Per oltre vent’anni il raffreddamento dei data center è stato considerato un’infrastruttura di supporto, indispensabile ma sostanzialmente stabile dal punto di vista tecnologico. L’evoluzione dei server x86, l’aumento della virtualizzazione e il consolidamento dei carichi di lavoro avevano certamente imposto continui miglioramenti nell’efficienza degli impianti HVAC (Heating, Ventilation and Air Conditioning), senza però modificare il paradigma dominante: il calore prodotto dai server veniva rimosso mediante grandi volumi d’aria movimentati da ventilatori e impianti di condizionamento.

L’esplosione dell’AI generativa ha completamente cambiato questo scenario.

L’adozione su larga scala di acceleratori come le GPU dedicate all’addestramento e all’inferenza dei modelli linguistici ha moltiplicato la quantità di energia concentrata all’interno dei rack. Se fino a pochi anni fa un rack enterprise difficilmente superava i 10-15 kW, oggi le infrastrutture dedicate all’AI lavorano comunemente tra 80 e 150 kW per rack, mentre le configurazioni di nuova generazione iniziano già a superare i 250 kW. Alcuni produttori stanno progettando architetture capaci di raggiungere nei prossimi anni densità fino a 1 MW per rack.

Non si tratta semplicemente di un incremento dei consumi elettrici. Il problema principale è che quasi tutta l’energia assorbita dai processori viene trasformata in calore che deve essere rimosso in modo continuo, uniforme e affidabile. In caso contrario le prestazioni decadono rapidamente a causa dei meccanismi di “thermal throttling” oppure, nei casi peggiori, si rischiano guasti ai componenti. Di conseguenza, il raffreddamento è diventato uno degli elementi che determinano direttamente la capacità computazionale di un data center. Secondo l’analisi pubblicata dalla International Energy Agency, il consumo elettrico mondiale dei data center è destinato a crescere significativamente entro la fine del decennio, trainato soprattutto dalle applicazioni AI e una parte rilevante di questa energia sarà destinata non ai server ma ai sistemi necessari per mantenerli entro temperature operative accettabili.

Perché l’aria non basta più

Il raffreddamento ad aria continua a rappresentare la tecnologia dominante nella maggior parte dei data center tradizionali. Il principio è relativamente semplice: l’aria fredda viene distribuita davanti ai rack attraverso pavimenti flottanti o sistemi di contenimento delle corsie fredde. I ventilatori installati nei server aspirano l’aria, facendole attraversare i dissipatori montati su CPU, GPU e memorie e infine espellono l’aria calda nella corsia posteriore, dalla quale viene trasferita ai gruppi frigoriferi.

Questo modello ha funzionato efficacemente finché la densità termica è rimasta relativamente contenuta.

Le nuove GPU dedicate all’AI hanno però cambiato radicalmente le condizioni operative. Le ultime generazioni di acceleratori possono raggiungere consumi superiori ai 700 watt per singolo chip, mentre le roadmap dei principali produttori indicano un ulteriore incremento oltre i 1000 watt nei prossimi anni. Quando all’interno dello stesso server vengono installate otto o più GPU, la quantità di calore concentrata in pochi decimetri quadrati diventa enorme.

In queste condizioni l’aria presenta un limite fisico fondamentale: possiede una capacità termica relativamente bassa. Per rimuovere quantità crescenti di calore occorre quindi aumentare enormemente la portata d’aria, con conseguente incremento della velocità dei ventilatori, del rumore, dei consumi elettrici e della complessità degli impianti.

Si genera inoltre un effetto collaterale spesso sottovalutato. Maggiore è la velocità dell’aria, più difficile diventa mantenere una distribuzione uniforme della temperatura tra i diversi server del rack. Possono così crearsi hotspot locali che compromettono l’affidabilità dell’intero sistema. Per questo motivo molti hyperscaler e costruttori di infrastrutture stanno progressivamente limitando l’impiego del solo air cooling per le configurazioni AI più dense.

Dal raffreddamento ad aria al liquid cooling

Il principio alla base del liquid cooling è noto da molti decenni: i liquidi trasportano il calore in maniera molto più efficiente dell’aria. L’acqua possiede una capacità termica circa 3.500 volte superiore rispetto all’aria a parità di volume, consentendo di trasferire enormi quantità di energia utilizzando portate decisamente inferiori. Nei data center questo vantaggio si traduce in una drastica riduzione dell’energia necessaria per movimentare il fluido refrigerante e in una maggiore capacità di raffreddare componenti ad altissima densità. Il settore distingue oggi tre principali architetture.

La prima è rappresentata dal cosiddetto direct-to-chip liquid cooling, destinato a diventare la soluzione prevalente per i cluster AI. In questa configurazione speciali piastre metalliche attraversate dal liquido refrigerante vengono installate direttamente sopra CPU e GPU. Il calore viene trasferito quasi immediatamente dal processore al liquido senza passare attraverso grandi volumi d’aria. 

L’aria continua comunque a essere utilizzata per raffreddare componenti secondari come memorie, alimentatori, SSD e schede di rete, creando così sistemi di raffreddamento ibridi. Questa soluzione permette già oggi di dissipare oltre il 70-80% del calore prodotto dal server direttamente tramite circuito liquido, riducendo sensibilmente il lavoro richiesto ai ventilatori.

Parallelamente si stanno diffondendo le cosiddette CDU (Coolant Distribution Unit), unità dedicate alla distribuzione e al controllo del fluido refrigerante verso ciascun rack. Le CDU regolano pressione, temperatura e portata del liquido, garantendo condizioni operative ottimali e separando il circuito interno dei server dall’impianto principale del data center.

Un ulteriore elemento di evoluzione riguarda la temperatura stessa dell’acqua. Diversamente da quanto si potrebbe immaginare, molti sistemi moderni utilizzano acqua relativamente calda, spesso compresa tra 30 e 40 °C. Questo approccio, noto come warm water cooling, permette in numerosi casi di eliminare completamente i gruppi frigoriferi tradizionali sfruttando il free cooling e riducendo drasticamente i consumi energetici.

L’immersion cooling rappresenta la frontiera più avanzata

Se il direct-to-chip liquid cooling sta rapidamente diventando la soluzione di riferimento per i nuovi cluster AI, esiste una tecnologia ancora più radicale che promette di superare ulteriormente i limiti dell’air cooling: l’immersion cooling.

In questo modello i server vengono completamente immersi in un fluido dielettrico, cioè elettricamente non conduttivo, capace di assorbire il calore direttamente da tutti i componenti elettronici. L’assenza di conducibilità elettrica elimina il rischio di cortocircuiti, consentendo al liquido di entrare in contatto con schede elettroniche, processori, memorie e dispositivi di storage.

Le architetture oggi disponibili sono principalmente di due tipi. Nei sistemi a immersione monofase il liquido rimane sempre allo stato liquido e viene continuamente pompato verso uno scambiatore di calore. Nei sistemi bifase, invece, il fluido evapora quando entra in contatto con i componenti più caldi, sottraendo rapidamente energia termica. Il vapore viene successivamente condensato e reimmesso nel circuito.

L’immersion cooling elimina quasi completamente la necessità di ventilatori interni ai server, riducendo consumi elettrici, rumorosità e parti meccaniche soggette a usura. Inoltre garantisce un raffreddamento estremamente uniforme, evitando la formazione di hotspot che rappresentano uno dei principali problemi dei rack ad altissima densità.

Nonostante questi vantaggi, la tecnologia rimane oggi confinata a casi d’uso specifici. Le principali criticità riguardano la compatibilità con l’hardware tradizionale, la manutenzione dei server immersi nel liquido, la standardizzazione delle piattaforme e la necessità di ripensare completamente l’organizzazione del data center. Per questi motivi il direct-to-chip viene generalmente considerato il compromesso più equilibrato tra efficienza, costi e semplicità operativa.

Il retrofit dei data center diventa una sfida strategica

Uno degli aspetti meno visibili della rivoluzione in corso riguarda il patrimonio esistente di data center. La maggior parte delle infrastrutture oggi operative è stata progettata in un periodo in cui rack da 10-20 kW rappresentavano già configurazioni particolarmente impegnative. Installare pochi rack AI ad alta densità all’interno di una sala esistente può compromettere gli equilibri termici dell’intero ambiente. Non è sufficiente sostituire i server: occorre verificare la disponibilità di potenza elettrica, la capacità dei gruppi di continuità, dei sistemi di distribuzione, degli impianti frigoriferi e perfino della struttura edilizia, che deve sostenere pesi molto superiori rispetto ai rack tradizionali.

Per questo motivo numerosi operatori stanno affrontando complessi progetti di retrofit. Le sale vengono riconfigurate introducendo corridoi completamente contenuti, “rear-door heat exchanger” installati direttamente sul retro dei rack, sistemi di distribuzione del liquido e nuove CDU integrate nell’infrastruttura. In molti casi il risultato finale è costituito da data center ibridi, nei quali convivono rack tradizionali raffreddati ad aria e nuovi cluster AI raffreddati a liquido. Questa fase di transizione richiederà diversi anni e rappresenterà uno dei principali mercati per costruttori di infrastrutture, integratori di sistemi e società specializzate nella progettazione di impianti mission critical.

Oltre il PUE arriva il WUE

Per molti anni il parametro di riferimento nella valutazione dell’efficienza di un data center è stato il PUE (Power Usage Effectiveness), introdotto da The Green Grid. Il PUE misura il rapporto tra l’energia complessivamente assorbita dal data center e quella effettivamente utilizzata dai sistemi IT. Un valore pari a 1 rappresenterebbe la situazione teoricamente ideale nella quale tutta l’energia alimenta esclusivamente server, storage e apparati di rete senza alcuna perdita negli impianti ausiliari. Negli ultimi anni i principali hyperscaler hanno progressivamente ridotto il proprio PUE fino a valori prossimi a 1,1 dimostrando come l’efficienza degli impianti possa migliorare sensibilmente attraverso una progettazione integrata.

Con la diffusione del liquid cooling, tuttavia, il PUE non è più sufficiente per descrivere le prestazioni complessive di una struttura. Sta acquisendo crescente importanza il WUE (Water Usage Effectiveness), indicatore che misura il consumo di acqua necessario per il funzionamento del data center. Alcune tecnologie evaporative consentono infatti di ottenere eccellenti prestazioni energetiche ma richiedono notevoli quantità di acqua, elemento sempre più critico in molte aree del mondo. 

Accanto al WUE stanno emergendo ulteriori indicatori relativi alle emissioni di carbonio, alla possibilità di recuperare il calore prodotto dai server e all’integrazione con fonti di energia rinnovabile. L’obiettivo non consiste più semplicemente nel raffreddare meglio i server ma nell’ottimizzare l’intero ciclo energetico dell’infrastruttura.

Le AI factory cambiano il concetto stesso di data center

La crescente diffusione delle cosiddette AI factory sta imponendo una revisione completa dei criteri progettuali. Queste infrastrutture non sono semplicemente data center più grandi, ma impianti ottimizzati per l’addestramento e l’esecuzione di modelli di intelligenza artificiale su migliaia di GPU collegate da reti ad altissima velocità.

L’elemento critico diventa la densità di potenza. Se in passato l’obiettivo consisteva nel distribuire uniformemente il carico termico all’interno della sala, oggi occorre concentrare enormi quantità di capacità elaborativa in spazi relativamente ridotti mantenendo temperature perfettamente controllate.

Di conseguenza il sistema di raffreddamento non viene più progettato come componente separato rispetto all’infrastruttura IT, ma come parte integrante dell’architettura complessiva. Server, rack, distribuzione elettrica, rete, impianti idraulici e software di gestione vengono sviluppati congiuntamente per massimizzare densità, affidabilità ed efficienza.

Secondo numerosi analisti, proprio il cooling rappresenterà uno dei principali fattori differenzianti nella competizione tra i grandi operatori cloud e tra i costruttori di infrastrutture AI. La disponibilità di energia elettrica resta naturalmente un elemento determinante, ma la capacità di rimuovere in modo efficiente il calore prodotto dai nuovi acceleratori sta diventando il vero limite fisico all’espansione della potenza di calcolo. Per questo motivo il mercato del raffreddamento dei data center sta attraversando una delle trasformazioni più profonde della propria storia. Tecnologie considerate fino a pochi anni fa specialistiche stanno entrando rapidamente nelle roadmap dei principali costruttori, mentre la progettazione delle future infrastrutture digitali si orienta verso modelli nei quali energia, calcolo e raffreddamento costituiscono un unico sistema integrato.

Il recupero del calore diventa una risorsa

Il calore prodotto dai data center è stato tradizionalmente considerato uno scarto inevitabile. Oggi questa visione sta cambiando. L’utilizzo di circuiti a liquido relativamente caldi rende infatti possibile recuperare parte dell’energia termica prodotta dai server e destinarla ad altri utilizzi. In diversi Paesi europei il calore proveniente dai data center viene già impiegato per alimentare reti di teleriscaldamento, edifici residenziali, uffici, serre agricole e impianti industriali. Quanto più elevata è la temperatura del liquido in uscita dai server, tanto maggiore risulta la possibilità di riutilizzare direttamente questa energia riducendo la necessità di ulteriori sistemi di riscaldamento. Il raffreddamento non rappresenta quindi soltanto un centro di costo ma può trasformarsi in un elemento dell’economia circolare e contribuire al miglioramento della sostenibilità complessiva delle infrastrutture digitali.