IDTechEx si chiede se il raffreddamento a liquido dominerà la gestione termica dei data center.
Jun 19, 2023
Yulin Wang
Negli ultimi 16 anni, la potenza termica di progettazione (TDP) delle GPU è quadruplicata. Con l'aumento della domanda di AI, cloud computing e crypto mining, IDTechEx prevede che il consumo energetico delle schede server e dei data center continuerà a crescere. Con il ritorno alla normalità dopo la fine della pandemia di Covid, IDTechEx ha osservato un'espansione significativa nel settore dei data center. Ad esempio, il rendiconto finanziario del quarto trimestre del 2022 di AMD indica un aumento del 42% su base annua del fatturato del segmento dei data center, a testimonianza della rapida crescita del mercato. Con la prosperità del settore dei data center, anche il campo della gestione termica dei data center dovrebbe registrare una crescita significativa. IDTechEx prevede che, entro il 2033, il fatturato annuo globale dell'hardware per il raffreddamento a liquido dei data center supererà i 900 milioni di dollari, rappresentando un'opportunità sostanziale per le aziende.
IDTechEx ha recentemente pubblicato un nuovo rapporto intitolato "Gestione termica per centri dati 2023-2033", che riguarda l'adozione di tecnologie di raffreddamento a liquido, tra cui il raffreddamento diretto al chip, il raffreddamento a immersione, il raffreddamento monofase e bifase, il refrigerante, le regolazioni, le unità di distribuzione del refrigerante (CDU) e molte altre tecnologie chiave.
La gestione termica dei data center può essere classificata a grandi linee in due tipi, in base al mezzo di raffreddamento: raffreddamento a liquido e raffreddamento ad aria. Sebbene il raffreddamento a liquido abbia guadagnato popolarità negli ultimi anni, il raffreddamento ad aria rimane l'approccio tradizionale e il più utilizzato, offrendo diversi vantaggi:
- Facilità d'uso: Le soluzioni di raffreddamento ad aria sono relativamente semplici da installare e utilizzare. In genere prevedono l'uso di ventole o dissipatori per dissipare il calore dai componenti, il che le rende facilmente accessibili e facili da usare. La familiarità e la semplicità dei sistemi di raffreddamento ad aria li rendono convenienti per gli operatori dei data center.
- Successo consolidato: Il raffreddamento ad aria ha una lunga tradizione di successo nella gestione termica dei data center. Molti utenti finali di data center hanno investito risorse significative nella costruzione e nell'ottimizzazione di infrastrutture raffreddate ad aria.
- Funzionamento senza liquidi: A differenza delle soluzioni che si basano su refrigeranti e circolazione di liquidi, il raffreddamento ad aria elimina la necessità di componenti e infrastrutture legate ai liquidi. Questo elimina rischi quali perdite, guasti alle pompe o evaporazione del refrigerante. L'assenza di liquidi nei sistemi di raffreddamento ad aria semplifica la manutenzione e riduce le possibilità di malfunzionamenti o interruzioni operative.
Tuttavia, nonostante i vantaggi del raffreddamento ad aria, la sua bassa capacità termica specifica ne limita l'efficacia nel soddisfare le crescenti esigenze di raffreddamento dei moderni data center. Per affrontare questa sfida, il raffreddamento a liquido è emerso come una soluzione valida. Il raffreddamento a liquido sfrutta la maggiore capacità termica specifica dei liquidi, rendendoli più efficienti nella dissipazione del calore. Esistono due tipi comuni di metodi di raffreddamento a liquido: il raffreddamento diretto al chip (cold plate) e il raffreddamento a immersione.
Il raffreddamento a piastra fredda prevede il montaggio di una piastra fredda direttamente sopra le fonti di calore, come CPU e GPU, con uno strato di materiale di interfaccia termica (TIM) nel mezzo. Il refrigerante all'interno della camera della piastra fredda assorbe e trasferisce il calore dai componenti. Il raffreddamento a immersione, invece, immerge le sorgenti di calore in un liquido refrigerante, consentendo un contatto diretto e una dissipazione efficiente del calore.
La collaborazione tra i fornitori di server e i produttori di piastre fredde ha accelerato l'adozione del raffreddamento a piastre fredde. Le soluzioni integrate (server con piastre fredde installate) vengono offerte direttamente agli utenti finali. Sebbene il raffreddamento direct-to-chip abbia dimostrato ottime prestazioni, la limitata esperienza degli utenti finali nell'integrazione delle piastre fredde nei loro server di serie è stato un fattore che ne ha limitato l'adozione. Un esempio di collaborazione di questo tipo è la collaborazione tra CoolIT Systems e Intel per lo sviluppo di soluzioni di raffreddamento direct-to-chip appositamente studiate per le CPU Intel Xeon Scalable. Sfruttando le collaborazioni e le soluzioni integrate, gli utenti finali possono trarre vantaggio dal raffreddamento a piastre fredde, tra cui una maggiore efficienza e una minore efficacia di consumo parziale di energia (pPUE), senza complessità di integrazione.
Un'altra tecnologia di raffreddamento a liquido emergente è il raffreddamento a immersione, che offre eccellenti prestazioni di dissipazione del calore con pPUE inferiori a 1,01 dimostrato. Tuttavia, ci sono diversi problemi che hanno limitato l'adozione diffusa del raffreddamento a immersione:
- Complessità: il raffreddamento a immersione richiede modifiche significative alle schede dei server esistenti. Poiché i server sono direttamente immersi nel liquido di raffreddamento, è necessario considerare fattori quali la compatibilità dei materiali tra i server e i liquidi di raffreddamento, aggiungendo complessità e costi aggiuntivi al processo di implementazione.
- Mancanza di competenze: Il raffreddamento a immersione è ancora agli inizi e il mercato non dispone di competenze ed esperienze sufficienti per implementare e gestire questa tecnologia.
- Costi iniziali e di manutenzione elevati: L'adeguamento dei data center esistenti raffreddati ad aria per adattarli al raffreddamento a immersione può essere costoso. Il raffreddamento a immersione presenta anche la spesa iniziale di capitale più elevata (CAPEX) in termini di costo per watt. Inoltre, i costi operativi e di manutenzione possono essere più elevati rispetto ad altri metodi di raffreddamento. Tuttavia, grazie all'efficiente dissipazione del calore, il risparmio energetico a lungo termine rende il raffreddamento a immersione conveniente per gli utenti dei data center.
- Domanda limitata: Sebbene i requisiti di potenza dei data center siano aumentati, IDTechEx ritiene che una combinazione di raffreddamento ad aria e raffreddamento diretto al chip possa soddisfare adeguatamente le richieste di raffreddamento nel breve e medio termine per le principali applicazioni. L'urgente necessità di raffreddamento a immersione non è attualmente prevalente sul mercato.
Efficacia parziale del consumo di energia (pPUE) per gli approcci di raffreddamento dei centri dati. Fonte: IDTechEx
In conclusione, la richiesta di una maggiore capacità di raffreddamento sta determinando la rapida crescita del raffreddamento a liquido, in particolare sotto forma di raffreddamento diretto al chip/piatto freddo. Questa crescita presenta numerose opportunità per i produttori di server, gli operatori di data center, i fornitori di fluidi refrigeranti e i fornitori di unità di distribuzione del refrigerante (CDU)/pompe. D'altra parte, si prevede che il raffreddamento a immersione sarà inizialmente adottato da importanti operatori come Microsoft e Meta. Tuttavia, l'adozione diffusa potrebbe richiedere del tempo a causa di fattori quali i costi elevati, le competenze limitate e i requisiti di manutenzione. La collaborazione tra le aziende della catena di fornitura del raffreddamento a immersione dei data center sarà fondamentale per una sua più ampia implementazione. Tuttavia, il raffreddamento a immersione offre notevoli opportunità per diverse aziende, come i fornitori di refrigeranti. Per informazioni più dettagliate, consultare l'ultimo rapporto di IDTechEx "Gestione termica per centri dati 2023-2033".