Alimentazione a 800VDC nei data center AI: il Sidecar di Schneider Electric rende più rapido e indolore il passaggio

Per la seconda volta in pochi anni, chi progetta e gestisce data center si trova davanti a una transizione infrastrutturale profonda. Dopo il passaggio dal raffreddamento ad aria a quello a liquido – ancora in corso in molte strutture – è ora la volta dell’alimentazione elettrica. La spinta arriva, ancora una volta, dalle GPU per l’intelligenza artificiale: la densità di potenza dei rack cresce a un ritmo che il modello di distribuzione attuale non è più in grado di sostenere.

La risposta su cui l’industria sta convergendo è quella di alimentare i rack con una tensione di 800 V in corrente continua. Sébastien Cruz-Mermy, VP Datacenter Innovation di Schneider Electric spiega perché questo è necessario, e la soluzione che l’azienda ha progettato per realizzarlo senza dover mettere mano all’attuale sistema di distribuzione centrale del data center.

Perché il modello attuale è arrivato al capolinea

Negli attuali data center la potenza arriva ai rack in corrente alternata trifase a 380/415 V (in Europa); la conversione da alternata a continua avviene all’interno del rack, e l’energia viene poi distribuita ai server tramite una barra (busway) a 48 o 54 volt in continua. È un modello collaudato, ma con un tetto fisico ben preciso, attorno ai 400 kW per rack.

Oltre quella soglia i problemi si sommano: la dimensione e il numero di connettori da cablare sullo stesso rack diventa ingestibile, le apparecchiature di potenza (alimentatori, unità di backup a batteria) sottraggono spazio prezioso che dovrebbe essere destinato all’IT e la barra della distribuzione continua raggiunge il proprio limite di capacità.

La via d’uscita passa per due cambiamenti convergenti. Il primo è spostare la conversione da alternata a continua fuori dal rack. Il secondo è alzare la tensione, per trasportare più potenza con meno corrente riducendo la congestione, liberando spazio per l’IT e, potenzialmente, aumentando l’efficienza energetica.

La fisica è il limite

Sebastien Cruz Mermy, VP Datacenter Innovation di Schneider Electric

A parità di potenza, più alta è la tensione e minore è la corrente necessaria. Poiché le perdite per riscaldamento crescono con il quadrato della corrente, ridurla significa potersi permettere cavi più sottili, quindi meno rame, meno calore da smaltire, quindi più efficienza. Un numero rende l’idea: alimentare un rack da 1 MW a 48 V richiederebbe una corrente nell’ordine dei 20.000 ampere, impossibile da garantire con conduttori di dimensioni ragionevoli. Agli 800 volt la stessa potenza ne richiede circa 1.250: ancora molta, ma gestibile.

Resta la domanda sul perché corrente continua e non alternata a 800 V. Le ragioni sono diverse e convergenti: i server lavorano internamente in corrente continua e quindi distribuire già in questa modalità riduce il numero di conversioni, mantenendo un’efficienza più elevata. I sistemi di accumulo sono poi per loro natura in corrente continua, anche la protezione da sovracorrente è più diretta.

La scelta del valore di 800 V, precisa Cruz-Mermy, non è solo tecnica: “C’è una ragione di scalabilità. L’industria dei veicoli elettrici (EV) utilizza questa tensione da tempo, e questo significa disponibilità di componenti su una filiera già matura”.

Il Sidecar: il ponte verso gli 800 VDC

Qui entra in gioco il Sidecar, che Schneider Electric (insieme a NVIDIA, ma non solo) indica come l’abilitatore immediato della transizione. Si tratta di un rack di alimentazione dedicato, collocato a fianco del rack IT, che ospita la conversione di potenza, la protezione e, opzionalmente, l’accumulo: tutto ciò che a densità molto elevate non trova più posto dentro l’armadio IT.

“Il Sidecar permette di spostare la conversione da alternata a continua appena fuori dal rack”, sintetizza Cruz-Mermy. Il sistema di distribuzione in corrente alternata resta sostanzialmente invariato fino al white space: non si introducono cambiamenti sostanziali nel modello esistente”.

Delle diverse strategie di implementazione, il Sidecar è quello che consente di adattare più rapidamente le attuali architetture dei data center. Immagine dal white paper 5 principles for 800VDC in AI Data Centers

Mantenere intatta l’infrastruttura in alternata a monte significa non dover ridisegnare quadri, schemi di protezione e procedure operative già consolidate; significa poter contare su una filiera di componenti già esistente, mutuata dal mondo dei veicoli elettrici; e significa confinare l’eventuale guasto di una tecnologia nuova a un singolo rack, anziché metterne a rischio un’intera sala. I blocchi di potenza tipici del Sidecar si collocano, secondo Cruz-Mermy, tra 0,6 e 1,2 MW.

C’è però un paradosso che non sfugge a chi gestisce lo spazio in sala: si concentra sempre più potenza in un singolo rack, salvo poi dover affiancare un secondo armadio per riuscire ad alimentarlo. Cruz-Mermy concorda, ma sottolinea che è il compromesso che rende la transizione gestibile oggi, ma è anche la ragione per cui il Sidecar non sarà l’unica architettura possibile. “Non si tratta di una soluzione a taglia unica: differenti installazioni richiederanno soluzioni diversificate”.

Nel Sidecar, anche accumulo e gestione del profilo di carico

Una delle caratteristiche distintive del Sidecar è l’integrazione dell’accumulo di energia. La ragione, anche in questo caso, è di spazio: poiché nel rack IT lo spazio va protetto per il calcolo, la funzione di storage energetico viene spostata nel Sidecar.

L’accumulo svolge in realtà due diverse funzioni, che vanno tenute distinte.

La prima è il backup classico, con una durata calibrata sul livello di disponibilità che l’operatore vuole garantire. La seconda, sempre più critica con i carichi AI, è lo smoothing del profilo di carico, cioè l’assorbimento delle variazioni repentine di assorbimento che le GPU generano soprattutto durante l’addestramento dei modelli (con picchi fino al 150% e cali del 40% nel giro di millisecondi). Avere un sistema dedicato accanto al rack consente una risposta immediata.

Attenzione è importante notare che: il Sidecar non sostituisce necessariamente l’UPS centrale. “L’UPS a livello centrale continua a garantire la protezione dell’intera catena di alimentazione”, chiarisce Cruz-Mermy.

E il raffreddamento?

La tensione 800 VDC abbassa ma non elimina la generazione di calore accanto al rack. La prima generazione di Sidecar, sviluppata in collaborazione con NVIDIA, genererà circa 20 kW di calore, più o meno come un rack odierno, e la progettazione del white space dovrà tenerne conto.

Per il futuro, l’industria sta lavorando a una nuova generazione di power shelf DC-DC raffreddati a liquido. Schneider Electric supporta questa dinamica, in particolare collaborando con NVIDIA.

Sicurezza e formazione dei tecnici

La corrente continua ha una caratteristica che complica l’interruzione dei guasti: a differenza dell’alternata, non passa periodicamente per lo zero, e questo rende più difficile estinguere l’arco elettrico che si forma quando un interruttore apre il circuito. Gli interruttori in continua devono quindi avere prestazioni di estinzione dell’arco superiori a quelli in alternata.

Su questo terreno Schneider Electric rivendica un vantaggio di esperienza. “Distribuiamo sistemi in corrente continua da tempo: nel settore dei veicoli elettrici, nel fotovoltaico e anche nell’industria data center in Cina”, osserva Cruz-Mermy. “Abbiamo già il quadro di riferimento per supportare la progettazione e la messa in opera dal punto di vista della protezione, delle perfomance e delle condizioni di sicurezza”.

L’azienda annuncia anche un documento tecnico di prossima uscita, dedicato proprio a protezione, sicurezza ed esposizione all’arco elettrico nei sistemi a 800 VDC. Sullo sfondo resta la questione delle competenze: il settore dispone oggi di un numero limitato di elettricisti e tecnici con esperienza diretta sui sistemi in continua ad alta potenza, ma Schneider ha le competenze e le risorse per formarli.

Oltre NVIDIA: la partita degli standard

Il Sidecar nasce con OCP e NVIDIA, oggi attore di riferimento del mercato, ma il panorama si sta diversificando, con gli hyperscaler che propongono il proprio hardware e una concorrenza crescente da parte di AMD e altri attori.

Schneider sta lavorando alla definizione di standard condivisi? “Sì, per impostazione predefinita”, risponde Cruz-Mermy, per poi articolare: “L’azienda è coinvolta in diverse organizzazioni, come l’Open Compute Project (OCP); Current/OS, dedicata specificamente alla distribuzione in corrente continua; oltre agli enti di standardizzazione UL negli Stati Uniti, IEC a livello internazionale e IEEE sul fronte elettrico”. Il tutto con l’obiettivo di allineare l’industria attorno a un quadro comune per la distribuzione LVDC, la corrente continua in bassa tensione nel Data Center.

Sul piano tecnico convivono oggi due forme di distribuzione: quella differenziale (+400 VDC o 0/+800 VDC, due cavi) adottata nelle piattaforme guidate da NVIDIA, e quella 3 fili (±400 VDC con punto medio) usata in soluzioni come “Mount Diablo”, il sidecar di OCP. L’attesa è che l’esperienza maturata su entrambe porti col tempo a un approccio unificato a supporto di una scalabilità veloce.

Conversione, distribuzione e protezione. Insieme

C’è un punto che Cruz-Mermy sottolinea in chiusura, ed è il più facile da trascurare nel clamore attorno agli 800 VDC. Il dibattito, osserva, è oggi molto concentrato sulla conversione di potenza, e questa è una visione parziale. “Quello non è l’unico elemento: ci sono anche la distribuzione e la protezione, e le tre dimensioni (conversione, distribuzione e potenza) vanno considerate insieme come un sistema”, avverte. Tanto più quanto più ci si spinge sempre più verso architetture in continua con distribuzione centralizzata.

Immagine dal white paper 5 principles for 800VDC in AI Data Centers

Una delle considerazioni chiave è la protezione. In un ecosistema coordinato, in cui il comportamento in caso di guasto del convertitore è sincronizzato e testato insieme ai componenti di protezione, spesso provenienti dallo stesso fornitore, gli interruttori automatici possono essere calibrati con precisione sul profilo di guasto del sistema, consentendo all’industria di sfruttare le tecnologie ACB e MCCB consolidate, raggiungendo al contempo i livelli attesi di prestazioni e sicurezza.

In un ecosistema più “aperto”, con convertitore e protezione di produttori diversi, serve invece un quadro normativo che garantisca e dimostri l’interoperabilità e le prestazioni complessive del sistema per garantire affidabilità.

Tecnologie come gli interruttori automatici a stato solido rispondono a queste esigenze, dice Cruz-Mermy, ma “senza un quadro normativo e uno standard che definiscano come i diversi sistemi devono integrarsi, c’è il rischio di non riuscire a garantire le performance di protezione e le condizioni sicurezza”.

Fai clic qui per approfondimenti sui 5 prinicpi in AI Data Center