A incrementare ulteriormente l’efficienza energetica delle soluzioni di raffreddamento a liquido dei data center è quindi la possibilità di implementare sistemi di recupero di calore. Rispetto all’aria, il vettore liquido assorbe infatti il calore con maggior efficienza e in maniera più concentrata, con il risultato di disporre di temperature in uscita dal sistema di raffreddamento superiori rispetto alle classiche soluzioni ad aria. Questo consente di adottare soluzioni di recupero energetico molto vantaggiose, riutilizzando l’energia termica asportata per una varietà di applicazioni, dal district heating alle pompe di calore, per il riscaldamento di acqua ad uso sanitario o per il preriscaldamento di fluidi di processo. L’energia consumata dai data center, che il lavoro di calcolo trasforma in calore, viene in tal modo reimpiegata secondo principi di circolarità grazie al liquid cooling.

Tempco è in grado di proporsi come system integrator qualificato per l’implementazione di skid di raffreddamento a liquido per data center, il cui cuore tecnologico è rappresentato dagli scambiatori a piastre saldobrasati BPHE. Diverse sono quindi le possibili architetture di ecosistemi di liquid cooling nei data center (che possono anche includere sistemi di free cooling, chiller e torri evaporative), e per ciascuna tipologia la gamma di scambiatori BPHE di Tempco offre la soluzione più adatta per garantire massima efficienza di raffreddamento e riduzione dei consumi energetici, abbassando il PUE (Power Usage Effectiveness) dei centri di calcolo.

Interessante quindi vedere alcuni vantaggi, e di contro alcuni lati meno favorevoli, che caratterizzano diverse opzioni possibili di raffreddamento a liquido di server e chip. Che si tratti di cold plates (piastre metalliche in materiale conduttivo che, poste a contatto dei componenti elettronici, provvedono al raffreddamento asportando il calore generato mediante un fluido refrigerante che circola all’interno di microcanali) o di raffreddamento a immersione diretta dei server in fluidi dielettrici, esistono innanzitutto due diverse modalità di funzionamento del ciclo termico: in single phase, raffreddamento a liquido monofase, o two phase (raffreddamento a liquido bifase). La prima tipologia non comporta alcun cambio di fase del fluido refrigerante, che può essere ad esempio una miscela acqua glicole al 75%, con il vantaggio di avere pertanto un impianto più semplice.

Nel liquid cooling bifase, invece, il liquido di raffreddamento entra in ebollizione nelle cold plates, o per contatto diretto con i componenti immersi nelle vasche di raffreddamento, con passaggio alla fase di vapore. E’ allora necessario un sistema più complesso per la gestione del vapore e l’inserimento di condensatori, oltre a un controllo molto attento dei livelli di pressione e temperatura. Di contro, il liquid cooling bifase permette di asportare grandi quantità di calore con un’efficienza molto superiore rispetto alla modalità monofase.

Altra questione riguarda poi il confronto tra cold plates e raffreddamento a liquido a immersione: l’impiego di cold plates richiede sistemi di pompaggio e tubazioni per il fluido refrigerante verso le piastre fredde posizionate sui componenti, con rischio di perdite nel data center che vanno perciò attentamente controllate. Il raffreddamento a liquido a immersione si presenta in sé più snello a livello di impianto, consentendo inoltre un raffreddamento più omogeneo, con il vantaggio di richiedere interventi di controllo e manutenzione più semplici: serve difatti solo controllare che il livello del fluido refrigerante o del fluido dielettrico nella vasca di raffreddamento sia sufficiente. Di contro, il raffreddamento a liquido a immersione nei data center porta con sé costi iniziali superiori, legati al costo elevato degli speciali fluidi dielettrici da utilizzare e alla costruzione di hardware ad hoc, con ricorso a materiali compatibili per immersione negli speciali liquidi di raffreddamento (con attenzione ad esempio alla scelta di colle e guarnizioni adeguate).

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Oggi il rapido e continuo aumento delle quantità di calore rilasciato dai chip rende insufficiente il ricorso ai tradizionali sistemi di condizionamento ad aria. Gli scambiatori di calore saldobrasati Tempco BPHE, disponibili anche in versione full stainless steel, sono il cuore tecnologico di questo passaggio al raffreddamento a liquido, vero enabler tecnologico che porta la sostenibilità nei data center riducendo il PUE (power usage effectiveness) e permettendo al contempo un aumento di densità dei rack.

Le prestazioni superiori del liquid cooling sono dovute innanzitutto alla superiore efficienza di scambio termico dei liquidi rispetto all’aria, che consente uno smaltimento più efficace del calore, con minore consumo energetico a parità di quantità di calore da smaltire. E’ così possibile gestire densità di potenza più elevate tipiche delle applicazioni AI e HPC, con alte prestazioni, in modo affidabile e più green. Il liquid cooling permette inoltre un raffreddamento molto più mirato e preciso, grazie al fatto che un liquido è più facile da indirizzare verso componenti specifici rispetto all’aria. L’ecosistema di raffreddamento viene poi completato da sistemi di free cooling e chiller posti all’esterno del data center, che provvedono alla dissipazione del calore asportato dai server e convogliato all’esterno mediante gli scambiatori BPHE.

Tempco fornisce scambiatori di calore saldobrasati BPHE per il raffreddamento a liquido dei data center con modelli e versioni adatti a ogni tipologia di liquid cooling, a prescindere dalla loro architettura. L’elevata compattezza che contraddistingue questi scambiatori permette inoltre una facile integrazione nelle CDU (Coolant distribution units) presenti nei sistemi di raffreddamento a liquido, con notevole risparmio di spazio all’interno delle installazioni. Le competenze di processo di Tempco e nella produzione di soluzioni integrate come sistemi skid offrono quindi un ulteriore vantaggio per i costruttori e operatori di data center, nella realizzazione di soluzioni complete e compatte di facile installazione e integrazione nelle infrastrutture di calcolo.

Gli scambiatori di calore saldobrasati Tempco possono essere impiegati sia per sistemi di raffreddamento a liquido mediante cold plates sia per sistemi a immersione, le due principali tipologie di raffreddamento a liquido nei data center. La gamma copre un ampio range di potenze, per soluzioni In-rack CDU con modelli di scambiatore da 5 a 200 kW, e per sistemi In-row Stand alone CDU per potenze da 500 kW a 3 MW.

La gamma di scambiatori saldobrasati Tempco include tipologie di scambiatori adatte per architetture di raffreddamento a liquido Direct-to-Chip (DTC) che impiegano cold plates. La tecnologia cold plates impiega piastre metalliche in materiale conduttivo che vengono applicate direttamente sui componenti elettronici, GDU e CPU, a più alto consumo. Il calore generato viene assorbito da un liquido refrigerante che circola all’interno delle cold plates, in strutture a microcanali. Le CDU in questo sistema di raffreddamento a liquido fungono da barriera di sicurezza idraulica: qui il liquido surriscaldato in arrivo dalle cold plates fluisce verso lo scambiatore BPHE, e una volta raffreddato viene reimmesso nel ciclo, restando separato dal circuito esterno dell’acqua di raffreddamento (free cooler, chiller e torri evaporative) proteggendo i dispositivi IT da potenziali contaminazioni.

Tempco offre scambiatori a piastre saldobrasati per le CDU nelle soluzioni di raffreddamento a liquido con cold plates sia per architetture in-raw, dove la grande compattezza degli scambiatori consente una facile integrazione della CDU all’interno degli armadi dei server, o in-row, con CDU in armadi stand-alone esterni ai singoli rack IT che possono servire fino a un massimo di 10 server contemporaneamente.

La gamma comprende quindi scambiatori saldobrasati BPHE per soluzioni di raffreddamento a liquido a immersione. A differenza delle cold plates, che vengono applicate direttamente su chip e componenti a più alta potenza – richiedendo quindi solitamente soluzioni ibride con ricorso al raffreddamento ad aria per altre parti dell’infrastruttura di calcolo – nel raffreddamento a liquido a immersione tutto l’hardware viene immerso in apposite vasche contenenti speciali fluidi dielettrici, garantendo un raffreddamento uniforme di tutti i componenti, senza quindi hot spots.

Per entrambe le tipologie di liquid cooling, con cold plates o a immersione, Tempco offre infine scambiatori di calore saldobrasati ottimizzati per sistemi di liquid cooling a singola fase (Single phase cooling), in cui il fluido refrigerante (spesso una miscela di acqua e glicole) mantiene la fase liquida durante tutto il ciclo termico, sia per sistemi bifase (Two phase cooling), in cui il fluido refrigerante bolle a contatto con la cold plate o con i server surriscaldati. Questa seconda tipologia bifase offre un’efficienza di raffreddamento superiore, ideale quindi per carichi di lavoro elevati e rack ad altissima densità, richiedendo di contro un circuito di raffreddamento più complesso per consentire la gestione di fasi di evaporazione, con un controllo più preciso di pressione e temperatura.

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Ci sono infatti applicazioni dove il fluido da raffreddare è aggressivo o l’ambiente è corrosivo: in questi contesti, un classico tubo in rame non basta. Servono batterie in acciaio inox, capaci di garantire durata e affidabilità anche in condizioni difficili. Altre volte la richiesta arriva dai codici di costruzione: realizzazioni conformi ASME, indispensabili per impianti destinati a settori regolamentati o a mercati dove la certificazione è un requisito imprescindibile.

Sono esempi concreti di come i dry cooler possano diventare apparecchi unici, pensati per esigenze molto specifiche. 
Proprio qui entra in gioco la filosofia Tempco: offrire soluzioni che non si limitano a ‘raffreddare’, ma che accompagnano il cliente rispondendo alle sue peculiari necessità di processo con la stessa logica del ‘tailor made’.

Un dry cooler, quindi, non è mai soltanto un dry cooler. Può diventare un elemento critico di affidabilità, sicurezza e prestazioni di processo, quando è progettato con materiali e codici adatti al contesto reale in cui dovrà operare.

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Un impianto non correttamente verificato può andare incontro, nei mesi estivi, a una serie di problematiche tra loro collegate:

• Riduzione della capacità di raffreddamento, con impossibilità di mantenere le condizioni di processo richieste
• Aumento dei consumi energetici, perché l’impianto lavora fuori condizione per compensare le inefficienze
• Allarmi e fermi improvvisi, spesso nei momenti di picco produttivo
• Perdita di efficienza del processo a valle, con ricadute su qualità e produttività

Per affrontare i carichi estivi in sicurezza, è opportuno pianificare con anticipo una verifica sistematica dell’impianto. I principali punti da controllare sono i seguenti.

Pulizia e stato degli scambiatori di calore. Le superfici di scambio termico devono essere pulite e prive di depositi o incrostazioni. Anche uno strato sottile di fouling può ridurre sensibilmente il coefficiente globale di scambio U, degradando le prestazioni nominali dell’unità. La verifica deve includere sia il lato processo che il lato servizio.

Circuito idraulico e qualità dell’acqua. Incrostazioni nelle tubazioni, corrosione localizzata e degrado della qualità dell’acqua di raffreddamento sono tra le cause più frequenti di problemi durate il periodo estico. È importante controllare il pH, la durezza e la concentrazione di eventuali inibitori, oltre a verificare la corretta circolazione nei circuiti.

Componenti di ventilazione e condensazione. Nei dry cooler e nelle torri evaporative, la sezione di condensazione è la prima a risentire delle alte temperature esterne. Verificare il funzionamento corretto dei ventilatori, la pulizia del pacco alettato e l’assenza di ostruzioni al flusso d’aria è fondamentale per non penalizzare la capacità dell’unità.

Controllo funzionale generale. La verifica deve concludersi con un controllo funzionale complessivo: taratura dei controlli di temperatura e pressione, stato dei componenti di regolazione, gestione degli allarmi e verifica della corretta sequenza di funzionamento nelle condizioni di picco.

Una manutenzione preventiva condotta prima dell’estate permette di identificare e risolvere le criticità quando c’è ancora tempo per farlo con calma, evitando interventi in emergenza durante i periodi di massima produzione.

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I sistemi di raffreddamento dei bruciatori sono cruciali negli impianti di ossitaglio di bramme e billette per diverse ragioni:

1. Prevenzione del surriscaldamento: i bruciatori funzionano a temperature estremamente elevate. Senza un adeguato raffreddamento, potrebbero surriscaldarsi, causando danni strutturali o guasti.
2. Mantenimento dell’efficienza: un bruciatore raffreddato in modo appropriato opera in modo più efficiente. Il raffreddamento impedisce che le temperature troppo alte alterino le prestazioni, mantenendo un taglio preciso e costante.
3. Sicurezza: il raffreddamento riduce il rischio di incendi o esplosioni dovute al surriscaldamento, migliorando la sicurezza dell’intero impianto.
4. Durata dei componenti: il raffreddamento regolare riduce l’usura dei componenti del bruciatore, prolungando la vita utile dell’impianto e riducendo i costi di manutenzione.

Il raffreddamento avviene per ovvi motivi ad acqua, con dissipazione che spesso può essere effettuata mediante l’utilizzo di free-cooler, in quanto i livelli di temperatura non sono particolarmente spinti.

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Ma di fatto, quando è possibile installare un sistema di free cooling? Spesso ci sono industrie di processo che richiedono attività di raffreddamento all’interno del loro processo produttivo con temperature dell’acqua di raffreddamento piuttosto basse. Diciamo 10-15 o anche 20° C. Sono requisiti che una torre evaporativa non può soddisfare durante la stagione calda, e nemmeno un sistema con radiatore, che sfrutta la dissipazione del calore mediante l’aria.
E’ pertanto necessario utilizzare dei gruppi frigoriferi.

Ma ci sono condizioni ambientali, durante la stagione fredda, o anche durante le ore più fresche della giornata, in cui un gruppo frigorifero è sostanzialmente uno spreco, perché potendo sfruttare le condizioni ambientali favorevolmente fredde in questi frangenti, potrebbe bastare un dry cooler, cioè un dissipatore. Che tipo di vantaggi porta un sistema di free cooling?

A livello di costi si tratta chiaramente di qualcosa in più che dobbiamo implementare all’interno dell’impianto di refrigerazione. Sostanzialmente, si deve accompagnare un refrigeratore con un sistema di freecooling, un oggetto che durante la stagione estiva probabilmente non servirà. Ma durante la stagione invernale, consentirà di spegnere i chiller. Questo di fatto comporta un importante risparmio energetico.

Facendo un bilancio grossolano, con un gruppo frigorifero con COP 3 (Coefficiente di Prestazione) per ottenere una dissipazione di 90 kW termici abbiamo un consumo di energia elettrica di 30 kW, più o meno. Di questi 30 kW, 24-25 kW vengono generalmente consumati dai compressori di refrigerazione necessari per raffreddare l’acqua. Utilizzando un sistema di free cooling, questi 24-25 kW svaniranno perché rimarranno solamente i kW impiegati per la ventilazione, chiaramente, e i kW dedicati alla pompa di circolazione dell’acqua. È quindi chiaro che avremo un notevole risparmio energetico dissipando la stessa quantità di energia termica.

Adesso possiamo anche fare un paio di valutazioni per capire quale potrebbe essere il ritorno dell’investimento di un impianto di free cooling. Diciamo che ci sono moltissime applicazioni in cui il free cooling è sicuramente un’ottima soluzione. Dipende chiaramente dalla latitudine: più l’impianto è installato in una regione fredda o che ha una stagione fredda più lunga, più sarà facile avere un ROI più breve della soluzione free cooling.

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La crescita nella domanda di potenza computazionale nei data center pone un problema relativo all’impatto ambientale di queste strutture. Sempre Nvidia nel 2022 ha annunciato un nuovo piano per ridurre il consumo energetico dei data center, per il crunch di enormi quantità di dati o per addestramento di modelli AI. L’azienda ha in particolare sviluppato innovative schede raffreddate a liquido, che consumano fino al 30% in meno rispetto a quelle raffreddate ad aria.

Con l’incremento della potenza termica dei chip, infatti, il tradizionale raffreddamento ad aria non è più sufficiente a soddisfare i requisiti di raffreddamento delle nuove applicazioni. In questo quadro, la previsione per i prossimi anni di IDTechEx è per una forte crescita e adozione del raffreddamento a liquido dei data center, con un fatturato annuo che entro il 2033 supererà i 900 milioni di dollari, come si legge nel report Gestione termica per centro dati 2023-2033.

Tabella comparativa dei liquidi refrigeranti dei principali brand disponibili sul mercato per raffreddamento a liquido dei data center. Fonte IDTechEx

Nel raffreddamento a liquido, grazie al raffreddamento a liquido diretto al chip (D2C, direct-to-chip) è possibile raffreddare solo alcuni componenti, come chipset e GPU, e non schede intere. Il raffreddamento a immersione offre invece efficienza elevata e distribuita in maniera uniforme. Considerate le tipiche temperature per immersione, che vanno da 25 a 50° C come riporta la tabella sopra, Tempco vede in queste innovative applicazioni ampio spazio per il free cooling, aumentandone l’efficienza. E’ pertanto possibile fornire soluzioni di dissipazione termica con dry cooler dedicati, sia a secco sia adiabatici quando la temperatura ambiente diviene più elevata. Tempco può altresì fornire soluzioni di free cooling per immersione con scambiatori TCOIL.

Va infine detto, come anche IDTechEx sottolinea, che il processo di immersione dei server nelle vasche può essere macchinoso e oggi richiede ancora un importante retrofitting dei data center esistenti basati su rack. Occorre poi considerare i costi iniziali dell’hardware, per cui IDTechEX stima che un serbatoio di raffreddamento a immersione possa costare circa 4 mila dollari. A questo va sommato il costo del liquido refrigerante per il serbatoio. Costi iniziali relativamente elevati che vengono però ampiamente ripagati nel tempo grazie al notevole risparmio energetico che si ottiene.

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Per macchine termiche intendiamo quindi ad esempio un dry cooler, una torre evaporativa o un gruppo frigorifero. In questo caso, quattro sono infatti i dati che occorre conoscere per il corretto dimensionamento della macchina: il tipo di fluido da regolare e la sua portata; la sua temperatura in ingresso, ossia la temperatura a cui arriva dal processo; la temperatura in mandata, sarebbe a dire la temperatura richiesta in uscita dal processo; la temperatura di progetto ambientale.

Temperatura ambiente che nel caso di un gruppo frigorifero è la temperatura ambiente relativa alla condensazione, per un dry cooler sarà la temperatura dell’aria ambiente che andrà a raffreddare il fluido; e per una torre evaporativa sarà infine la temperatura di bulbo umido, parametro chiave per il ciclo di evaporazione.

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Ciò che è ancora più interessante dal punto di vista di Tempco è però la crescente importanza data ai temi legati alla sicurezza eneregtica e ai fattori ESG (environment, social and governance) e di sostenibilità ambientale da parte di investitori, fornitori di debito e sviluppatori di infrastrutture data center. La domanda record è naturalmente spinta dall’incremento dei dati e della richiesta di potenza di calcolo, legato alla diffusione dei servizi cloud, al crescere dell’IoT e all’uso in costante aumento dell’AI, con all’orizzonte l’avvento della connettività 5G e del Metaverso. Al contempo, cresce l’attenzione al rispetto degli standard ESG da parte istituzionale, con iniziative quali il Climate Neutral Data Centre Pact o il ricorso a metriche quali il PUE (power usage effectiveness) nei data center, di cui abbiamo pure avuto modo di parlare in passato.

In questo quadro, il 94% dei soggetti interpellati dichiara che l’attenzione a tematiche ESG è cresciuta come criterio per nuovi investimenti o sviluppo di infrastrutture data center negli ultimi 24 mesi. Il 99% dichiara inoltre che questo tipo di attenzione crescerà ulteriormente nei prossimi 24 mesi. Il 35% di sviluppatori/operatori ha altresì dichiarato di aver ceduto almeno un data center negli ultimi due anni proprio a causa di problemi legati al tema ESG. Il raggiungimento di target zero emissioni diventa altrettanto rilevante: il 68% degli investitori e il 60% dei fornitori di debito e degli sviluppatori/operatori ha dichiarato che i data center nei quali hanno investito più di recente prevedono di raggiungere il target zero emissioni entro il 2030, se non hanno addirittura già completato l’obiettivo. Energia e fattori ESG figurano anche tra i principali criteri per cui gli investitori in data center sono disposti a pagare dei premi: il 70% degli sviluppatori/operatori e il 75% di investitori e fornitori di debito dichiarano che sarebbero felici di pagare un premio pur di investire in un’infrastruttura dotata di caratteristiche ESG e attenta alla sostenibilità.

Come abbiamo già avuto modo di trattare più volte, sostenibilità e risparmio energetico nei data center riguardano segnatamente il passaggio dal raffreddamento ad aria delle componenti IT e dell’elettronica all’utilizzo di soluzioni di raffreddamento a liquido per immersion cooling. Questo rappresenta in particolare un fondamentale cambio di passo nel futuro dei data center , in direzione di infrastrutture IT più sostenibili ad impatto ambientale ridotto. Ciò è dovuto ad alcuni fattori, in primis la possibilità di impiegare fluidi di raffreddamento a temperature meno spinte verso il basso, grazie al maggior coefficiente di dissipazione del calore dei liquidi rispetto all’aria. Notevole risparmio energetico è dato quindi dall’eliminazione di ventilatori e compressori richiesti dai chiller, aprendo inoltre la strada all’utilizzo del free cooling.

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Il raffreddamento a liquido per immersione, di cui abbiamo già parlato in passato mediante utilizzo di scambiatori TCOIL, aumenta in prima istanza la sostenibilità dei data center, migliorando l’efficienza energetica del sistema di raffreddamento. Infatti, utilizzare un liquido come fluido di raffreddamento invece dell’aria comporta un contatto più stretto delle particelle del liquido con l’oggetto da raffreddare, aumentando il coefficiente di scambio termico. Questo consente inoltre di utilizzare fluidi di raffreddamento a temperature meno spinte, con notevole risparmio energetico grazie anche alla possibilità di impiegare sistemi in free cooling per il raffreddamento dei fluidi dielettrici e tagliando i costi legati al condizionamento dell’aria.

La soluzione con raffreddamento a liquido nel progetto testato ha però altresì portato a una riduzione dei costi di esercizio del calcolo ad alte prestazioni richiesto dai software EDA, dove il costo delle licenze d’uso è legato al numero di core e alla frequenza di Clock richiesta (la frequenza di Clock indica il numero di cicli da acceso-spento, ossia tra 0 e 1, che un transistor è in grado di processare in un secondo, misurata in GHz). Grandezze a cui è legato anche il TDP (thermal design point), ovvero il calore massimo che un processore deve smaltire per funzionare in maniera ottimale.

Il costo complessivo delle licenze può quindi essere ridotto diminuendo il numero di core utilizzati e aumentando la frequenza di clock, ottenendo lo stesso livello di prestazioni. Ciò comporta però un incremento nella quantità di calore sviluppato dall’elettronica da dissipare, che mette le soluzioni di raffreddamento ad aria tradizionali di fronte al loro limite, potendo invece essere gestite senza problemi e con maggior efficienza e consumi inferiori dal raffreddamento a liquido per immersione.

Il sistema prototipale messo a punto da Supermicro in collaborazione con 3M, Intel, Kaori e Samsung sfrutta nello specifico il raffreddamento a immersione diretta di due tipologie di dispositivi di Intel e Samsung, in un serbatoio con sistema a scambiatori di calore a piastre riempito con il fluido 3M Fluorinert Electronic Liquid FC-40, che ha mostrato perfetta compatibilità con l’elettronica impiegata.

I test condotti hanno dimostrato una importante riduzione del consumo energetico ottenuta con il raffreddamento a liquido per immersione, anche con CPU ad alte prestazioni e in ambienti a temperatura ambiente, senza impiego di aria condizionata. Consentendo la riduzione del numero di core nei processori e l’incremento della clock speed. Prospettando pertanto il raffreddamento a liquido per immersione come una soluzione green e altamente efficiente in grado di ridurre anche i costi di esercizio, adatta alle crescenti potenze di calcolo richieste ai data center a sostegno dello sviluppo delle nuove tecnologie, dal campo della progettazione elettronica, all’intelligenza artificiale e all’analisi dei dati.

Source: Supermicro

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