Ricercatori in Svizzera scommettono su data center per l’IA più sostenibili 

Raffreddare i data center in modo sostenibile è la maggiore sfida per il futuro. Keystone

Il boom dell'intelligenza artificiale sta costringendo l'industria a ripensare il modo in cui vengono raffreddati i data center. Ricercatori svizzeri puntano su tecnologie che promettono di ridurre il consumo di energia e acqua. Ma migliorare il raffreddamento basta davvero a contenere l'impatto ambientale dell'IA? 

All’interno del data center del Politecnico federale di Losanna (EPFL), potenti ventilatori spingono aria fredda attraverso file di server. Un ronzio costante riempie la sala, ma Remco van Erp, cofondatore e CEO della start-up svizzera Corintis, assicura che questo impianto è relativamente silenzioso.

“Nei grandi data center bisogna indossare le cuffie antirumore”, dice. Qui non è necessario.

Secondo Van Erp, il livello di rumore più contenuto dipende dal fatto che questa struttura utilizza meno ventilazione ad alta velocità rispetto ai data center convenzionali. È proprio la ricerca di alternative ai sistemi di raffreddamento tradizionali che ha portato Corintis all’EPFL. Mentre l’intelligenza artificiale (IA) alimenta il boom mondiale dei data center, la start-up svizzera e l’università stanno collaborando per ridurre l’elettricità e l’acqua necessarie a mantenerli operativi.

“Molte persone pensano che l’IA sia praticamente un servizio gratuito con un impatto ambientale limitato. In realtà, la sua impronta ambientale è significativa”, afferma Mario Paolone, professore all’EPFL.

Secondo l’Agenzia internazionale dell’energiaCollegamento esterno, i data center rappresentano attualmente circa l’1,5% del consumo mondiale di elettricità e la loro domanda dovrebbe crescere fino a poco meno del 3% entro il 2030. Uno studio recente delle Nazioni UniteCollegamento esterno prevede inoltre che l’impronta idrica dei data center raddoppierà nello stesso periodo.

Paolone descrive un data center come una gigantesca macchina che trasforma elettricità in calore. Ogni volta che poniamo una domanda a un sistema di IA, viene consumata elettricità. Quasi tutta questa energia finisce per trasformarsi in calore, che deve essere dissipato tramite aria o, sempre più spesso, attraverso sistemi di raffreddamento a liquido.

La crescente domanda di elettricità e acqua ha alimentato l’opposizione ai data center in tutto il mondo, Svizzera compresa. Di recente, lo Stato di New York è diventato il primo negli Stati Uniti a imporre una moratoria di un annoCollegamento esterno sulla costruzione di nuovi grandi data center.

“Non possiamo fare a meno dei data center. Alimentano quasi tutti i servizi digitali che utilizziamo“, afferma Van Erp. “La vera sfida è renderli molto più efficienti”.

I ricercatori dell’EPFL e di Corintis ritengono che ridurre il fabbisogno di energia e acqua significhi partire da uno dei componenti più piccoli ma anche più caldi di un data center: i chip. Il loro obiettivo è raffreddare i processori in modo più efficiente e poi riutilizzare il calore residuo per riscaldare edifici o produrre elettricità.

>> Mario Paolone (EPFL) e Remco van Erp (Corintis) spiegano come stanno cercando di rendere i data center più sostenibili:

Tutto parte dai chip

Per decenni, il metodo standard per evitare il surriscaldamento dei processori è stato spingere enormi volumi di aria fredda attraverso i server. Oggi però i server dedicati all’IA concentrano una potenza di calcolo senza precedenti in rack sempre più densi, generando molto più calore rispetto ai sistemi tradizionali.

Dal momento che l’acqua trasferisce il calore molto più efficacemente dell’aria, il settore sta progressivamente passando al raffreddamento a liquido.

Van Erp segue questa evoluzione da circa dieci anni.

“Di fatto ero un idraulico che lavorava con i progettisti di chip”, racconta. “Man mano che i chip diventavano sempre più potenti, cercavo di capire quali fossero i limiti al loro raffreddamento”.

“Ogni chip è come un paesaggio urbano unico”. Remco van Erp, co-fondatore e CEO di Corintis, sta cercando di rendere più efficiente il raffreddamento diretto di ogni singolo chip. EPFL

Uno di questi limiti, spiega, è l’approccio a “taglia unica”.

“Ogni chip è come un paesaggio urbano unico”, spiega. Alcune zone si scaldano molto più di altre, a seconda dell’architettura del processore e del carico di lavoro. Invece di utilizzare gli stessi canali di raffreddamento per tutti i processori, Corintis progetta sistemi che seguono l'”impronta termica” specifica di ciascun chip. Secondo van Erp, questo può ridurre di circa il 20% l’elettricità necessaria ai chiller, cioè agli impianti di refrigerazione, per il raffreddamento.

La start-up, fondata a Losanna nel 2022, sta testando la propria tecnologia all’EPFL e con alcune delle maggiori aziende tecnologiche al mondo. Microsoft è l’unico partner reso pubblico.

Van Erp afferma che Corintis aumenterà la produzione fino a un milione di piastre di raffreddamento all’anno e prevede implementazioni su larga scala a partire dal 2027. Sostiene inoltre che la soluzione dell’azienda costa meno dell’1% del prezzo di un chip di IA di ultima generazione.

>> Cinque grafici mostrano perché i data center sono così controversi, anche in Svizzera:

Trasformare il calore di scarto in una risorsa

Raffreddare i chip, che possono raggiungere una temperatura fino ai 100 °C, è solo il primo passo. Quello successivo è capire come rimuovere il calore dal data center.

Nei data center odierni raffreddati a liquido, l’acqua circola generalmente in circuiti chiusi a una temperatura compresa tra i 20 e i 30 °C. Il calore raccolto all’interno dei server deve poi essere eliminato dall’edificio. In molti data center viene trasferito, attraverso scambiatori di calore, a torri evaporative. Qui una seconda corrente d’acqua, diversa da quella che circola nei server, evapora per disperdere il calore nell’atmosfera.

Come l’EPFL raffredda il suo data center? 

Il sistema di raffreddamento dell’EPFL utilizza diversi circuiti interconnessi.

L’acqua pompata dal Lago di Ginevra alimenta la rete di raffreddamento del campus. Non entra mai in contatto con i server: scambia invece calore con il sistema di raffreddamento del data center attraverso degli scambiatori di calore. L’acqua viene poi scaricata nel torrente Sorge, che confluisce nuovamente nel lago. La sua portata e la sua temperatura sono monitorate in continuo attraverso un portale online accessibile al pubblicoCollegamento esterno.

All’interno del data center, acqua o altri fluidi refrigeranti circolano in circuiti chiusi, assorbendo il calore dei chip prima di tornare a ripetere il ciclo. In condizioni operative normali, questi fluidi non vengono né consumati né scaricati, spiega Xavier Ouvrard, specialista dei sistemi IT presso il centro di ricerca EcoCloud dell’EPFL.

Poiché il raffreddamento evaporativo richiede grandi quantità d’acqua, il settore si sta orientando verso temperature di raffreddamento più elevate (intorno ai 45 °C). Questo consente di sfruttare meglio il raffreddamento a secco, che utilizza l’aria dell’ambiente esterno per raffreddare i fluidi.

Ma Paolone e van Erp vogliono andare oltre. “Controlliamo deliberatamente il raffreddamento diretto dei chip per estrarre calore a circa 70-75 gradi”, spiega Paolone. Una temperatura più elevata rende infatti il calore più facile da riutilizzare o convertire.

“Molte persone pensano che l’IA sia praticamente un servizio gratuito con un impatto ambientale limitato. In realtà, la sua impronta ambientale è significativa”, afferma Mario Paolone, professore all’EPFL. EPFL / Alain Herzog

Raffreddare un processore con acqua calda può sembrare controintuitivo. Ma, secondo van Erp, più efficacemente il calore viene trasferito lontano dal chip, più elevata può essere la temperatura del liquido di raffreddamento.

Invece di essere disperso nell’atmosfera come uno scarto, quel calore può essere riutilizzato. È questa l’idea alla base di Heating Bits, un progetto dell’EPFL guidato da Paolone che sperimenta metodi per ridurre l’impronta di carbonio dei data center, mentre i server continuano a svolgere reali attività di calcolo per i ricercatori e le ricercatrici del campus.

Durante l’inverno, il calore recuperato alimenta la rete di teleriscaldamento dell’EPFL. In estate, quando la domanda di riscaldamento diminuisce, una parte di quel calore viene riconvertita in elettricità grazie a una tecnologia dedicata, il ciclo Rankine organico (Organic Rankine Cycle).

>> Ecco come il boom dell’IA rischia di mettere sotto pressione le riserve idriche della Svizzera:

Il raffreddamento a liquido: inevitabile ma non sufficiente

Le tecnologie sviluppate all’EPFL sembrano promettenti. Ma possono essere adottate su larga scala e ridurre in modo significativo l’impronta ambientale globale dei data center dell’IA?

Jonathan Koomey, ricercatore indipendente statunitense che studia da decenni il consumo energetico dei data center, concorda sul fatto che il raffreddamento a liquido sta diventando inevitabile. “Quando si raggiungono le densità di potenza degli attuali sistemi di IA, l’aria non è più sufficiente a trasferire il calore”, afferma.

Koomey avverte però che il raffreddamento dei chip rappresenta solo metà dell’equazione. Un data center può adottare sistemi a liquido molto efficienti all’interno dei server e continuare comunque a utilizzare impianti di raffreddamento dell’edificio ad alto consumo d’acqua.

Di conseguenza, il consumo idrico varia enormemente da un data center all’altro. Koomey cita una recente rassegna scientificaCollegamento esterno secondo cui il consumo annuo d’acqua può variare fino a 10’000 volte, a seconda della progettazione dell’impianto, della sua ubicazione, del carico di lavoro e delle condizioni operative. “È un ambito complesso, con molti compromessi da considerare”, osserva.

Alla stessa conclusione giunge Shaolei Ren, professore all’Università della California a Riverside. Il raffreddamento diretto dei chip può ridurre il fabbisogno di energia e acqua, afferma, ma solo se l’intero data center è progettato per gestire il calore in modo efficiente. “Non è corretto affermare che il solo raffreddamento diretto dei chip riduca necessariamente il consumo di energia e acqua”, sostiene.

Koomey mette inoltre in guardia da un altro problema che potrebbe annullare questi guadagni di efficienza. Le aziende che sviluppano IA continuano infatti a reinvestire in modelli sempre più potenti e in maggiori capacità di calcolo a costi inferiori, alimentando così la domanda di servizi di intelligenza artificiale.

“Stiamo assistendo a un aumento enorme della domanda di servizi di calcolo per l’IA, che supera i benefici ottenuti in termini di efficienza energetica”, afferma. “Possiamo continuare così? Nessuno lo sa”, dice.

Anche se ogni data center diventasse più efficiente, nessuna tecnologia può controllare la velocità con cui crescerà la domanda di capacità di calcolo per l’IA.

“Dobbiamo porci una domanda fondamentale”, conclude Paolone. “Possiamo permetterci l’attuale crescita dell’IA e dei data center nel pieno della transizione energetica?”.

A cura di Gabe Bullard/vm