Le scatole del XXI secolo: i data center

Da dove vengono le informazioni che cerchiamo sul web? Dove finiscono i post che pubblichiamo sui social? E dove si trova, fisicamente, la serie tv che guardiamo in streaming? Spesso rispondiamo: “nel cloud”. Ma il cloud non è una nuvola. Internet abita in luoghi molto concreti: edifici industriali pieni di computer, cavi, trasformatori e sistemi di raffreddamento. Sono i data center, le grandi “scatole” che custodiscono i dati della società digitale.

Oggi nel mondo esistono decine di migliaia di data center, collegati tra loro da una fitta rete di dorsali in fibra ottica che attraversa città, continenti e fondali oceanici: dai piccoli impianti aziendali ai giganteschi campus che gestiscono enormi moli di dati - come il China Telecom Inner Mongolia Information Park, a Hohhot, in Cina, spesso citato come il più grande al mondo, con 994mila metri quadrati di superficie e circa 50mila server.  

All’interno di questi edifici, piccoli e grandi, si trovano i rack che accolgono i server: armadi metallici, sistemati in file ordinate, che contengono sistemi di archiviazione e dispositivi di rete. Si tratta di strutture massicce, concepite per funzionare ininterrottamente, 24 ore al giorno, 365 giorni all’anno, che pongono a chi le progetta diverse sfide tecnologiche. Ne abbiamo parlato con Mario Sicuranza, ingegnere dell’Istituto di calcolo e reti ad alte prestazioni (Icar) del Cnr.

La prima sfida è quella del raffreddamento. “Un singolo rack può dissipare una potenza termica paragonabile a quella prodotta da decine di forni elettrici in funzione contemporaneamente. Per gestire questo carico di calore, i rack vengono disposti secondo la configurazione dei corridoi caldo/freddo (hot aisle/cold aisle): l’aria raffreddata viene convogliata sul fronte delle macchine, dove viene aspirata dai server, mentre l’aria calda espulsa sul retro viene raccolta nel corridoio opposto e indirizzata verso i sistemi di climatizzazione”, spiega Sicuranza. “In molti data center l’aria fredda viene distribuita attraverso pavimenti sopraelevati tecnici, che funzionano come camere di distribuzione, mentre in altri impianti il raffreddamento arriva dall’alto, tramite condotte dedicate. In ogni caso l’obiettivo è mantenere separati i flussi d’aria calda e fredda, evitando che si mescolino”.

Quella del raffreddamento è una questione centrale per i data center. “Mediamente, la gestione termica può assorbire dal 30 al 40% dell’energia totale di un data center. Negli ultimi anni, l’aumento della densità di potenza dei processori, in particolare quelli utilizzati per l’Intelligenza Artificiale, ha spinto gli ingegneri a sviluppare tecnologie di raffreddamento più efficienti rispetto ai sistemi tradizionali ad aria. Una delle soluzioni più diffuse è il raffreddamento a liquido diretto: circuiti di fluido refrigerante scorrono all’interno di piastre metalliche ad alta conducibilità termica, le cosiddette ‘cold plate’, montate direttamente sui componenti più caldi dei server. In questo modo il calore viene rimosso direttamente alla sorgente, riducendo la quantità di energia necessaria per la climatizzazione dell’ambiente”, chiarisce il ricercatore.

La seconda sfida è l’energia necessaria a tenere i server sempre accesi. L’architettura di un data center, infatti, è progettata attorno a un principio fondamentale: la continuità operativa. Un’interruzione anche di pochi secondi potrebbe compromettere seriamente transazioni finanziarie, servizi sanitari o sistemi di comunicazione globali. “Per garantire questa continuità l’alimentazione elettrica è gestita attraverso sistemi ridondati: batterie e gruppi di continuità (UPS, Uninterruptible Power Supply) stabilizzano la tensione e mantengono in funzione i server per il tempo necessario all’avvio dei generatori elettrogeni di emergenza, che possono subentrare automaticamente in caso di interruzione della rete elettrica. Questo fa dei data center infrastrutture estremamente energivore: nei grandi impianti i server possono essere migliaia e arrivare a consumare quantità di energia paragonabili a quelle di una piccola città”, continua Sicuranza.

Ma come reperire tutta l’energia necessaria? L’Agenzia Internazionale per l’Energia stima che il consumo di elettricità dei data center nel 2030 potrebbe arrivare a 945 terawatt-ore, ovvero quasi il 3% del consumo energetico mondiale. Per questo la progettazione dei data center, soprattutto negli ultimi anni, sta virando fortemente sul concetto di sostenibilità e risparmio: costruendo i data center in regioni fredde, per usare l’aria esterna per il raffreddamento - come nel caso del data center di Ballangen, in Norvegia, a nord del Circolo Polare Artico - oppure in zone con energia rinnovabile abbondante - come nel caso del SuperNap nel deserto del Nevada, interamente coperto di pannelli solari - oppure ancora convogliando il calore prodotto per il teleriscaldamento urbano - come nel caso del Pionen Data Center di Stoccolma.

Ma se gli edifici che ospitano i dati sono progettati per durare a lungo, molto più rapida è l’obsolescenza delle macchine che contengono. “Nei grandi data center, i server vengono in genere sostituiti dopo 3-5 anni, non tanto perché smettano di funzionare, ma perché le nuove generazioni di hardware offrono prestazioni computazionali più elevate e una maggiore efficienza energetica per unità di calcolo. I data center, invece, sono progettati con un orizzonte temporale molto più lungo: l’infrastruttura fisica dell’edificio e degli impianti elettrici e di raffreddamento può rimanere operativa per vent’anni o più”, conclude l’esperto.

Dietro l’apparente leggerezza del cloud si nascondono grandi scatole fisiche, costruite per attraversare il tempo.

Fonte: Mario Sicuranza, Istituto di calcolo e reti ad alte prestazioni, mario.sicuranza@icar.cnr.it