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Aug 08, 2023

Monofase contro bifase

Con il continuo aumento della potenza di progettazione termica (TDP) dei chip, i metodi tradizionali di raffreddamento ad aria faticano a soddisfare i requisiti di raffreddamento dei moderni data center su vasta scala. Di conseguenza,

Con il continuo aumento della potenza di progettazione termica (TDP) dei chip, i metodi tradizionali di raffreddamento ad aria faticano a soddisfare i requisiti di raffreddamento dei moderni data center su vasta scala.

Di conseguenza, il raffreddamento a liquido è emerso come una soluzione promettente data l’elevata capacità termica specifica dei liquidi.

Il raffreddamento a liquido può essere classificato in due tipologie principali: raffreddamento a liquido monofase e raffreddamento a liquido bifase. La distinzione tra questi due sta nel fatto se si verifica un cambiamento di fase durante il processo di raffreddamento.

Il raffreddamento a due fasi, pur offrendo una maggiore capacità di raffreddamento, presenta anche diverse sfide, come costi più elevati e preoccupazioni normative.

I refrigeranti bifase sono comunemente utilizzati sia nel raffreddamento per immersione, in cui l'intero componente elettronico è immerso nel refrigerante, sia nel raffreddamento diretto sul chip, in cui il refrigerante viene portato a diretto contatto con il chip.

Nel raffreddamento a piastra fredda monofase, viene utilizzato un refrigerante come acqua glicole, che viene fatto circolare all'interno della piastra fredda tramite unità di distribuzione del refrigerante (CDU).

Il liquido di raffreddamento assorbe il calore attraverso la convezione mentre passa sopra le fonti di calore (ad esempio, GPU). D'altra parte, le piastre fredde o gli evaporatori bifase utilizzano refrigeranti dielettrici con basse temperature di ebollizione. Nel raffreddamento a due fasi, l'assorbimento del calore avviene principalmente attraverso il calore latente durante il cambio di fase del refrigerante.

A differenza del raffreddamento monofase, le piastre fredde bifase non si affidano a pompe e CDU per la circolazione ma utilizzano invece l'autoregolazione a temperatura controllata, con conseguente manutenzione più semplice grazie all'assenza di componenti mobili.

Inoltre, la maggior parte dei refrigeranti bifase non sono corrosivi, consentendo una gamma più ampia di scelta dei materiali per il collettore a rack e l'alloggiamento della piastra fredda e riducendo i requisiti di manutenzione.

Tuttavia, è importante notare che alcuni refrigeranti bifase contengono componenti organici di fluoro, il che solleva preoccupazioni sul loro potenziale di riscaldamento globale e sull’impatto ambientale.

L’interruzione della produzione di alcune sostanze polifluoroalchiliche (PFAS) da parte di aziende come 3M entro la fine del 2025 avrà implicazioni sia per le piastre fredde a due fasi che per il raffreddamento a immersione a due fasi.

Nel caso delle piastre fredde monofase, la caduta di pressione è un parametro critico. La CDU pompa il refrigerante attraverso collettori e disconnessioni rapide e una caduta di pressione irregolare può portare a portate variabili tra le diverse piastre fredde, con conseguente raffreddamento irregolare.

Mentre in teoria la portata può essere controllata manualmente per ottenere una capacità di raffreddamento infinita, in pratica il refrigerante viene generalmente pompato a una temperatura vicina al punto di ebollizione, rendendo necessario l'uso di circa il 20% della velocità massima di pompaggio per prevenire la cavitazione.

Ciò impone ostacoli pratici all’adozione, poiché il raggiungimento di elevate capacità di raffreddamento richiederebbe un volume significativo di acqua, come 2,5 litri al minuto per una piastra fredda con una capacità di raffreddamento di 1000 W.

Maggiori dettagli sulle piastre fredde monofase e bifase, insieme alle considerazioni sui materiali per CDU e collettori, sono disponibili nell'ultimo rapporto di ricerca di IDTechEx Thermal Management for Data Centers 2023-2043.

Il raffreddamento a immersione è noto per la sua elevata efficienza di raffreddamento, offrendo una bassa efficacia di utilizzo parziale della potenza (pPUE) pari a 1,01, che è il più basso tra tutti gli approcci di raffreddamento del data center.

Tuttavia, a causa delle normative PFAS e delle preoccupazioni ambientali, esiste una tendenza verso la transizione al raffreddamento ad immersione monofase e all’utilizzo di refrigeranti privi di PFAS e a basso contenuto di fluoro.

Queste transizioni, sebbene promettenti, comportano costi elevati e complessità operative. Inoltre, garantire la compatibilità tra il liquido di raffreddamento e i server rimane una sfida continua.

Tuttavia, ci sono state collaborazioni degne di nota tra fornitori di sistemi di raffreddamento a immersione e fornitori di server. Le principali aziende hanno avviato progetti pilota, indicando un crescente interesse e investimenti nella tecnologia di raffreddamento a immersione.