I data center sono infrastrutture progettate per ospitare, alimentare, raffreddare e proteggere sistemi informatici destinati all’elaborazione e alla conservazione di grandi quantità di dati. Al loro interno si trovano principalmente server, sistemi di archiviazione, apparati di rete e numerosi dispositivi necessari a garantire il funzionamento continuo delle apparecchiature.
Un data center non è quindi un insieme di computer, ma un ambiente tecnologico complesso nel quale si devono mantenere condizioni controllate di temperatura, umidità, alimentazione elettrica e sicurezza. La continuità operativa è essenziale per molti servizi digitali, dalle piattaforme web ai servizi bancari, dalle telecomunicazioni al cloud computing.
La crescente diffusione del cloud computing, dei servizi digitali e dell’intelligenza artificiale sta aumentando la quantità di dati da elaborare e, quindi, la domanda di infrastrutture per il calcolo. Questo rende particolarmente importante il problema dell’energia necessaria per alimentare e raffreddare i data center e della loro efficienza complessiva.
Che cos’è un data center
Un data center, o centro di elaborazione dati (CED), è un’infrastruttura progettata per ospitare e gestire sistemi informatici, reti di comunicazione e grandi quantità di dati. L’organizzazione di un data center può essere descritta attraverso tre componenti principali: calcolo, archiviazione e connettività.
La componente di calcolo (compute) comprende i server, generalmente installati in rack o, in alcune configurazioni, in sistemi blade. I server utilizzano processori (CPU) per eseguire le operazioni richieste dalle applicazioni e possono integrare unità di elaborazione grafica (GPU), particolarmente importanti per i carichi di lavoro legati all’intelligenza artificiale, all’analisi dei dati e ad altre applicazioni ad elevata intensità di calcolo.
La componente di archiviazione (storage) comprende i sistemi destinati alla conservazione dei dati. Tra le tecnologie utilizzate vi sono le SAN (Storage Area Network) e i sistemi NAS (Network Attached Storage), che permettono di rendere disponibili grandi quantità di dati ai server e agli utenti autorizzati.
La componente di rete (networking) comprende switch, router, firewall e altri apparati che permettono lo scambio dei dati all’interno del data center e il collegamento con reti esterne. Le connessioni in fibra ottica consentono di raggiungere elevate capacità di trasmissione e basse latenze.
Queste componenti devono funzionare in modo coordinato, mentre una complessa infrastruttura di alimentazione, raffreddamento, sicurezza e monitoraggio ne garantisce la continuità operativa.
Resilienza e continuità operativa
Un data center deve essere progettato per mantenere i propri servizi anche quando si verifica un guasto a uno dei suoi componenti. Per questo sono utilizzate architetture ridondanti, nelle quali le apparecchiature o gli impianti più importanti dispongono di sistemi alternativi.
Tra le configurazioni utilizzate vi sono quelle indicate come N+1 e 2N. Nel primo caso, oltre al numero di componenti necessario al normale funzionamento, è presente almeno un’unità aggiuntiva. Nel secondo caso l’infrastruttura dispone di due sistemi indipendenti capaci, in determinate configurazioni, di sostenere autonomamente il carico.
La disponibilità e la ridondanza delle infrastrutture possono essere descritte anche attraverso la classificazione Tier I-IV dell’Uptime Institute, che considera diversi livelli di capacità e ridondanza dell’infrastruttura.
Alimentazione elettrica
La continuità dell’alimentazione è essenziale perché un’interruzione della corrente può provocare il fermo dei server e dei servizi. I data center utilizzano quindi sistemi di alimentazione ridondanti e gruppi di continuità, (UPS Uninterruptible Power Supply) che forniscono energia senza interruzioni durante un guasto della rete elettrica e permettono di mantenere operative le apparecchiature durante il passaggio a una fonte alternativa.
I generatori elettrici di emergenza, spesso alimentati a gasolio o a gas, possono successivamente fornire energia per periodi prolungati, in funzione della loro configurazione e delle riserve di combustibile disponibili.
Raffreddamento e gestione del calore
I server trasformano in gran parte l’energia elettrica assorbita in calore, che si deve continuamente rimuovere per mantenere le apparecchiature entro condizioni operative adeguate.
circuiti di raffreddamento
La gestione termica può prevedere la separazione dei corridoi freddi e caldi, che facilita la circolazione dell’aria e limita il mescolamento tra aria calda e aria raffreddata. Nei sistemi tradizionali sono utilizzati impianti di climatizzazione e refrigerazione, mentre nei data center caratterizzati da elevate densità di potenza stanno assumendo crescente importanza le tecnologie di raffreddamento a liquido.
Sicurezza fisica e informatica
La protezione di un data center comprende sia la sicurezza fisica sia quella informatica. L’accesso ai locali può essere controllato attraverso sistemi di autenticazione, badge elettronici, biometria e videosorveglianza, mentre si possono adottare particolari misure per proteggere l’edificio da intrusioni o eventi accidentali.
Anche la protezione dagli incendi è fondamentale. I data center possono utilizzare sistemi di rilevazione molto sensibili e, nelle aree in cui sono presenti apparecchiature elettroniche, sistemi di spegnimento progettati per limitare i danni alle apparecchiature.
Sul piano informatico si impiegano firewall, sistemi di rilevamento delle intrusioni, sistemi di autenticazione e altre tecnologie per proteggere dati e infrastrutture da accessi non autorizzati e attacchi informatici.
Organizzazione interna di un data center
L’organizzazione di un data center moderno segue criteri di modularità, scalabilità, efficienza energetica e separazione delle funzioni. Non si tratta di una sala che ospita computer, ma di un’infrastruttura complessa nella quale sistemi informatici, alimentazione elettrica, raffreddamento, connettività e sicurezza devono operare in modo coordinato.
La struttura comprende aree funzionali, progettate in relazione alle caratteristiche dell’impianto e alla potenza di calcolo richiesta.
Il data hall e la disposizione dei rack
Il cuore del data center è il data hall, la sala in cui sono installati i server e gli apparati informatici. Le apparecchiature sono generalmente collocate all’interno di rack, armadi standardizzati che facilitano l’organizzazione dei sistemi, dei collegamenti e dell’alimentazione.
Un formato molto diffuso prevede rack larghi 19 pollici, mentre l’altezza delle apparecchiature è espressa in unità rack (U). Un rack da 42 U può ospitare apparecchiature la cui altezza complessiva corrisponde a 42 unità.
La disposizione dei rack è studiata anche in funzione della gestione del flusso d’aria. Una configurazione utilizzata alterna corridoi freddi e corridoi caldi: i server aspirano l’aria dal lato anteriore e la espellono posteriormente, permettendo di separare i flussi di aria relativamente fredda e di aria riscaldata.
Corridoio di confinamento dell’aria in un data center
In alcune strutture i corridoi sono ulteriormente isolati mediante sistemi di contenimento del corridoio freddo o caldo. Nel contenimento del corridoio freddo, l’aria destinata ai server è confinata nella zona di aspirazione; nel contenimento del corridoio caldo, invece, è confinata l’aria calda espulsa dai server. La separazione dei flussi limita il loro mescolamento e può migliorare l’efficienza del sistema di raffreddamento.
Si può distribuire l’aria raffreddata attraverso un pavimento sopraelevato, che crea un’intercapedine utilizzabile come plenum, oppure mediante sistemi di distribuzione collocati direttamente sopra o all’interno della sala.
La distribuzione dell’energia elettrica
L’alimentazione dei server richiede una complessa infrastruttura elettrica. L’energia proveniente dalla rete è trasformata e distribuita attraverso diversi livelli prima di raggiungere le apparecchiature informatiche.
Tra gli elementi principali possono essere presenti cabine elettriche, trasformatori, quadri di distribuzione, UPS, generatori e sistemi di distribuzione verso i rack.
Gli UPS garantiscono la continuità dell’alimentazione in caso di anomalie o interruzioni della rete. Possono utilizzare batterie come le batteria a ioni litio, oppure altre tecnologie di accumulo.
I generatori di emergenza forniscono energia per periodi più prolungati quando l’alimentazione ordinaria non è disponibile. La loro capacità e autonomia dipendono dalla progettazione dell’impianto e dalle riserve di combustibile.
All’interno delle sale si possono utilizzate PDU (Power Distribution Units) per distribuire l’energia ai singoli apparati. Le PDU intelligenti permettono inoltre di monitorare parametri come potenza e corrente assorbita, fornendo informazioni utili per la gestione energetica.
In alcune strutture la distribuzione può avvenire attraverso busway, sistemi a barre conduttrici che consentono di portare l’energia lungo le file dei rack e collegarla ai punti di distribuzione.
La rete e il cablaggio
Un data center richiede una rete di comunicazione ad alta capacità per collegare server, sistemi di archiviazione e infrastrutture esterne. Il cablaggio strutturato permette di organizzare in modo ordinato i collegamenti e di facilitarne la manutenzione.
Le connessioni in fibra ottica sono particolarmente importanti per le dorsali ad alta velocità, mentre all’interno dei rack si possono utilizzare anche collegamenti in rame.
I data center di grandi dimensioni possono comprendere specifiche aree per l’interconnessione con gli operatori di telecomunicazioni. Tra queste le Meet-Me Room (MMR), nelle quali possono convergere i collegamenti provenienti da diversi operatori e reti esterne.
La distribuzione degli apparati di rete può seguire diverse architetture. Nel modello Top of Rack (ToR), per esempio, uno switch è collocato all’interno o nella parte superiore di ciascun rack e collegato ai server dello stesso armadio. In un’architettura End of Row (EoR), gli apparati di rete si possono concentrare in posizioni specifiche alla fine delle file.
Sicurezza, monitoraggio e controllo ambientale
La sicurezza di un data center comprende la protezione dell’edificio, apparecchiature e dati. Il controllo degli accessi può prevedere badge, sistemi biometrici, videosorveglianza e varchi progettati per impedire l’ingresso non autorizzato.
Particolare attenzione è dedicata anche alla protezione antincendio, con sistemi di rilevazione e, in determinate aree, tecnologie di spegnimento specifiche per ambienti contenenti apparecchiature elettroniche.
Il funzionamento dell’infrastruttura è inoltre monitorato attraverso sistemi di Data Center Infrastructure Management (DCIM). Sensori distribuiti nella struttura possono rilevare temperatura, umidità, consumi elettrici, condizioni degli impianti di raffreddamento e altri parametri.
I dati raccolti consentono agli operatori di controllare in tempo reale le condizioni del data center e di individuare anomalie che potrebbero precedere un guasto.
Nei grandi data center possono essere presenti anche centri operativi dedicati al monitoraggio della rete e della sicurezza informatica. L’obiettivo comune è quello di mantenere elevati livelli di affidabilità, disponibilità e sicurezza dell’intera infrastruttura.
I server e l’elaborazione dei dati
I server costituiscono la componente di calcolo di un data center. Sono computer progettati per elaborare dati e fornire servizi e risorse ad altri computer, dispositivi o applicazioni attraverso una rete. A differenza di un normale computer personale, un server è generalmente progettato per garantire elevata disponibilità, affidabilità e capacità di elaborazione anche in condizioni di funzionamento continuativo.
All’interno di un server si trovano principalmente CPU (Central Processing Unit), memoria RAM, sistemi di archiviazione e interfacce di rete. La CPU esegue le istruzioni dei programmi e svolge le operazioni necessarie per elaborare i dati, mentre la memoria RAM conserva temporaneamente le informazioni e le istruzioni utilizzate durante l’elaborazione. I dati destinati alla conservazione permanente vengono invece memorizzati su dispositivi di archiviazione, generalmente SSD o, in determinati sistemi, dischi magnetici.
Nei data center dedicati a calcolo scientifico, analisi dei dati e intelligenza artificiale, i server possono essere equipaggiati anche con GPU (Graphics Processing Unit) o altri acceleratori. Questi dispositivi sono adatti a eseguire simultaneamente un numero elevato di operazioni matematiche e possono quindi accelerare specifici carichi di lavoro.
I server non operano necessariamente in modo indipendente. Si possono riunire in cluster, cioè gruppi di sistemi che collaborano per eseguire un’attività. Distribuendo il lavoro tra più macchine è possibile aumentare la capacità di elaborazione e, in determinate configurazioni, mantenere il servizio anche in caso di guasto di un singolo server.
L’elaborazione dei dati richiede un continuo scambio di informazioni tra processori, memoria, sistemi di archiviazione e rete. Pertanto la progettazione di un data center deve considerare non soltanto la potenza di calcolo dei singoli server, ma anche la larghezza di banda della rete, la velocità dello storage e la latenza delle comunicazioni.
Alimentazione elettrica e consumo energetico di un data center
Il funzionamento continuo di un data center richiede una fornitura elettrica affidabile e stabile. L’energia proveniente dalla rete è trasformata e distribuita attraverso una serie di sistemi che alimentano progressivamente le diverse apparecchiature, dai sistemi di raffreddamento agli apparati informatici.
Per questo i data center utilizzano sistemi ridondanti e UPS che intervengono immediatamente in caso di interruzione o anomalia della rete elettrica. I generatori di emergenza possono successivamente alimentare l’infrastruttura per periodi più prolungati, fino al ripristino della fornitura ordinaria.
Il consumo energetico di un data center non dipende soltanto dai server. Una parte dell’energia è utilizzata per i sistemi di raffreddamento, mentre ulteriori consumi sono associati agli apparati di rete, ai sistemi di archiviazione, all’illuminazione, alla sicurezza e alle altre infrastrutture necessarie al funzionamento della struttura.
La quantità di energia richiesta dipende quindi dalle dimensioni del data center, dalla potenza di calcolo installata, dal tipo di apparecchiature utilizzate e dall’efficienza dei sistemi ausiliari. I data center destinati a carichi di lavoro particolarmente intensivi, come l’intelligenza artificiale, possono presentare densità di potenza molto elevate e richiedere infrastrutture elettriche dimensionate di conseguenza.
Per valutare quanto efficacemente l’energia è utilizzata non è sufficiente considerare il solo consumo complessivo. È necessario mettere in relazione l’energia impiegata dall’infrastruttura con quella effettivamente destinata alle apparecchiature informatiche. A questo scopo viene utilizzato il PUE (Power Usage Effectiveness), uno dei principali indicatori dell’efficienza energetica dei data center.
Il raffreddamento dei data center
I componenti elettronici dei server trasformano gran parte dell’energia elettrica assorbita in calore. Questo calore deve essere continuamente rimosso per mantenere le apparecchiature entro condizioni operative adeguate e prevenire il surriscaldamento.
Nei sistemi tradizionali il calore viene trasferito all’aria, che viene fatta circolare nella sala server e successivamente raffreddata attraverso appositi impianti. I chiller possono utilizzare un circuito frigorifero per raffreddare un fluido che assorbe il calore attraverso scambiatori. In condizioni climatiche favorevoli può essere utilizzato il free cooling, sfruttando l’aria esterna per ridurre il ricorso alla refrigerazione meccanica.
L’aumento della densità di potenza dei server, soprattutto nei sistemi destinati all’intelligenza artificiale, sta favorendo il ricorso al raffreddamento a liquido. Nel sistema Direct-to-Chip, per esempio, un fluido circola attraverso dispositivi collocati direttamente sui componenti più caldi, come CPU e GPU, trasferendo il calore in modo più efficace dell’aria.
La scelta della tecnologia dipende dalla potenza termica da dissipare, dalle condizioni climatiche, dalla disponibilità di acqua e dall’efficienza energetica richiesta.
Data center e sostenibilità
La crescente diffusione dei servizi digitali ha aumentato la domanda di capacità di elaborazione e di archiviazione, rendendo la sostenibilità dei data center una questione sempre più rilevante. Il loro impatto ambientale dipende soprattutto dal consumo di energia, dall’impiego di acqua per il raffreddamento e dalle risorse necessarie per costruire e mantenere le infrastrutture.
L’efficienza energetica può essere migliorata attraverso server più efficienti, sistemi di raffreddamento avanzati e una gestione dinamica dei carichi di lavoro. Un indicatore utilizzato per valutare l’efficienza complessiva dell’infrastruttura è il PUE (Power Usage Effectiveness), che mette in relazione l’energia totale consumata dal data center con quella utilizzata dalle apparecchiature informatiche.
data center e sostenibilità
Un ulteriore elemento riguarda la fonte dell’energia elettrica. L’utilizzo di elettricità proveniente da fonti rinnovabili può ridurre le emissioni associate al funzionamento della struttura, anche se l’impatto complessivo dipende dal mix energetico effettivamente utilizzato e dalle modalità con cui l’energia viene prodotta e fornita.
Anche l’acqua può assumere un ruolo importante, soprattutto nei sistemi di raffreddamento che utilizzano torri evaporative. La scelta della tecnologia e delle condizioni operative può quindi influenzare il consumo idrico del data center.
Un’altra possibilità è il recupero del calore di scarto prodotto dai server. In determinate condizioni, il calore può essere trasferito a reti di teleriscaldamento o utilizzato per riscaldare edifici e altre strutture, trasformando una parte dell’energia termica normalmente dispersa in una risorsa utilizzabile.
La sostenibilità di un data center richiede quindi un approccio complessivo che consideri energia, acqua, efficienza, emissioni, materiali e gestione del calore, oltre alla durata e al riciclo delle apparecchiature.
Data center e intelligenza artificiale
La diffusione dell’intelligenza artificiale sta modificando le esigenze dei data center, perché l’addestramento e l’esecuzione di modelli complessi richiedono una notevole capacità di calcolo. Le operazioni necessarie per elaborare grandi quantità di dati vengono distribuite tra numerosi processori che possono lavorare simultaneamente.
In questo contesto assumono particolare importanza le GPU (Graphics Processing Unit), inizialmente sviluppate per l’elaborazione grafica ma oggi ampiamente utilizzate nei carichi di lavoro dell’intelligenza artificiale. La loro architettura, caratterizzata dalla presenza di un elevato numero di unità di calcolo, permette di eseguire in parallelo molte operazioni matematiche, rendendole adatte all’addestramento delle reti neurali e all’esecuzione dei modelli.
La concentrazione di numerose GPU e altri acceleratori all’interno dei server aumenta però la densità di potenza dei rack. A parità di spazio occupato, un sistema destinato all’intelligenza artificiale può quindi richiedere una quantità di energia e una capacità di dissipazione del calore significativamente maggiori rispetto a infrastrutture dedicate a carichi di lavoro tradizionali.
Questa evoluzione sta favorendo nuove soluzioni per l’alimentazione e soprattutto per il raffreddamento a liquido, che permette di trasferire efficacemente il calore direttamente dai componenti ad alta potenza.
I data center dedicati all’intelligenza artificiale devono inoltre garantire reti ad alta velocità e bassa latenza, perché l’addestramento dei modelli richiede lo scambio continuo di grandi quantità di dati tra i diversi processori.
L’espansione dell’IA rende quindi il data center un elemento sempre più importante dell’infrastruttura tecnologica necessaria per l’elaborazione dei dati.
Il futuro dei data center
Il futuro dei data center sarà caratterizzato dalla necessità di aumentare la capacità di elaborazione mantenendo sotto controllo consumi energetici, costi e impatto ambientale. La crescita dell’intelligenza artificiale e dei servizi digitali richiederà infrastrutture sempre più potenti, ma anche sistemi capaci di utilizzare le risorse in modo efficiente.
Un ruolo importante sarà svolto dall’evoluzione dei sistemi di raffreddamento, con una diffusione crescente delle tecnologie a liquido e soluzioni capaci di recuperare il calore prodotto dai server. Anche l’ottimizzazione della distribuzione dell’energia e l’impiego di apparecchiature più efficienti potranno contribuire a ridurre i consumi.
I data center potranno inoltre essere integrati maggiormente con le reti elettriche e le fonti rinnovabili, attraverso sistemi di accumulo e una gestione più flessibile dei carichi. In determinate condizioni, l’energia e il calore prodotti o recuperati dall’infrastruttura potranno essere integrati con altri sistemi energetici.
Parallelamente, automazione, sensori e sistemi di gestione basati sull’analisi dei dati potranno migliorare il controllo delle apparecchiature e individuare più rapidamente anomalie e sprechi.
L’evoluzione dei data center sarà quindi legata non soltanto alla maggiore potenza di calcolo, ma alla capacità di integrare informatica, energia, termodinamica e sostenibilità in un’unica infrastruttura.
