Più efficienza energetica e sostenibilità nei data center con le tecnologie di Texas Instruments

Il mondo è sempre più digitalizzato. In seguito all'intensificazione dell'impiego di strumenti e servizi digitali per comunicare, lavorare e studiare, il flusso globale di dati è cresciuto in modo esponenziale. Una maggiore connettività sta spingendo la domanda di servizi e di energia elettrica dei data center con conseguente incremento dei consumi energetici e crescita delle emissioni. Questo scenario rende indispensabile ripensare il modello di efficienza energetica per i data center che sono chiamati a funzionare in modo più sostenibile ed efficiente, nonché delineare nuove strategie e soluzioni. La progettazione innovativa dei semiconduttori e le avanzate tecnologie di packaging e gestione termica possono migliorare in modo significativo l'efficienza energetica dei data center. Texas Instruments, attraverso la sua esperienza nel settore del Power, allo sviluppo tecnologico interno e ai progressi nella tecnologia di processo, riveste un ruolo strategico nella ricerca e sviluppo di tecnologie alla base dell'elettronica di potenza che si rivolgono all'ottimizzazione della gestione energetica dei data center.

Il consumo energetico nei data center

Nell'era della rivoluzione digitale i centri di elaborazione dati necessitano di una maggiore potenza computazionale e memoria. Questa circostanza si traduce in un aumento del consumo di energia elettrica necessaria per il loro funzionamento. Nel 2022, il mondo ha creato e consumato quasi 100.000 miliardi di gigabyte di dati. Pensiamo ad esempio alle nostre applicazioni quotidiane, quando guardiamo un film in streaming video, utilizziamo il social networking, parliamo con il nostro assistente vocale basato sull'Intelligenza Artificiale o partecipiamo a una riunione di lavoro da casa in videoconferenza utilizzando il nostro computer. Peraltro, l'utilizzo di enormi quantità di dati è in crescita esponenziale anche in considerazione del fatto che il mondo è sempre più interconnesso ed è cresciuto significativamente anche l'utilizzo di dispositivi IoT nei più svariati contesti. Con l'avanzamento delle tecnologie dell'IoT aumenta il numero di dispositivi connessi alla rete e i servizi online quali streaming, e-commerce, internet banking, che diventano sempre più alla portata di tutti. In tutte queste situazioni stiamo spingendo grandi quantità di informazioni digitali attraverso i data center e utilizzando risorse che consumano enormi quantità di elettricità. Spesso quei dati viaggiano attraverso data center iperscalabili, ciascuno con migliaia di server.

Quanto consumano i data center?

Man mano che i server si evolvono per gestire ed elaborare l'esplosione del flusso di dati, cresce anche l'energia elettrica consumata da ciascun server, da una media di 1.500 watt per server negli anni precedenti a 3.000 watt nei server più recenti. Secondo gli analisti, l'attuale consumo energetico dei data center rappresenta almeno il 2% del consumo totale di energia elettrica degli Stati Uniti. In seguito al sempre maggiore aumento del traffico globale di dati, che è cresciuto più del 40% nel 2020, occorre puntare a un nuovo modello di efficienza energetica per i data center che, ad oggi, richiedono ben l’1% dell’elettricità mondiale. Questo è sufficiente per avere un impatto significativo sull'ambiente, il che aggiunge urgenza all'obiettivo di consentire ai centri di elaborazione dati di funzionare in modo più sostenibile e con un buon livello di efficienza del consumo d’energia (Power Usage Effectiveness, PUE). Questo parametro misura il rapporto tra la potenza utilizzata da tutte le apparecchiature IT e l’energia totale assorbita dal data center e definisce il livello di efficienza della struttura dal punto di vista energetico. Si prevede che il già elevato numero di bit di informazioni trasmesse raddoppierà entro il 2025. La questione è perciò di rilevanza mondiale. Per quanto riguarda invece lo scenario europeo, le previsioni sono tutt'altro che ottimistiche: la Commissione UE prevede che entro il 2030 i data center rappresenteranno il 3,2% della domanda totale di elettricità dell’UE. Lo scenario si complica a causa dei nuovi trend del mercato energetico globale.

L'aumento dei costi energetici ha un notevole impatto sui data center, anche in vista della loro crescente richiesta di energia. Infatti, tra i settori che sono stati maggiormente colpiti dall'aumento dei costi energetici ci sono proprio data center e provider di servizi di infrastruttura cloud. Ciò si ripercuote inevitabilmente anche sulla filiera dei fornitori di servizi che si appoggiano ad essi. I data center, come sappiamo, sono altamente energivori, non solo per l’alimentazione dei server, ma anche per il loro raffreddamento. Il loro fabbisogno energetico impone pertanto nuove sfide per ottimizzare la gestione delle risorse. E se negli ultimi anni i cloud e service provider hanno concentrato gli sforzi per migliorare l’efficienza energetica dei centri di elaborazione, in vista soprattutto degli obiettivi di riduzione delle emissioni di gas serra, ora l’incertezza legata ai costi dell’energia pone in primo piano anche l'urgenza con la quale dover agire. Il miglioramento dell'efficienza dei data center è quindi diventata una priorità assoluta. Nonostante in taluni contesti si utilizzi esclusivamente energia verde per alimentare diverse server farm, i costi hanno subìto un aumento rilevante a causa del meccanismo di determinazione del prezzo dell’energia stessa. Il meccanismo di determinazione del prezzo è tale per cui il prezzo dell’energia di tutte le fonti è determinato dal prezzo della fonte più cara. In Europa, ad esempio, i costi dell’energia sono quadruplicati a partire da aprile 2021 a ottobre 2022.

Texas Instruments: leader nelle soluzioni tecnologiche per l'efficienza energetica

In che modo e perché nasce l'esigenza di ottimizzare l’efficienza energetica dei data center? Questa è la domanda dalla quale occorre partire. Ogni nuovo progresso tecnologico richiede più potenza in spazi più piccoli. L'ingombro è infatti molto limitato nei progetti di alimentazione e gli ingegneri di sistemi elettronici devono costantemente affrontare una pressione per migliorare le prestazioni complessive e l'efficienza, utilizzando meno componenti e ingombro ridotto. Inoltre, dal punto di vista della gestione dell’alimentazione (power management) tutti i sistemi di alimentazione richiedono un elevato livello di integrazione per ottenere il giusto livello di portabilità richiesto. Altro aspetto di rilevanza è che il minor consumo energetico massimizza il tempo di funzionamento del dispositivo e riduce l'impatto ambientale dell'apparato elettronico. Texas Instruments lavora su tecnologie innovative di gestione dell'alimentazione per garantire le migliori condizioni operative e di efficienza energetica dei sistemi, riducendone anche i costi. Tutto questo grazie a un impegno costante che ha consentito a TI di comprendere i compromessi e le tecnologie per affrontare la sfida di fornire una maggiore densità di potenza nei chip di alimentazione dei server. Uno dei fattori chiave sul quale punta la tecnologia di TI è infatti proprio l'alta densità di potenza. I progettisti e i tecnici del settore del Power conoscono bene l'importanza e il valore della densità di potenza nelle moderne soluzioni di erogazione di energia. La densità di potenza può essere vista in diversi modi in funzione dell'applicazione, ma l'obiettivo rimane lo stesso, ovvero la miniaturizzazione delle dimensioni porta a miglioramenti nella densità di potenza decretando il successo del design e consentendo nuovi mercati e applicazioni. Il principale ostacolo alla densità di potenza sono le perdite di commutazione e le prestazioni termiche del sistema che limitano le capacità di progettazione di soluzioni efficienti. Pertanto, i progettisti devono risolvere in parallelo ogni fattore limitante attraverso la riduzione delle perdite di commutazione, il miglioramento delle prestazioni termiche del package, l'adozione di topologie e circuiti innovativi e l'integrazione. Le tecnologie devono essere in grado di far fronte all'aumento della richiesta di potenza, ottimizzando l'efficienza e migliorando le prestazioni termiche. Ottenere più potenza in spazi più piccoli, migliorando la funzionalità del sistema a costi ridotti è sicuramente uno dei principali obiettivi.

Non sempre però i progettisti sono riusciti ad aumentare la densità di potenza dei chip. Livelli di potenza più elevati in fattori di forma più piccoli sono ora possibili con Texas Instruments utilizzando tecnologie avanzate di processo, packaging e progettazione innovativa dei circuiti.

Il raggiungimento di densità di alimentazione più elevate e quindi una maggiore efficienza nelle unità di alimentazione dei server è un modo per ottenere operazioni più efficienti del data center. L'industria mondiale dei server richiede circuiti stampati più piccoli per adattarsi a una maggiore potenza di elaborazione in ciascun rack. Ciò significa che i componenti di alimentazione nei server devono diventare meno ingombranti e più efficienti senza produrre calore eccessivo. Altro aspetto rilevante è che l'area e l'altezza della scheda stanno diventando fattori limitanti con l'aumento della richiesta di potenza, per questo i progettisti di sistemi di alimentazione devono inserire più circuiti nelle loro applicazioni per differenziare i loro prodotti, aumentando allo stesso tempo l'efficienza e migliorando le prestazioni termiche. Texas Instruments ha assunto un ruolo guida nella produzione di prodotti di alimentazione a semiconduttori innovativi che soddisfano le richieste di prestazioni, efficienza e gestione termica delle generazioni attuali e future di data center all'avanguardia. Gli alimentatori che ne derivano aiutano a far funzionare senza problemi anche i data center più grandi con impronte più sostenibili.

Un altro aspetto peculiare dei data center è la gestione delle potenze con temperature più elevate. Poiché la quantità totale di energia è limitata in questi data center, devono sprecare meno energia possibile per il raffreddamento e le perdite dovute alle inefficienze nell'elettronica. Come detto precedentemente, la chiave per alimentatori a semiconduttori ad alte prestazioni ed efficienza energetica è raggiungere livelli sempre più elevati di densità di potenza, ovvero racchiudere più capacità di gestione dell'energia in volumi più piccoli. Ma densità di potenza più elevate accumulano anche più calore in quel volume ridotto e ciò richiede tecniche avanzate di thermal management per sostenere il livello delle prestazioni e proteggere così i componenti. Le strutture dei data center dipendono fortemente dall’energia e dalle performance del raffreddamento, perciò la ricerca e lo sviluppo di packages termicamente ottimizzati è alla base del buon funzionamento di un data center. La necessità di una maggiore densità di potenza non è però esclusiva dei data center. Anche i sistemi elettrici, dalle apparecchiature di rete e di comunicazione ai veicoli elettrici e all'elettronica personale, necessitano delle prestazioni e dell'efficienza offerte da chip di alimentazione più densi e termicamente efficienti. Con i packages termicamente efficienti di Texas Instruments è possibile produrre meno calore. I packages SOT (Small Outline Transistor) con interruttori integrati stanno ampliando i confini delle densità di potenza e delle prestazioni riducendo i costi. Progressi come questi non sarebbero ovviamente possibili senza approcci innovativi e una ricerca costante. Ci sono tre aree chiave sulle quali Texas Instruments si concentra per ottimizzare le prestazioni termiche e superare le barriere della densità di potenza a livello di chip:

maggiore efficienza a livello di tecnologia di processo
tecniche di progettazione dei circuiti
packaging termicamente ottimizzato

Le crescenti sfide di thermal management impongono la creazione di prodotti che mantengano prestazioni elevate in varie condizioni termiche. Gran parte del calore prodotto nei server è derivato da perdite di potenza dovute alla conversione dell'alimentazione CA in ingresso a 400 V in una potenza CC a 6 V o inferiore. Prodotti come il modulo di alimentazione TLVM13630 utilizzano la tecnologia del package Enhanced Hotrod™ Quad-flat No Lead (QFN) con transistor ad effetto di campo (FET) integrati che offrono velocità di commutazione elevate e resistenza inferiore per ridurre drasticamente le perdite, aumentando l'efficienza del chip e riducendo così il calore accumulato. Tuttavia, sebbene la riduzione della quantità del calore dissipato nel circuito stampato (PCB) o nel sistema sia un requisito fondamentale, la realtà è che il calore indesiderato continua a persistere, soprattutto quando i requisiti di alimentazione o la temperatura ambiente del sistema aumentano. Con la sua innovativa soluzione, TI ha migliorato le prestazioni dei suoi packages QFN (Quad Flat No Lead) HotRod per facilitare una maggiore dissipazione del calore. I packages termicamente migliorati sono perciò in grado di rimuovere efficacemente il calore dai chip.

Al fine di ridurre ulteriormente le perdite che producono calore aggiuntivo, TI sta sfruttando capacità leader del settore come l'integrazione di più componenti nei chip di alimentazione, inclusi FET e condensatori. Tale integrazione fornisce una commutazione più rapida ed efficiente con meno rumore, come con l'eFuse TPS25985 con resistenza di accensione ultra bassa, offrendo migliori prestazioni termiche raggiungendo fino a 80 A di corrente. Un’elevata efficienza ad un’alta frequenza di commutazione permette di realizzare un sistema con pochi componenti di piccole dimensioni, che rimangono a bassa temperatura anche alle potenze elevate richieste dai data center. In alcuni casi, TI ottiene una maggiore integrazione attraverso l'impilamento tridimensionale dei componenti sul chip. I packages HotRod ed Enhanced HotRod QFN utilizzano un package in stile flip-chip per collegare direttamente la superficie del chip e dei suoi connettori alla scheda del circuito, invece di fare affidamento su cavi di collegamento per ottenere segnali in entrata e in uscita. Quella connessione più diretta è altamente efficiente nel trasferire il calore dal chip alla scheda. Il design innovativo del package consente buoni percorsi termici dai dispositivi al circuito stampato. Altri approcci innovativi di Texas Instruments per rimuovere il calore includono un posizionamento più efficace del dissipatore di calore per ottenere un migliore raffreddamento della parte superiore. I FET al Nitruro di Gallio (GaN) di TI utilizzano packages raffreddati sul lato superiore, che diventeranno sempre più importanti nei sistemi di data center poiché la spinta a racchiudere più potenza di elaborazione in ciascun server porta a nuove disposizioni di componenti più dense che richiedono a loro volta più modalità per eliminare il calore. Poiché la tecnologia al GaN (Nitruro di Gallio) consente di ottenere densità di potenza sempre più elevate, questo tipo di approccio flessibile al raffreddamento diventerà sempre più importante. La tecnologia GaN offre vantaggi di progettazione che permettono di raggiungere prestazioni applicative precedentemente inimmaginabili, tra cui una bassa corrente di dispersione, riduzione delle perdite di potenza (power loss), maggiore densità di potenza, funzionamento a frequenze di commutazione più elevate, capacità di tollerare elevate temperature in dispositivi di dimensioni più piccole rispetto a quelle che si potrebbero ottenere per il silicio, ma anche affidabilità e sicurezza. La robustezza e la maggiore affidabilità si traducono in una maggiore stabilità operativa e una migliore aspettativa di vita complessiva del dispositivo. Le applicazioni del Nitruro di Gallio, oggi considerato alla base di una nuova era per l'elettronica di potenza, sono in forte espansione in tutti quei settori dove l'efficienza energetica rappresenta un fattore critico e allo stesso tempo un obiettivo da perseguire: data center, smart grip, veicoli elettrici sono sempre più dipendenti dall’energia e, grazie ai dispositivi basati sul GaN e alle loro proprietà, possono risolvere questa sfida accelerando l’espansione delle energie rinnovabili.

La riduzione dei consumi energetici è diventata una priorità sia per il business che per l’ambiente. In linea con la richiesta di mitigare l'impatto ambientale dei data center implementando soluzioni green per ottimizzare i consumi, i diversi approcci di Texas Instruments per aumentare l'efficienza e rimuovere il calore in un piccolo chip possono fornire un grande contributo alla gestione termica e alle prestazioni complessive dei sistemi. L'efficienza termica è fondamentale per migliorare la densità di potenza. D'altra parte, l’elevata efficienza è in grado di assicurare un’efficace dissipazione del calore. In considerazione del fatto che il numero di semiconduttori in quasi tutte le applicazioni si sta moltiplicando, molte delle sfide di progettazione che gli ingegneri elettronici devono affrontare sono legate alla necessità di una maggiore densità di potenza. Ottimizzando i packages per dimensioni ed efficienza, Texas Instruments aiuta a risolvere le sfide inerenti i problemi di calore dei data center e a ridurre il loro conseguente impatto ambientale, offrendo un valido supporto ai progettisti di sistemi di alimentazione. Texas Instruments è il partner ideale per risolvere le sfide della densità di potenza, dalla progettazione dei circuiti alla ricerca e sviluppo del packaging, fino ai progetti di sistemi ottimizzati termicamente e altri aspetti ancora, per trasformare in realtà, attraverso un approccio multiforme, circuiti integrati sempre più piccoli con prestazioni più elevate. Grazie alle soluzioni innovative per ottimizzare le prestazioni termiche, Texas Instruments supera le barriere della densità di potenza a livello di chip. Attraverso la ricerca di Texas Instruments nelle tecnologie della densità di potenza, i progettisti possono ottenere più potenza in spazi più piccoli, ingombro ridotto e meno calore dal packaging con tecnologie di raffreddamento avanzate, migliorando al contempo l'efficienza e la funzionalità del sistema a costi notevolmente inferiori. Livelli di potenza più elevati in fattori di forma più piccoli sono ora possibili utilizzando le tecnologie avanzate di processo, packaging e progettazione innovativa dei circuiti di Texas Instruments.