizzando l’ampiezza delle sue applicazioni.
Raffreddamento a liquido nei data center: funzionamento e classificazioni
La dinamica di funzionamento del liquid cooling è quella di usare un liquido che entra in un rack per portare via il calore, anche se combinato con il movimento dell’aria. Le tecnologie di liquid cooling utilizzate nei data center sono comunemente suddivise in tre categorie: raffreddamento diretto su chip, commutatori di calore posteriori e raffreddamento a immersione.
Raffreddamento diretto su chip
Il raffreddamento diretto su chip, a volte indicato come raffreddamento diretto su piastra, integra il sistema di raffreddamento direttamente nello chassis del computer. Il liquido freddo viene convogliato a piastre fredde che si trovano direttamente accanto a componenti come CPU, GPU o schede di memoria. Piccoli tubi portano il liquido freddo a ciascuna piastra, dove il liquido assorbe il calore dai componenti sottostanti. Il liquido caldo viene quindi fatto circolare in un dispositivo di raffreddamento o scambiatore di calore. Dopo che è stato raffreddato, il liquido viene quindi fatto circolare nuovamente nelle piastre fredde.
Commutatori di calore con sportello posteriore
In questo caso, uno commutatore è montato sul retro del rack al posto del suo sportello posteriore. Le ventole del server soffiano l’aria calda attraverso il commutatore, che dissipa il calore. Il liquido viene fatto circolare attraverso un sistema a circuito chiuso che effettua lo scambio termico.
Sebbene il processo esatto possa variare da un sistema all’altro, generalmente un approccio di raffreddamento con sportello posteriore combina un refrigerante contenuto che scorre attraverso il commutatore con un sistema per abbassare la temperatura del refrigerante durante la circolazione.
Questo sistema potrebbe non essere altro che un’unità di raffreddamento locale, ma potrebbe anche essere parte di un meccanismo molto più complesso. Ad esempio, il liquido di raffreddamento potrebbe essere convogliato sottoterra per abbassarne la temperatura. Questa è una forma di raffreddamento altamente efficace, ma richiede un sistema idraulico all’interno degli armadi, oltre ai sistemi di cablaggio di rete e di alimentazione, quindi la gestione può essere impegnativa. I processori di ricerca e i supercomputer ad alte prestazioni utilizzano più spesso il raffreddamento diretto al chip.
Focus di dettaglio sulle unità del commutatore di calore
Le unità del commutatore di calore della porta posteriore (RDHx) sono sistemi indiretti monoaccoppiati. Fanno circolare il liquido attraverso bobine incorporate negli sportelli dell’armadio per rimuovere il calore del server prima di esaurirsi nella stanza. Possono essere utilizzati per applicazioni di raffreddamento totale o per portare le alte temperature di scarico dell’armadio entro i limiti di raffreddamento dei condizionatori d’aria. Per il raffreddamento totale, un’unità RDHx mantiene l’intera stanza alla temperatura dell’aria di ingresso dell’apparecchiatura IT.
Ciò rende superflue le configurazioni dell’armadio del corridoio caldo e freddo e i progetti di contenimento dell’aria poiché l’aria di scarico si raffredda alla temperatura di ingresso e può essere ricircolata ai server. Le unità RDHx più efficienti sono passive, il che significa che le ventole del server spostano l’aria attraverso di esse. Sono generalmente limitati tra 20 kW e 32 kW di rimozione del calore. Le porte RDHx che incorporano ventole supplementari possono raffreddare carichi di calore più elevati, fino a 60 kW.
Raffreddamento a immersione
Una tecnologia più recente e che sta facendo grandi progressi è il raffreddamento a immersione. Con il liquid cooling a immersione tutti i componenti interni del server sono immersi in un fluido dielettrico non conduttivo. Il mezzo di raffreddamento in origine era l’olio minerale, sebbene i data center oggi possano utilizzare anche altri fluidi come, ad esempio, il 3M Novec (noto anche come acqua secca).
I componenti e il fluido sono racchiusi in un contenitore sigillato per evitare perdite. Il calore dei componenti viene trasferito al refrigerante, un processo che richiede molta meno energia rispetto ad altri approcci. Il raffreddamento ad immersione può essere monofase o bifase:
- con il raffreddamento monofase, il liquido di raffreddamento viene continuamente fatto circolare e raffreddato per dissipare il calore
- Con il raffreddamento a due fasi viene utilizzato un liquido di raffreddamento con un basso punto di ebollizione. Quando il liquido di raffreddamento bolle, si trasforma in vapore e sale fino al coperchio del contenitore, dove viene raffreddato e ricondensato in liquido
Le diverse applicazioni del liquid cooling a immersione
Le aziende possono immergere i server standard con modifiche relativamente basiche, come la rimozione della ventola e le unità disco rotanti sigillate. Le unità a stato solido, invece, non richiedono alcuna modifica. L’immersione completa fornisce densità termica del liquido, che assorbe il calore per diversi minuti dopo un’interruzione di corrente senza la necessità di pompe di riserva. Serbatoi equivalenti a una capacità rack di 42U possono raffreddare fino a 100 kilowatt (kW) nella maggior parte dei climi con solo un commutatore di calore esterno o acqua del condensatore. I requisiti minimi di refrigerazione meccanica rendono l’immersione in liquido un’ottima scelta per il free cooling.
Altre considerazioni per il raffreddamento a liquido
L’hardware di elaborazione ad alta densità che utilizza il liquid cooling diretto richiede una circolazione costante del fluido in caso di interruzione dell’alimentazione. I dispositivi ad alte prestazioni entrano in uno spegnimento termico di autoprotezione in pochi secondi se il raffreddamento viene interrotto. Tali dispositivi spesso richiedono l’accumulo di acqua refrigerata, che a volte può utilizzare il residuo di grandi tubi collettori, e pompe ausiliarie con alimentazione di riserva (UPS).
Le unità RDHx potrebbero non richiedere sempre pompe di riserva poiché la camera d’aria rimane alla temperatura di ingresso del server. A seconda delle dimensioni della stanza, la temperatura dell’aria può rimanere entro i limiti consentiti da ASHRAE fino all’avvio dei generatori. È bene utilizzare refrigeratori a riavvio rapido per riprendere rapidamente il raffreddamento dopo il ripristino dell’alimentazione.
Liquid cooling: i punti di attenzione
La maggior parte dei dispositivi raffreddati a liquido sono sia ad alte prestazioni che mission-critical. Per questo è fondamentale assicurarsi che alimentazione e raffreddamento siano ridondati. È opportuno progettare tubazioni a doppia estremità, includendo valvole di isolamento che isolano i segmenti per la manutenzione senza perdere il flusso del liquido attraverso il resto del circuito di raffreddamento.
Anche la progettazione elettrica è egualmente importante. Molti dispositivi raffreddati a liquido si spengono in pochi secondi se il raffreddamento non funziona. Per questo motivo è bene mantenere le pompe di riserva e le ventole della porta sull’UPS, tenendo le parti meccaniche su un circuito UPS separato e ridondante.
Le controindicazioni del liquid cooling
Nonostante i suoi tanti vantaggi, il raffreddamento a liquido ha anche delle controindicazioni. Oltre ad avere il potenziale per un Capex molto più elevato, il rischio legato alla fuoriuscita dell’elemento è una grande preoccupazione per molti professionisti IT, in particolare nel caso del raffreddamento diretto al chip che comporterebbe un effetto devastante sull’hardware.
In generale, le tecniche di liquid cooling richiedono agli operatori IT e ai responsabili dei data center di apprendere nuove competenze e adottare un nuovo framework di gestione, il che può rappresentare oneri in termini di impegn e di costi. In alcuni casi, per quache organizzazione potrebbe portare all’assunzione di nuovo personale o all’ingaggio di consulenti specializzati, il che riduce i vantaggi Opex. Inoltre, il mercato del raffreddamento a liquido è ancora in fase di maturazione, con un’ampia gamma di tecnologie, che si traduce in prodotti proprietari e rischio di vendor lock-in.
Raffreddamento ad aria vs. liquid cooling: le cose da sapere
Le organizzazioni che creano nuovi data center o aggiornano quelli esistenti potrebbero valutare se sia il momento di implementare il raffreddamento a liquido rispetto al raffreddamento ad aria. Di seguito 3 cose da valutare secondo gli esperti.
#1 Prezzo
Il costo è un fattore decisivo nella scelta di un metodo di raffreddamento del data center, ma arrivare a un vero costo totale di proprietà (TCO) può essere un processo complesso. In genere si pensa che il raffreddamento a liquido abbia un Capex molto più elevato; tuttavia, alcuni esperti di settore stanno iniziando a mettere in discussione la cosa. Secondo uno studio sui costi condotto da Schneider Electric, il Capex per il raffreddamento a immersione basato su chassis per un rack da 10 kW è paragonabile al raffreddamento ad aria del rack utilizzando il contenimento del corridoio caldo. La maggiore efficienza che deriva dal raffreddamento a liquido può anche tradursi in una riduzione dell’Opex, soprattutto all’aumentare della densità.
Inoltre, come già anticipato all’inizio di questo articolo, il raffreddamento a liquido utilizza meno energia e acqua, il che può essere particolarmente importante nelle aree in cui l’acqua scarseggia. D’altra parte, il rischio di blocco del fornitore potrebbe influire sul TCO a lungo termine. Infine, il raffreddamento a liquido richiede in genere una formazione o personale speciale per l’implementazione e la manutenzione, e la gestione del sistema è più complessa e richiede tempo, il che può aumentare l’Opex. Gli amministratori IT e gli operatori del sito hanno familiarità con i sistemi raffreddati ad aria e il costo per il loro supporto è generalmente inferiore.
Anche i computer dovrebbero essere presi in considerazione quando si valuta il TCO. Il raffreddamento a liquido consente di supportare densità di elaborazione maggiori, riducendo al contempo l’ingombro del data center, portando a un migliore utilizzo dello spazio e costi inferiori. Il supporto per densità maggiori può avvantaggiare un’organizzazione che non è stata in grado di implementare carichi di lavoro ad alta intensità di elaborazione a causa dei limiti del raffreddamento ad aria. Il supporto di questi carichi di lavoro potrebbe tradursi in entrate aggiuntive, contribuendo a compensare Capex e Opex.
#2 Facilità di installazione e manutenzione
Un’altra considerazione importante da fare a livello Opex per implementare e mantenere un sistema di raffreddamento è considerare le attività da svolgere. Con il raffreddamento ad aria, il funzionamento dell’apparecchiatura e la sostituzione dei componenti sono operazioni piuttosto semplici e raramente influiscono sui componenti del computer stessi. Questo non vuol dire che il raffreddamento ad aria non presenti le sue sfide, come il trattamento continuo dell’acqua o la manutenzione meccanica. Il liquid cooling, come già ribadito, richiede una nuova mentalità e un nuovo modo di lavorare.
Al di là di una curva di apprendimento piuttosto ripida lato squadre IT per la manutenzione ordinaria, in alcuni casi si è vincolati al fornitore. Ad esempio, cosa succede se l’IT deve sostituire la scheda di memoria in un server che utilizza il raffreddamento a immersione? Il server deve essere rimosso dal liquido dielettrico, un compito non da poco di per sé, e il fluido deve essere pulito dai componenti.
Il fluido potrebbe anche richiedere un trattamento speciale perché è pericoloso o solleva problemi ambientali, con conseguente ulteriore complessità. Durante l’analisi dei costi, le organizzazioni devono valutare tutte le implicazioni dell’implementazione e della manutenzione di un sistema di raffreddamento.
#3 Posizione
La collocazione geografica del data center può essere un fattore significativo nella scelta tra raffreddamento ad aria e uno liquido. Un data center vicino all’Artico, ad esempio, può utilizzare l’abbondante aria fredda per ridurre le temperature operative. Tuttavia, devono comunque filtrare l’aria esterna e regolarne l’umidità, il che mitiga alcuni dei vantaggi dell’utilizzo di quell’aria. D’altra parte, un data center in un clima più caldo o vicino a fabbriche o altri ambienti difficili, dove l’aria esterna non può essere utilizzata, potrebbe avere difficoltà a mantenere i suoi sistemi di raffreddamento ad aria con l’aumento della densità dei rack, rendendo il raffreddamento a liquido l’opzione più praticabile.
Lo stesso vale per un data center in un ambiente urbano affollato, che deve aumentare la densità di elaborazione per massimizzare lo spazio a terra. Anche le normative locali, i vantaggi fiscali o questioni simili possono svolgere un ruolo nella scelta tra raffreddamento ad aria e liquid cooling.
Prepararsi al futuro
Alcune organizzazioni non supportano il tipo di carichi di lavoro avanzati che richiedono un’elevata densità di elaborazione per cui il passaggio al raffreddamento a liquido potrebbe non essere giustificato. Detto questo, è probabile che le densità aumenteranno nei prossimi anni nel momento in cui i data center utilizzeranno meglio lo spazio disponibile e l’IT consoliderà i carichi di lavoro per migliorare l’efficienza.
Inoltre, è probabile che la maggior parte delle organizzazioni si orienterà verso data center più sostenibili, il che comporta una serie di sfide. A un certo punto, il raffreddamento a liquido potrebbe diventare l’unica opzione praticabile, anche se ciò non significa che le organizzazioni debbano farlo già da ora. L’importante è avere un livello di comprensione e di vision allineato all’evolutiva tecnologica per essere preparati a fare le scelte giuste nel momento più opportuno.
