Start Campus: il datacenter raffreddato dal mare

Diffusione dell’Intelligenza Artificiale e impatto sui datacenter

Il settore dei datacenter è nel pieno di una fase di cambiamento epocale, nel quale le necessità di elaborazione si stanno rapidamente trasformando. Colpa o merito di tutto questo, a seconda del punto di vista, è nella diffusione dell’Intelligenza Artificiale che richiede un numero di CPU e soprattutto GPU sempre più elevato per poter tenere il passo della domanda di mercato.

Deve necessariamente anche cambiare il modo con il quale i datacenter sono costruiti, passando da un design dei sistemi di alimentazione e di quelli di raffreddamento che possa far fronte ai requisiti molto più elevati in termini di potenza necessaria ai server per operare correttamente.

In un tradizionale datacenter un singolo armadio rack è pensato per richiedere una potenza di circa 20-25kW per alimentare tutti i server che contiene. Il costante incremento nella capacità elaborativa di CPU e GPU ha portato ad uno speculare aumento dei consumi dei singoli sistemi rack. Non è infatti infrequente trovare nei datacenter armadi rack che richiedono una potenza di alimentazione di 50kW ciascuno, a motivo delle sempre più elevate richieste delle GPU adottate per le elaborazioni di intelligenza artificiale.

Questo non è però un limite: a oggi si progetta pensando a una potenza di 132kW per armadio rack, con le aspettative per gli anni a venire che prefigurano potenze sino a 1000kW per rack.

Questa trasformazione è dipendente in modo diretto dalla diffusione dell'IA in ogni ambito: le applicazioni che sfruttano l'intelligenza artificiale richiedono datacenter sempre più potenti, nei quali non è più tanto la superficie complessiva a rappresentare il limite allo sviluppo quanto la richiesta energetica e la struttura di raffreddamento adottata.

Al crescere della potenza elaborativa aumenta la domanda di energia, oltre alla necessità di implementare sistemi di dissipazione del calore sempre più sofisticati. Dai tradizionali sistemi di raffreddamento ad aria, con i quali si mantiene la temperatura all'interno del datacenter su valori predefiniti, si sta passando all'utilizzo di sistemi di raffreddamento ad acqua con i quali gestire in modo diretto la dissipazione del calore delle sempre più energivore GPU dedicate alle elaborazioni di intelligenza artificiale.

L'aumento della domanda di potenza di elaborazione nei datacenter è un trend in piena espansione, per il quale non sono di certo previsti rallentamenti. I produttori di soluzioni hardware, NVIDIA in testa, sono al continuo sviluppo di nuove soluzioni in grado di offrire una potenza di elaborazione sempre più elevata ma questo non si accompagna ad un calo nel consumo delle singole GPU. La soglia di 600 Watt quale picco massimo per ogni chip è ormai sdoganata e non è difficile pensare che nel prossimo futuro si arriverà a toccare la soglia di un kW di potenza.

Tutto questo richiede di ripensare l'approccio ai datacenter, che dovranno sempre più essere in grado di assicurare tanto l'alimentazione dei sistemi di calcolo come la loro adeguata dissipazione termica. A questo risultato, ovviamente, si può arrivare mantenendo quale obiettivo un'efficienza complessiva che deve essere la più elevata possibile, anche alla luce dei costi energetici. E' questo l'approccio con il quale è stato sviluppato Start Campus, il datacenter per l'Intelligenza Artificiale da poco aperto a Sines, Portogallo, grazie al controbuto della francese Schneider Electric per la parte di infrastruttura di alimentazione e che si candida a diventare il più potente in Europa grazie ad un piano di sviluppo serrato.

Come poter gestire un datacenter in modo efficiente e per quanto possibile green

Nel mondo dei datacenter c'è un indicatore che permette di valutare l'efficienza: si tratta del PUE, acronimo di Power Usage Effectiveness, rapporto tra la potenza richiesta da un datacenter per operare correttamente e la potenza utilizzata al suo interno dalle soluzioni dedicate al calcolo, quindi dai suoi server. Il limite teorico di questo indicatore è il valore di 1, che è ovviamente teorico in quanto presuppone che i server operino senza la necessità di utilizzare energia per la gestione di tutto quello che è loro necessario per operare.

Se anni fa lo standard era di un PUE di 2,5, un datacenter moderno può operare un con valore di PUE attorno a 1,5, con le installazioni più recenti ed efficienti che si stanno progressivamente avvicinando al valore di 1. E' evidente come ad un'efficienza complessiva più elevata si abbia una ricaduta diretta in termini di costi: meno energia per assicurare il funzionamento dei server contenuti nel datacenter, oltre che per il loro raffreddamento che ne assicura il funzionamento corretto.

Tenere il passo di una domanda di potenza di calcolo sempre più elevata, figlia della diffusione dell'Intelligenza Artificiale e della disponibilità di GPU sempre più potenti ed esose in termini di alimentazione, non è un compito facile. I datacenter di nuova concezione devono raggiungere un PUE sempre più vicino a 1 e per fare questo devono ricorrere ad approcci legati al raffreddamento interno che sono sempre più ricercati ed efficienti.

Ma è anche attraverso una oculata gestione ordinaria, una volta che il datacenter è operativo, che è possibile ottenere efficienza e in questo corre in aiuto proprio l'intelligenza artificiale. La sua applicazione nella gestione energetica di server e raffreddamento permette di ottimizzare i consumi, riducendo la richiesta complessiva fino a sfiorare il 10%: un impatto da non sottovalutare tenendo conto di quanto rilevante sia il consumo di un moderno datacenter.

Start Campus: l’acqua dell’oceano per raffreddare i server

In un'era di consumi crescenti e di una domanda di potenza di elaborazione che non sembra voler avere fine è proprio nel raffreddamento che si possono ottenere le migliori efficienze energetiche possibili. Nel mondo delle soluzioni consumer l'utilizzo di sistemi di raffreddamento a liquido all in one per processori è un esempio di come sfruttare la capacità di dissipazione del calore dell'acqua per ottenere elevata efficienza e al contempo gestire il consumo di processori sempre più complessi.

Questo tipo di design nasce proprio dal mondo dei datacenter, nei quali l'acqua viene da tempo utilizzata per tenere sotto controllo il consumo dei componenti inseriti all'interno di un rack. Non stupisce quindi vedere sistemi di raffreddamento a liquido sempre più diffusi anche in sistemi server, con però soluzioni tecniche che devono tenere conto della capacitò di dissipare una notevole potenza come dell'efficienza e della sostenibilità complessiva.

Abbiamo avuto modo di visitare una delle più recenti installazioni di datacenter che punta ad ottenere una efficienza energetica elevatissima: si tratta dello Start Campus di Sines, in Portogallo, affacciato sull'oceano Atlantico e che una volta che verrà completato offrirà una potenza di 1,2GW spalmata su 6 differenti costruzioni, in grado di ottenere un valore di PUE pari a 1,1 che rappresenta al momento quanto di meglio è possibile ottenere sul mercato.

Per far questo Start Campus utilizza acqua per raffreddare tutto il datacenter, sfruttando una risorsa infinita sempre presente a poche decine di metri di distanza: l'oceano. Tutto questo utilizzando acqua dell'oceano ma non consumandola: il sistema preleva infatti l'acqua dal mare, la utilizza per raffreddare ambienti e apparecchiature di alimentazione e calcolo immettendola nuovamente all'interno del mare senza che una singola goccia venga in qualche modo sprecata.

Non solo: la scelta di questa location nel sud del Portogallo è legata anche ad una struttura industriale già esistente e dismessa. Una centrale elettrica a carbone, non più in funzione dal 2021 e che verrà prossimamente completamente smantellata, utilizzava in passato proprio l'acqua dell'oceano per raffreddare i trasformatori. Quella struttura è stata riadattata all'utilizzo previsto per il datacenter, altro passaggio che punta ad incrementare l'efficienza complessiva dell'intera struttura.

Una espansione in grande scala, grazie all'acqua

Operativo dal quarto trimestre 2024, Start Campus vede al momento attuale la presenza di una singola struttura all'interno della quale sono presenti i reparti amministrativi e di monitoraggio, oltre ad un primo datacenter che a regime metterà a disposizione una potenza complessiva di 26MW.

Questo è solo il primo di 5 altre strutture che verranno costruite nell'area adiacente: la prima, SIN02, offrirà una potenza totale di 180MW e l'inizio della costruzione è previsto per la seconda metà del 2025. Per le altre 4 strutture la potenza totale sarà di 220MW ciascuna, così da ottenere quale dato finale gli 1,2GW del progetto complessivo. Già ora la struttura nel suo complesso potrebbe ricevere, in caso di necessità, tutta la potenza di elaborazione necessaria per operare a regime grazie anche all'elevato mix con fonti rinnovabili che il Portogallo offre al momento: nel corso del 2024 hanno contribuito per il 71% della domanda totale, contro una media del 47% nelle nazioni dell'Unione Europea.

Come detto, è l'acqua dell'oceano la risorsa naturale che viene utilizzata in Start Campus per il raffreddamento delle infrastrutture di alimentazione e di calcolo. Per fare questo non si utilizza l'acqua a diretto contatto con processori e GPU, ma è stata implementata una struttura che prevede differenti sistemi a circuito chiuso grazie ai quali la temperatura contenuta dell'acqua dell'oceano (mediamente nel corso dell'anno compresa tra 15 e 18 gradi) viene portata negli stabili.

Il primo passaggio prevede il trasporto dell'acqua dell'oceano ad una struttura dedicata, nella quale è stato implementato uno scambiatore di calore. L'acqua viene fatta scorrere a contatto con una parete, al cui altro lato è stato installato il circuito chiuso di raffreddamento interno nel quale scorre il liquido di raffreddamento che viene mandato all'interno dei datacenter.

Quest'ultimo vede così diminuire la propria temperatura, venendo poi mandato negli stabili così che sia messo in circolo nei radiatori interni che portano aria fredda nella struttura e verso i server con potenti ventole. In alcuni casi, per i rack con potenza più elevata, si utilizzano ulteriori stazioni intermedie: il liquido è inviato a dei box con altro circuito di raffreddamento chiuso dedicato, utilizzato direttamente a contatto con CPU e GPU per la massima efficienza energetica possibile.

L'acqua di mare, una volta che entra in contatto con la struttura di interscambio termico, viene scaldata raffreddando i circuiti interni e veicolata di nuovo verso il mare così che sia reintrodotta, senza alcuno spreco, nell'ecosistema. La temperatura di ritorno è ovviamente superiore ma questo non crea problemi: questo impianto è stato utilizzato per svariati decenni dalla centrale elettrica a carbone adiacente senza che venissero rilevate variazioni a flora e fauna.

A regime, l'intero sistema di raffreddamento porterà a prelevare e reintrodurre circa 20 metri cubi di acqua di mare al secondo, quantitativo richiesto per raffreddare tutto il complesso di datacenter da 1,2GW ma che è pari alla metà dei 40 metri cubi al secondo utilizzati in passato dalla centrale elettrica a carbone per il suo raffreddamento.

Un design da prendere come modello

In un'epoca nella quale la domanda di nuova potenza di calcolo trainata dall'intelligenza artificiale sembra non avere fine, è necessario sviluppare datacenter che siano sempre più potenti ed efficienti allo stesso tempo. Lo Start Campus di Sines è un chiaro esempio di come la scelta della location sia funzionale all'ottenimento di questi risultati.

L'oceano visto come soluzione utile per il raffreddamento dei sistemi permette di massimizzare l'efficienza complessiva, ma questo passa anche attraverso un'opera di riqualificazione di strutture industriali già esistenti che non vengono, in una fase di evoluzione tecnologica, abbandonate ma riadattate ad esigenze differenti. Una tecnologia consolidata nell'industria, quella del raffreddare utilizzando l'acqua, viene qui riadattata all'abbinamento con le tecnologie di ultima generazione.

Del resto questa è la via per rendere sostenibili i datacenter del futuro, quelli da più di 1 GW di potenza in grado di rispondere ad una domanda di potenza di calcolo che gli utilizzi pervasivi dell'intelligenza artificiale sta rendendo sempre più forte.

Se proviamo a immaginare quella che sarà l'evoluzione futura, non possiamo che attenderci da parte delle aziende impegnate nel settore dei datacenter e dell'intelligenza artificiale la disponibilità di GPU e soluzioni di calcolo sempre più potenti e al contempo esose in termini di energia. La densità di elaborazione non potrà che aumentare e con essa i requisiti minimi dei datacenter.

In questo lo Start Campus di Sines rappresenta un modello di riferimento di come si possa sviluppare qualcosa che abbini elevatissima potenza e densità di elaborazione alla sostenibilità, tanto energetica come ambientale. Un risultato al quale si è giunti grazie alla collaborazione di vari partner tra i quali ruolo di protagonista spetta a Schneider Electric.

L'azienda francese, grazie alla quale abbiamo potuto visitare lo Start Campus assieme ad altri colleghi europei in quella che è stata la prima visita ufficiale alla struttura, ha fornito buona parte dell'infrastruttura per alimentazione e ridondanza dei datacenter. Oltre a questo, significativo il contributo lato software con le soluzoni EcoStruxture Building Operation e Power Monitoring Expert, cuore del sistema di gestione del datacenter responsabile di quella ricerca della massima efficienza energetica che chiama in causa proprio l'intelligenza artificiale per elaborare la migliore strategia di funzionamento dell'intero datacenter.

Le prospettive di sviluppo sono potenzialmente molto ricche anche per il mercato italiano: Pablo Ruiz-Escribano, Senior Vice President for Secure Power & Data Centers europeo di Schneider Electric, ce lo ha direttamente confermato. Accanto al tradizionale mercato dei datacenter di Parigi, Londra, Amsterdam, Dublino e Francoforte si sta assistendo ad una forte crescita dei database cosiddetti "second tier": Milano, Madrid e Lisbona stanno registrando una forte espansione indirizzata verso non solo un aumento del loro numero complessivo ma anche in termini di potenza massima che possono mettere a disposizione dei propri clienti.

Resta ora da individuare le posizioni migliori, dal punto di vista ambientali e di efficienza, per installare le nuove generazioni di datacenter tenendo conto di quello che è l'ecosistema nel suo complesso. Per Pablo Ruiz-Escribano, infatti, è indispensabile non solo guardare alle necessità dei centri di calcolo ma capire come abbinare nel modo più efficiente possibile questi ultimi a quanto è già esistente e operativo: ad esempio, sfruttando il calore generato dai server veicolandolo verso attività che per loro natura necessitano proprio di temperature elevate per poter svolgere la propria produzione. Ed è in questo ambito che un'azienda come Schneider Electric, forte di una specializzazione di lungo periodo e di una offerta di prodotti estremamente variegata, può operare quale punto d'incontro tra le esigenze complementari di aziende che operano in ambiti differenti ma che sono vicine come posizione.