Gli operatori dei data center stanno valutando le tecnologie di raffreddamento a liquido per aumentare l’efficienza energetica in seguito alla crescita delle applicazioni informatiche ad alta intensità di elaborazione. Secondo Dell’Oro Group, le entrate del mercato del raffreddamento a liquido si avvicineranno a 2 miliardi di dollari entro il 2027 con un CAGR del 60% per gli anni dal 2020 al 2027, visto che le organizzazioni adottano un maggior numero di servizi cloud, utilizzano l'intelligenza artificiale (AI) per alimentare analisi avanzate e processi decisionali automatizzati e abilitano applicazioni blockchain e criptovalute.
Implicazioni hardware AI per Thermal Management, © 2023 Dell’Oro Group
Attualmente, i data center supportano requisiti di alimentazione dei rack superiori a 20 kilowatt (kW), ma il mercato è diretto verso i 50 kW o più. Le unità di elaborazione centrale (CPU) e le unità di elaborazione grafica (GPU) di nuova generazione hanno proprietà di densità termica più elevate rispetto alle architetture di generazione precedente. Inoltre, i produttori di server stanno inserendo più CPU e GPU in ciascun rack per soddisfare la crescente domanda di applicazioni di computing e AI ad alte prestazioni.
L’air processing ora mostra i suoi limiti. Il raffreddamento ad aria tradizionale non può raffreddare questi rack ad alta densità in modo efficiente e sostenibile.
Di conseguenza, gli operatori dei data center stanno esaminando le opzioni di raffreddamento a liquido. Il raffreddamento a liquido sfrutta le proprietà di trasferimento termico più elevate, tipiche dell’acqua o di altri fluidi, per supportare un raffreddamento efficiente ed economico dei rack ad alta densità e può essere fino a 3000 volte più efficace rispetto all’uso dell’aria. Il raffreddamento a liquido, collaudato da tempo per applicazioni mainframe e gaming, si sta espandendo per proteggere i server montati su rack nei data center di tutto il mondo. Vertiv ha creato una vasta gamma di risorse per aiutarti a comprendere le sfide, le opportunità e i requisiti tecnici che il raffreddamento a liquido presenta. Queste risorse ti aiuteranno a decidere come applicare il raffreddamento a liquido in base al tuo data center.
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Comprendere le opzioni e le prestazioni di raffreddamento a liquido
Gli operatori dei data center stanno perseguendo uno dei tre percorsi con il raffreddamento a liquido. Stanno sviluppando data center solo a liquido, impianti raffreddati ad aria con una nuova infrastruttura per supportare i futuri rack raffreddati a liquido, e integrando il raffreddamento a liquido negli attuali impianti raffreddati ad aria che non dispongono dell’infrastruttura necessaria per supportarlo. Molto probabilmente sarà quest’ultimo il percorso prescelto: l’obiettivo è quello di ottenere una capacità che soddisfi le esigenze aziendali a breve termine e fornisca un rapido ritorno sull’investimento.
L’installazione del raffreddamento a liquido può risultare complicata. I team dei data center vorranno collaborare con un partner per prendere in considerazione i problemi chiave, tra cui i requisiti idraulici, la distribuzione del raffreddamento, il bilanciamento della capacità, le strategie di mitigazione del rischio e i sistemi di dissipazione del calore.
Le opzioni per il raffreddamento a liquido includono:
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Scambiatori di calore per porte posteriori: gli scambiatori di calore passivi o attivi sostituiscono lo sportello posteriore del rack per apparecchiature IT con uno scambiatore di calore liquido. Questi sistemi possono essere utilizzati in combinazione con sistemi di raffreddamento ad aria per raffreddare ambienti con densità rack miste.
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Raffreddamento a liquido direct-to-chip: le piastre di raffreddamento diretto su chip si trovano sopra i componenti generanti calore della scheda e permettono di dissipare il calore attraverso piastre di raffreddamento monofase o unità di evaporazione bifase. Queste tecnologie di raffreddamento possono rimuovere circa il 70-75% del calore generato dall’apparecchiatura nel rack, tralasciando il 25-30% che deve essere rimosso dai sistemi di raffreddamento ad aria.
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Raffreddamento a immersione: i sistemi di raffreddamento a immersione monofase e bifase sommergono server e altri componenti nel rack in un liquido o fluido dielettrico termicamente conduttivo, eliminando la necessità di raffreddamento ad aria. Questo approccio massimizza le proprietà di trasferimento termico del liquido ed è la forma di raffreddamento liquido più efficiente sul mercato.
6 cose da considerare quando si introduce il raffreddamento a liquido nei data center raffreddati ad aria
Mentre sono in fase di sviluppo data center raffreddati esclusivamente a liquido e alcuni nuovi data center raffreddati ad aria vengono progettati per poter ospitare in futuro rack con raffreddamento a liquido, lo scenario più comune che gli operatori si trovano ad affrontare oggi è l’integrazione del raffreddamento a liquido in strutture esistenti raffreddate ad aria che non dispongono dell’infrastruttura necessaria per supportarlo.
Questo può, senza dubbio, diventare complesso. Se stai valutando l’introduzione del raffreddamento a liquido in un data center raffreddato ad aria, ecco alcune delle principali sfide che dovresti essere pronto ad affrontare.
Il tipo di fluido utilizzato e il rapporto tra il carico termico e il raffreddamento a liquido influenzano in modo significativo la progettazione complessiva del sistema in una struttura ibrida. Rapporti più elevati di dissipazione del calore tramite liquido riducono il carico richiesto all’infrastruttura di raffreddamento ad aria. Le variabili relative al carico termico, alle portate del liquido e alla pressione operano congiuntamente nel definire la soluzione complessiva di raffreddamento a liquido e dovrebbero essere considerate fin dalle prime fasi del processo di introduzione del raffreddamento a liquido a livello di rack.
Il componente fondamentale dell’infrastruttura di raffreddamento a liquido, ovvero le tubazioni che portano il fluido di raffreddamento al rack, può essere anche il più difficile da implementare all’interno di una struttura esistente.
Nella maggior parte dei casi, è necessario un approccio graduale per ridurre al minimo le interruzioni delle operazioni. Nei data center in colocation, gli operatori aggiungono le tubazioni a una o due sale (suite) in risposta a esigenze specifiche e già note dei clienti. Con l’aumentare delle richieste dei clienti, si espanderà ad altre suite. Lo stesso approccio viene applicato in azienda, dove una sezione del data center può essere dedicata ai rack raffreddati a liquido.
Per i data center con pavimento rialzato, i percorsi delle tubazioni in modo inadeguato possono ostacolare il flusso d’aria. Le simulazioni di fluidodinamica computazionale (CFD) devono essere utilizzate per configurare le tubazioni in modo da minimizzare l’impatto sulla circolazione dell’aria sotto il pavimento.
Nei data center con pavimento in calcestruzzo (slab floor), le tubazioni vengono generalmente installate sopra i corridoi e sostenute dalla struttura del soffitto, con vasche di raccolta (drip pans) posizionate sotto tutti i raccordi per ridurre al minimo le conseguenze di eventuali perdite Anche la compatibilità dei materiali a contatto con il fluido e la scelta del tipo di raccordi più appropriato sono fattori critici per il successo a lungo termine di un’implementazione del raffreddamento a liquido.
Distribuzione
Con il raffreddamento a liquido, è necessario stabilire un circuito di raffreddamento secondario nella struttura che consenta un controllo preciso del liquido distribuito al rack. Il componente chiave di questo circuito è l’unità di distribuzione del refrigerante (CDU). La CDU fornisce il controllo della temperatura e della portata e la capacità di mantenere l’igiene dei liquidi utilizzando la filtrazione per catturare i detriti.
Per i progetti più piccoli, una CDU con uno scambiatore di calore liquido-aria può semplificare l’installazione, a patto che il sistema di raffreddamento ad aria sia in grado di gestire il calore respinto dalla CDU. Nella maggior parte dei casi, la CDU utilizzerà uno scambiatore di calore liquido-liquido per catturare il calore restituito dai rack e respingerlo attraverso il sistema ad acqua refrigerata. Anche se le CDU possono essere posizionate sul perimetro del data center, la maggior parte delle unità sono progettate per essere inserite all’interno della fila, in modo da poter essere collocate in prossimità dei rack che supportano.
L’unità di distribuzione del refrigerante Vertiv™ Liebert® XDU funge da scambiatore di calore liquido-aria per i chip di raffreddamento.
Capacità di bilanciamento
I metodi di raffreddamento a liquido più comunemente utilizzati oggi, gli scambiatori di calore su porta posteriore e le piastre di raffreddamento direct-to-chip, funzionano con sistemi di raffreddamento ad aria piuttosto che in modo indipendente. Anche il raffreddamento a immersione, sia monofase che bifase, sta prendendo piede.
È necessario determinare la quantità di carico termico totale che ciascun sistema gestirà, la potenza di raffreddamento ad aria che il sistema a liquido è in grado di sostituire e i punti in cui il sistema di raffreddamento a liquido potrebbe introdurre nuovi requisiti per i sistemi di raffreddamento ad aria. Gli scambiatori di calore delle porte posteriori, ad esempio, espellono l’aria raffreddata nel data center e il sistema di raffreddamento ad aria deve essere in grado di gestire il calore dal rack se una o più porte posteriori sono aperte per la manutenzione. Nelle applicazioni con porta posteriore, per ottenere le temperature dell’acqua desiderate si utilizza in genere un refrigeratore. Potrebbe esserci l’opportunità di convertire i sistemi di trattamento dell’aria esistenti in chiller per interni con lo stesso ingombro.
Progettato per eliminare le barriere al raffreddamento a liquido in un ambiente raffreddato ad aria, il chiller per interni Liebert® XDM Split è uno scambiatore liquido-liquido per applicazioni di raffreddamento su porte posteriori che offre un’implementazione facile ed economica in qualsiasi data center.
Il principale ostacolo alla crescita del raffreddamento a liquido è stato il timore dei rischi associati allo spostamento dei liquidi sul rack. Gli attuali sistemi di raffreddamento a liquido riducono al minimo questo rischio limitando il volume dei fluidi distribuiti e integrando la tecnologia di rilevamento delle perdite nei componenti del sistema e nei punti critici del sistema di tubazioni.
Quando si utilizzano fluidi dielettrici, viene eliminato il rischio di danni alle apparecchiature dovuti a perdite, tuttavia il costo elevato di questi fluidi giustifica l’inclusione di sistemi di rilevamento delle perdite simili a quelli utilizzati nei sistemi a base d’acqua. Open Compute Project ha pubblicato un eccellente documento sulle tecnologie e le strategie di rilevamento delle perdite, Leak Detection and Integration, consigliato a chiunque decida di adottare le opzioni a liquido nel proprio data center.
I sistemi finali di dissipazione del calore devono essere personalizzati in base alla scala dell’implementazione, al tipo di liquido utilizzato e alla posizione geografica dell’implementazione. Le torri di raffreddamento o i sistemi di raffreddamento a secco esistenti possono essere sfruttati per il rigetto del calore di raffreddamento a liquido, ma possono essere necessarie modifiche, come l’aggiunta di un sistema di raffreddamento adiabatico assistito a un sistema di raffreddamento a secco, per mantenere le basse temperature di alimentazione richieste dai sistemi di raffreddamento a liquido. Collaborare con il partner dell’infrastruttura per valutare i sistemi di dissipazione del calore esistenti in relazione ai requisiti specifici del sistema di raffreddamento a liquido implementato.
L’introduzione del raffreddamento a liquido in un data center raffreddato ad aria richiede un’attenta pianificazione e progettazione, ma le tecnologie e le best practice sono subito disponibili per supportare un’implementazione impeccabile.
Per saperne di più, consulta il nostro white paper, Capire le opzioni di raffreddamento a liquido dei data center e i requisiti dell’infrastruttura.
Come calcolare l’impatto del raffreddamento a liquido sull’efficienza
Come già detto, l’adozione del raffreddamento a liquido dei data center continua a registrare un incremento grazie alla sua capacità di garantire un raffreddamento più efficiente ed efficace dei rack IT ad alta densità. Tuttavia, i progettisti e gli operatori dei data center hanno finora avuto a disposizione pochi dati che consentissero di prevedere l’impatto del raffreddamento a liquido sull’efficienza del data center e di ottimizzarne l’implementazione per massimizzare il risparmio energetico e le prestazioni in termini di efficienza.
Per colmare questa lacuna, un team di specialisti di NVIDIA e Vertiv ha condotto la prima importante analisi dell’impatto del raffreddamento a liquido sulla PUE del data center e sul consumo energetico. L’analisi completa è stata pubblicata dall’American Society of Mechanical Engineers (ASME) nel documento Analisi sull’efficacia del consumo energetico di un data center ad alta densità con raffreddamento ibrido aria-liquido.
I punti chiave dell’analisi dell’efficienza energetica del raffreddamento a liquido del data center
Power Usage Effectiveness
La PUE non è un buon metro di valutazione per l’efficienza del raffreddamento a liquido dei data center. A differenza del raffreddamento ad aria, il raffreddamento a liquido influisce sul numeratore (potenza totale del data center) e sul denominatore (potenza dell’apparecchiatura IT) nel calcolo della PUE, rendendolo inefficace per confrontare l’efficienza dei sistemi di raffreddamento a liquido e ad aria.
Power Usage Effectiveness (Efficacia di utilizzo totale)
- Metriche alternative come la TUE (Efficacia di utilizzo totale) si riveleranno più utili in decisioni di progettazione relative all’introduzione del raffreddamento a liquido in un data center raffreddato ad aria.
- TUE = ITUE x PUE (ITUE = Energia totale nelle apparecchiature IT/Energia totale nei componenti di calcolo)
- Oppure TUE = Potenza totale del data center/Potenza totale per calcolare, elaborare e archiviare i componenti
Nei data center ad alta densità, il raffreddamento a liquido migliora l’efficienza energetica dei sistemi IT e delle strutture rispetto al raffreddamento ad aria. Nel nostro studio, l’introduzione del raffreddamento a liquido ha determinato una riduzione del 10,2% della potenza totale consumata dal data center e un miglioramento di oltre il 15% del TUE (Total Usage Effectiveness).
Maggiore efficienza con le tecnologie di raffreddamento a liquido
Massimizzare l’implementazione del raffreddamento a liquido del data center, in termini di percentuale del carico IT raffreddato a liquido, offre la massima efficienza. Con il raffreddamento direct-to-chip, non è possibile raffreddare l’intero carico con il liquido, ma circa il 75% del carico può essere raffreddato efficacemente.
Il raffreddamento a liquido può consentire temperature più elevate dell’acqua refrigerata, dell’aria di mandata e dell’ingresso secondario che massimizzano l’efficienza dell’infrastruttura della struttura. In particolare, occorre prendere in considerazione il raffreddamento ad acqua calda. Le temperature di ingresso secondarie, nel nostro studio finale, sono state aumentate a 45 C (113 F), e ciò ha contribuito ai risultati ottenuti, aumentando al contempo le opportunità di riutilizzo del calore residuo.
Soluzioni di raffreddamento per data center: Introdurre il raffreddamento a liquido
Per saperne di più sull’introduzione del raffreddamento a liquido nel data center, guarda questo video
Opzioni per sistemi ibridi di raffreddamento ad aria/liquido e data center completamente raffreddati a liquido
A prescindere dalla fase in cui ti trovi nel percorso verso il raffreddamento a liquido, Vertiv offre soluzioni e servizi che ti aiuteranno a raggiungere i tuoi obiettivi aziendali e i tuoi requisiti tecnici.
Come leader globale nella gestione termica, Vertiv adotta un approccio olistico nei confronti delle strutture di raffreddamento a liquido. Le nostre soluzioni si basano su anni di ricerca e sviluppo in collaborazione con le università partner del Center for Energy-Smart Electronic Systems (ES2), The Green Grid and Open Compute Project e Green Revolution Cooling.
Grazie a questi sforzi e al nostro programma intensivo di raffreddamento a liquido R&D, Vertiv si tiene al passo con le mutevoli esigenze dei clienti. Offriamo un portfolio di soluzioni che supportano il raffreddamento ibrido ad aria e a liquido, nonché data center completamente raffreddati a liquido che includono:
- Unità di distribuzione del refrigerante (CDU) e chiller per interni progettati per fornire soluzioni infrastrutturali complete per il raffreddamento a liquido dei data center
- Scambiatori di calore attivi e passivi sulla porta posteriore
- Sistemi di espulsione del calore progettati per funzionare insieme alle CDU con raffreddamento a liquido e ai chiller
- Soluzioni installabili su sistemi esistenti per modificare le apparecchiature di raffreddamento ad aria al fine di supportare il raffreddamento a liquido
- Pratiche e servizi consolidati per la messa in servizio, l'avvio e l'utilizzo dell'infrastruttura di raffreddamento a liquido
Ristampa del report di analisi di mercato da S&P Global Market Intelligence
Vertiv supporta il raffreddamento a liquido per l’elaborazione ad alta densità con una nuova unità di distribuzione del refrigerante
