L’evoluzione dei data center nell’era dell’Intelligenza Artificiale sta ridefinendo il ruolo dell’elettronica di potenza. Se in passato la fornitura di energia era un requisito di base per progettare le infrastrutture, oggi rappresenta il principale vincolo nella crescita dei sistemi di calcolo. L’aumento esplosivo della domanda, guidato da modelli AI sempre più grandi e da cluster di acceleratori ad altissima densità, richiede sistemi elettrici capaci di fornire più potenza, con maggiore affidabilità e con una precisione senza precedenti.
Per questo, la power train dei data center – la catena che va dalla rete elettrica fino al semiconduttore – è al centro di una trasformazione profonda. Ogni fase di conversione, distribuzione e controllo dell’energia influisce direttamente su efficienza operativa, stabilità e scalabilità. Progettarla correttamente significa ripensare il modo in cui l’energia fluisce nel sistema e come ciascun livello supporta quello successivo.
Tre fasi nella trasformazione dell’energia
L’alimentazione di un moderno data center può essere suddivisa in tre macro-fasi interconnesse.
- Conversione e distribuzione a livello di impianto
In questa fase l’energia proveniente dalla rete viene convertita, condizionata e resa disponibile in continuità. Switchgear, sistemi di continuità (UPS) e sistemi di accumulo a batterie (BESS) operano insieme. Sempre più spesso gli ingegneri guardano a soluzioni grid-interactive, capaci di proteggere le infrastrutture digitali critiche, ma anche di contribuire alla stabilità delle reti elettriche locali.
- Distribuzione nella sala e nelle file di rack
Dopo essere stata condizionata, l’energia viene distribuita in tutto l’edificio tramite switchboard, busway e sistemi di monitoraggio. L’aumento delle densità di calcolo spinge verso l’adozione di tensioni più elevate, che consentono di ridurre le perdite e bilanciare i carichi.
- Distribuzione a livello di rack e chip
L’ultimo tratto porta la potenza direttamente ai server e agli acceleratori. Le rack power distribution unit (rPDU) e i convertitori on-board regolano, monitorano e proteggono l’alimentazione di server, acceleratori e chip. Con rack AI che oggi possono superare i 100 kW di assorbimento, anche una frazione di punto percentuale di efficienza in più diventa determinante.
Il nuovo equilibrio dell’ingegneria di potenza
Tre priorità definiscono oggi il lavoro dell’ingegnere: efficienza, risposta dinamica e ingombro fisico.
Aumentare l’efficienza riduce direttamente il calore dissipato, ma spesso richiede componenti più voluminosi o frequenze di switching inferiori. Garantire una risposta dinamica adeguata è cruciale per gestire i workload variabili delle applicazioni AI, che possono richiedere rapidi aumenti di corrente in pochi microsecondi. Allo stesso tempo, la riduzione degli spazi nei rack impone soluzioni compatte e modulari.
Gli obiettivi sono interconnessi. Un aumento dell’efficienza può richiedere frequenze di switching più basse o componenti più grandi, mentre una maggiore compattezza può incrementare le sollecitazioni termiche. La sfida è trovare il giusto equilibrio, coinvolgendo ingegneria elettrica, termica e meccanica.
Portare la conversione sempre più vicino al chip
Una delle innovazioni più rilevanti è la transizione verso la vertical power delivery, che posiziona i convertitori molto vicino al carico. Accorciando i percorsi per portare l’energia, si migliora la risposta transitoria e si limita l’energia dissipata sotto forma di calore.
E’ un approccio che richiede nuove soluzioni termiche, perché i componenti di potenza finiscono per condividere lo stesso ambiente caldo dei chip. L’integrazione con sistemi a piastra fredda o raffreddamento a liquido diventa essenziale, insieme a criteri severi di isolamento elettrico e facilità di manutenzione.
Regolazioni intelligenti e progettazione predittiva
La regolazione della potenza non si ferma al chip. I processori utilizzano tecniche come l’adaptive voltage scaling per modulare la tensione in base al carico, riducendo i consumi inutili. Sensori integrati monitorano temperatura e corrente, mentre firmware dedicati regolano in real-time le linee di alimentazione.
Parallelamente, strumenti basati su machine learning stanno rivoluzionando la progettazione delle power grid a livello di scheda e chip. Strumenti predittivi consentono di stimare cadute di tensione (IR drop), gradienti termici ed effetti di elettromigrazione, riducendo i tempi di sviluppo e aumentando l’affidabilità del progetto finale.
Il data center come attore della rete elettrica
A livello di struttura, i data center stanno assumendo un ruolo attivo nella gestione della rete. Grazie a UPS bidirezionali e sistemi di accumulo, possono assorbire energia in eccesso, restituirla nei momenti critici e contribuire al bilanciamento della domanda. Ciò richiede convertitori capaci di operare in entrambe le direzioni con rapidità e stabilità, nel rispetto dei requisiti della rete.
Una progettazione di sistema, non di componenti
L’elettronica di potenza per data center non può più essere progettata come un insieme di moduli separati. Simulazioni olistiche dell’intera catena, standardizzazione delle interfacce, monitoraggio digitale tramite EPMS e attenzione al ciclo di vita dei componenti sono ormai elementi essenziali.
Le sfide future
Restano ancora nodi da sciogliere: disponibilità dei materiali, gestione termica avanzata, stabilità dei convertitori in cascata e riciclo sostenibile delle batterie. Con l’avanzare delle architetture a chiplet, dei collegamenti ottici e del raffreddamento liquido, la distinzione fra impianto, rack e chip potrebbe gradualmente dissolversi, aprendo nuovi scenari di integrazione.
Serve una visione più ampia
Per gli ingegneri elettronici, la chiave è continuare a guardare in avanti. L’elettronica di potenza non è più confinata a un rack o a un circuito elettronico. Collega operatori di rete, progettisti di impianti e architetti di chip in un unico sistema che funziona ininterrottamente. Il successo dipende dalla comprensione di come ogni livello influenza gli altri e dalla progettazione tenendo conto dell’intero sistema.
Un tempo la power train del data center era un’infrastruttura di supporto. Nell’era dell’AI è diventata il fondamento del progresso e dell’innovazione. Gli ingegneri in grado di collegare la rete al chip in modo efficiente, intelligente e sicuro definiranno il futuro del mondo digitale.
A cura di Giovanni Zanei, Vice President Global Large Power Converters di Vertiv
