Nuova Tecnologia di Raffreddamento Affronta le Crescenti Domande Energetiche dell’IA

Una nuova tecnologia di raffreddamento è stata sviluppata dagli ingegneri dell’Università della California, San Diego, che può migliorare drasticamente l’efficienza energetica dei data center, fondamentali per lo sviluppo e la distribuzione dell’IA.

I data center sono strutture che ospitano l’infrastruttura necessaria per addestrare e distribuire i modelli di IA. Questo include architetture avanzate di calcolo, rete e archiviazione, nonché capacità energetiche e di raffreddamento per gestire le enormi richieste di elaborazione dei carichi di lavoro dell’IA.

Mentre i data center tradizionali hanno molti degli stessi componenti di un data center IA, inclusi server, sistemi di archiviazione e apparecchiature di rete, la loro potenza di calcolo varia notevolmente. Ciò è dovuto alle straordinarie esigenze dei carichi di lavoro IA ad alta intensità, che richiedono unità di elaborazione grafica (GPU) ad alte prestazioni.

Non solo l’elevato numero di GPU necessario per i casi d’uso dell’IA richiede molto più spazio, ma richiede anche capacità avanzate di energia e raffreddamento.

In effetti, l’uso esplosivo dell’IA e la sua continua espansione hanno fatto schizzare la domanda di elaborazione dei dati.

I data center sono effettivamente previsti tra i maggiori consumatori di energia a livello globale. Le stime suggeriscono che il consumo energetico dei data center potrebbe crescere fino al 160%, superando i 1.000 terawatt-ora (TWh), rappresentando dal 3% al 4% del consumo elettrico mondiale entro il 2030.

Questo aumento è guidato dall’incremento dei requisiti computazionali delle applicazioni IA avanzate, che generano calore significativo richiedendo soluzioni di raffreddamento efficaci.

Di fatto, il 40% del consumo energetico totale di un data center è destinato esclusivamente al raffreddamento dell’hardware di calcolo ad alte prestazioni, in particolare GPU e acceleratori.

Questi componenti generano molto più calore rispetto alle CPU tradizionali, soprattutto durante l’addestramento dell’IA e l’elaborazione di grandi modelli linguistici. Inoltre, l’aumento della densità di potenza di calcolo nei server IA moderni porta a una maggiore concentrazione di calore, richiedendo soluzioni di raffreddamento più efficienti.

“I costi di raffreddamento sono una spesa di sovrapprezzo significativa che gli operatori devono affrontare,” ha dichiarato Rithika Thomas, senior analyst per le tecnologie sostenibili presso ABI Research, il cui rapporto ‘Chilling Out: Cooling Systems for Data Centres’ invita gli operatori ad adottare strategie efficaci per mantenere le prestazioni, la stabilità e la durata delle apparecchiature.

Se questa tendenza continua, il consumo energetico globale per il raffreddamento potrebbe più che raddoppiare entro la fine di questo decennio, rendendo cruciale trovare una soluzione a questo problema.

“Le strategie di raffreddamento efficaci richiedono un approccio olistico e indipendente dalla tecnologia per ottimizzare l’Efficienza di Utilizzo dell’Energia (PUE), l’Efficienza di Utilizzo dell’Acqua (WUE) e la gestione termica, riducendo i costi operativi.”

– Thomas

Le Esigenze Insaziabili di Calore dell’IA Richiedono Soluzioni di Raffreddamento più Intelligenti

Il problema è che i metodi tradizionali di raffreddamento basati sull’aria stanno diventando sempre più inadeguati a gestire i carichi termici dei server moderni. Questi metodi consumano già fino al 45% dell’energia totale di un data center.

Per quanto riguarda il flusso termico massimo dei chip CPU e GPU avanzati, attualmente supera di gran lunga i 50 W/cm². Il flusso termico o flusso termico è semplicemente la velocità con cui l’energia viene trasferita da un luogo all’altro sotto forma di calore.

Ad esempio, Hopper di NVIDIA, un prodotto di punta per l’IA e un’architettura micro GPU progettata specificamente per i data center per accelerare i carichi di lavoro IA e di calcolo ad alte prestazioni (HPC), ha una potenza di progetto termico (TDP) di 700 W su un chip di 814 mm² (flusso termico di 86 W/cm²) per le applicazioni IA.

Hopper è il successore di NVIDIA all’architettura Ampere ed è costruito con oltre 80 miliardi di transistor utilizzando il processo TSMC 4N.

Poi c’è la miniaturizzazione dei transistor, che può portare a una densità di transistor circa dieci volte superiore nel nodo da 1 nm entro il 2030. Questo può comportare un flusso termico superiore a 200 W/cm², un livello che non può essere rimosso in modo efficiente ed economico con il raffreddamento ad aria. Pertanto, nasce la necessità di un raffreddamento a liquido.

Le tecnologie di raffreddamento a liquido non sono una novità. L’industria le ha già adottate per i loro sistemi di nuova generazione per migliorare la gestione termica e l’efficienza energetica.

Questo metodo di raffreddamento trasferisce effettivamente il calore lontano dai server in modo più efficace rispetto ai sistemi basati sull’aria, riducendo così i costi di raffreddamento e gli sprechi energetici.

Le tecniche avanzate di raffreddamento a liquido includono piastre fredde a microcanale e raffreddamento per immersione con fluidi dielettrici. Tuttavia, le tecniche di raffreddamento tradizionali, come il trasferimento di calore a fase singola o in ebollizione, sono solitamente limitate a flussi termici nell’intervallo di 100 W/cm².

Quindi, ciò di cui abbiamo bisogno sono strategie di dissipazione del calore ad alte prestazioni. Devono essere passive, soprattutto perché non richiederebbero energia aggiuntiva. Sebbene desiderabili, queste strategie rimangono elusive.

Poi c’è il fatto che il raffreddamento è importante non solo per i dispositivi CPU e GPU utilizzati per il calcolo e l’IA, ma anche per l’elettronica di potenza, inclusi chip a diodi a emissione luminosa (LED), radiofrequenza ad alta potenza (RF), transistor a mobilità elettronica elevata in nitruro di gallio (GaN) (HEMT) e laser a pompa.

Molti di questi componenti elettronici hanno una dissipazione di potenza superiore a 100 W/cm². Qui, il trasferimento di calore per evaporazione offre una tecnologia promettente per il raffreddamento di elettronica ad alta potenza, con diversi vantaggi significativi rispetto ai metodi di raffreddamento tradizionali.

Rispetto ai sistemi di raffreddamento a fase singola, l’elevato calore latente del cambiamento di fase liquido-vapore consente una rimozione efficiente del calore offrendo al contempo una migliore stabilità e nessuna isteresi (la dipendenza dello stato di un sistema dalla sua storia). Inoltre, i requisiti di potenza di pompaggio sono ridotti quando si utilizza un flusso passivo guidato da capillarità.

I sistemi basati sull’evaporazione forniscono effettivamente un meccanismo di trasferimento di calore efficiente e più controllato, soprattutto per applicazioni ad alta potenza, a differenza dell’ebollizione.

Di fronte all’importanza della gestione termica a basso consumo energetico per i data center, l’evaporazione a film sottile guidata da capillarità in membrane con pori estremamente piccoli rappresenta un approccio promettente per dissipare flussi termici elevati.

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Nuova Tecnologia di Raffreddamento per Contenere le Crescenti Domande Energetiche

Con la necessità di strategie di raffreddamento avanzate critiche per contenere la tendenza di un rapido aumento del consumo energetico nel raffreddamento dei data center, ridurre i costi operativi e supportare gli obiettivi di riduzione del carbonio, gli ingegneri hanno sviluppato una nuova tecnologia di raffreddamento evaporativo per data center e elettronica ad alta potenza.

Sostenuta dalla National Science Foundation, questa nuova tecnica offre un’alternativa promettente ai sistemi di raffreddamento tradizionali, come ventole, pompe liquide e dissipatori, come dettagliato¹ nella rivista Joule. Potrebbe anche ridurre il consumo d’acqua di molti sistemi di raffreddamento attuali.

La nuova tecnologia presenta una membrana in fibra appositamente progettata che rimuove passivamente il calore tramite evaporazione. La membrana a bassa filtrazione utilizzata qui comprende una rete di pori minuscoli e interconnessi che sfruttano l’azione capillare per assorbire il liquido di raffreddamento sulla sua superficie.

Man mano che il liquido evapora, il calore viene rimosso in modo efficiente dall’elettronica sottostante senza richiedere energia aggiuntiva. La membrana è posizionata sopra microcanali sopra l’elettronica, assorbendo il liquido che scorre attraverso i canali e dissipando il calore in modo efficiente.

“Rispetto al raffreddamento tradizionale ad aria o liquido, l’evaporazione può dissipare flussi termici più elevati usando meno energia.”

L’evaporazione per il raffreddamento non è una novità, poiché molte applicazioni come gli evaporatori nei condizionatori d’aria e i heat pipe nei laptop la utilizzano attualmente. Tuttavia, applicare il metodo all’elettronica ad alta potenza è stato una sfida.

I tentativi di utilizzare membrane porose non hanno avuto successo. Le membrane porose hanno superfici elevate ideali per l’evaporazione, ma i tentativi precedenti presentavano pori troppo piccoli che si intasavano, o troppo grandi che provocavano ebollizione indesiderata, portando al fallimento.

“Qui, utilizziamo membrane in fibra porosa con pori interconnessi della giusta dimensione,” ha dichiarato Chen. In questo modo, gli ingegneri sono riusciti a ottenere un’evaporazione efficiente senza questi svantaggi.

Testando la tecnologia su vari flussi termici, i ricercatori hanno scoperto che la loro membrana funzionava e raggiungeva prestazioni record.

La membrana ha gestito flussi termici superiori a 800 watt per centimetro quadrato (W/cm²). Questo è uno dei livelli più elevati registrati per questo tipo di sistema di raffreddamento. Non solo ciò, ma ha anche dimostrato stabilità per diverse ore di funzionamento, evidenziando un approccio scalabile ed efficiente dal punto di vista energetico al raffreddamento elettronico di nuova generazione.

“Questo successo dimostra il potenziale di reinventare i materiali per applicazioni completamente nuove.”

– Chen

Ha spiegato che originariamente i componenti in fibra erano progettati per la filtrazione. “Nessuno aveva precedentemente esplorato il loro utilizzo nell’evaporazione,” ha aggiunto. Tuttavia, il team ha riconosciuto le caratteristiche strutturali distintive, ovvero pori interconnessi della giusta dimensione, che li rendevano perfetti per un raffreddamento evaporativo efficiente. Chen ha dichiarato:

“Ciò che ci ha sorpreso è stato che, con il giusto rinforzo meccanico, non solo hanno resistito al flusso termico elevato, ma hanno funzionato estremamente bene sotto di esso.”

Oltre alle loro prestazioni termiche, le membrane in fibra sono economicamente vantaggiose, scalabili per la produzione e mostrano sia flessibilità meccanica che resistenza, evidenziando il loro potenziale per l’evaporazione a film sottile e indicando la loro utilità per l’integrazione in sistemi di raffreddamento elettronico ad alto flusso, offrendo così una soluzione robusta per la gestione termica di nuova generazione.

I risultati sono certamente promettenti, ma la tecnologia opera ancora significativamente al di sotto del suo limite teorico. Il team sta ora lavorando per perfezionare la membrana e ottimizzarne le prestazioni.

Nella fase successiva, il team integrerà la loro tecnologia in prototipi di piastre fredde, i componenti piatti che si collegano a GPU e CPU per dissipare il calore. Per quanto riguarda la commercializzazione della tecnologia, il team lancerà una startup per portarla sul mercato. I Regents dell’Università della California hanno anche depositato un brevetto relativo a questo lavoro.

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Innovazioni di Raffreddamento di Nuova Generazione

Dato l’ampio utilizzo dell’IA, che dovrebbe contribuire con trilioni di dollari all’economia mondiale, ora c’è un’attenzione crescente nel ridurne il consumo energetico attraverso vari metodi.

Nel maggio 2025, il gigante tecnologico Microsoft (MSFT ) ha pubblicato un documento che quantifica il consumo di energia e acqua, nonché le emissioni di gas serra (GHG) prodotte dalle tecniche di raffreddamento dei data center durante l’intero ciclo di vita.

Questa valutazione del ciclo di vita valuta non solo le risorse consumate durante le operazioni dei data center, ma approfondisce anche le risorse necessarie per produrre tutte le macchine virtuali, i server, i chip, il raffreddamento e altri apparecchi. Questi dati, secondo Microsoft, possono aiutare le aziende a progettare data center che utilizzino meno acqua, energia e carbonio.

“Nel nostro documento promuoviamo l’uso di strumenti di valutazione del ciclo di vita per guidare le decisioni ingegneristiche fin dall’inizio e condividiamo lo strumento con l’industria per facilitarne l’adozione.”

Parlando dello scopo dello studio, Alissa ha detto:

“Quello che stiamo cercando di fare è dire all’industria: ‘Ecco come costruire una valutazione del ciclo di vita end-to-end che consideri il raffreddamento. Ecco uno strumento che potete personalizzare secondo le vostre esigenze specifiche e poi prendere una decisione.’”

Il loro studio ha effettivamente impiegato due anni, durante i quali hanno valutato quattro tecnologie di raffreddamento: piastre fredde, raffreddamento ad aria, immersione a fase singola e immersione a due fasi per i server.

Il team prevede che gli approcci a liquido avranno prestazioni migliori rispetto al raffreddamento ad aria, lo standard del settore, in termini di emissioni di carbonio, nonché consumo di energia e acqua.

Mentre Microsoft ha installato piastre fredde nei suoi data center, sta anche esplorando altre tecniche di raffreddamento, come la tecnica di raffreddamento a piastre fredde su scala rack che utilizza unità scambiatrici di calore. Il gigante tecnologico sta inoltre sviluppando una nuova tecnologia, che secondo loro può ridurre il consumo d’acqua del 30%–50% e diminuire la domanda energetica e le emissioni di GHG di circa il 15% per l’intera durata dei data center.

Recentemente, il MIT Lincoln Laboratory ha sviluppato un chip speciale per valutare le opzioni di raffreddamento per stack di chip confezionati. Questo chip unico dissipa potenze molto elevate generando calore attraverso lo strato di silicio e in punti caldi specifici. Successivamente, le tecnologie di raffreddamento vengono applicate allo stack, e il chip misura le variazioni di temperatura.

Quando inserito in uno stack, consentirà ai ricercatori di esaminare come il calore si propaga attraverso gli strati dello stack e poi misurare i progressi per mantenerli freschi.

“Se hai un solo chip, puoi raffreddarlo dall’alto o dal basso. Ma se inizi a impilare diversi chip uno sopra l’altro, il calore non ha via di fuga. Oggi non esistono metodi di raffreddamento che consentano all’industria di impilare più di questi chip ad altissime prestazioni.”

– Il capo dello studio, Chenson Chen del Gruppo Materiali Avanzati e Microsistemi del laboratorio

Investire nel Settore IA

Un leader globale nelle GPU focalizzate sull’IA, Nvidia (NVDA ) è una società di infrastruttura informatica full‑stack che opera attraverso i segmenti Compute & Networking e Graphics.

Nvidia ha collaborato con attori chiave nei semiconduttori, nella produzione di server, nell’archiviazione dei dati e nel software aziendale per accelerare la distribuzione delle applicazioni IA. Il produttore di chip è anche fortemente coinvolto nel finanziamento di startup, in particolare aziende IA come OpenAI, xAI, Inflection, Mistral AI, Perplexity, Lambda, Scale AI e altre per contribuire a far progredire il settore. 

NVIDIA Corporation (NVDA )

Per quanto riguarda le performance di mercato di Nvidia, è una delle azioni con le migliori performance, registrando un guadagno impressionante del 1.350% negli ultimi cinque anni. Al momento della stesura, le azioni della seconda più grande azienda al mondo per capitalizzazione di mercato, pari a 3,5 trilioni di dollari, sono scambiate sopra i 145 $, in crescita dell’8,33% YTD e solo del 3% rispetto al picco di quasi 150 $ raggiunto nel novembre 2024.

Ha un EPS (TTM) di 3,10, un P/E (TTM) di 46,86 e un ROE (TTM) del 115,46% offrendo al contempo un rendimento da dividendo dello 0,03%.

Nel maggio 2025, Nvidia ha riportato i risultati finanziari per il primo trimestre dell’anno fiscale 2026, durante il quale il suo fatturato è stato di 44,1 miliardi di dollari.

Nel settore dei data center, il fatturato dell’azienda è stato di 39,1 miliardi di dollari. Per questo settore, Nvidia ha annunciato la costruzione di fabbriche negli Stati Uniti, ha introdotto Blackwell Ultra e Dynamo per scalare i modelli di ragionamento IA, e prevede di accelerare la transizione dell’infrastruttura IT verso fabbriche IA aziendali con i server RTX PRO™. Tra diverse altre iniziative, è stata introdotta anche la NVIDIA AI Data Platform come design di riferimento personalizzabile per i carichi di lavoro di inferenza IA.

Un altro grande sviluppo riguarda l’uso di 100.000 chip Nvidia per costruire un nuovo data center IA negli Emirati Arabi Uniti, che entrerà in funzione il prossimo anno.

In un’altra notizia entusiasmante, Nvidia è presumibilmente in collaborazione con Foxconn di Taiwan per distribuire robot umanoidi in una nuova fabbrica Foxconn che produrrà server AI Nvidia. Previsto per essere finalizzato nei prossimi mesi, l’implementazione rappresenterebbe una pietra miliare nell’adozione di robot simili a esseri umani per trasformare i processi di produzione.

Ultime Notizie e Sviluppi sulle Azioni di NVIDIA Corporation (NVDA)

Considerazioni Finali sull’Innovazione del Raffreddamento IA

Mentre l’IA continua a rimodellare le industrie, le sue enormi esigenze di calcolo stanno guidando un consumo energetico e una generazione di calore senza precedenti. Qui, la promettente ricerca sull’evaporazione a film sottile guidata da capillarità rappresenta un passo cruciale verso la costruzione di infrastrutture IA più efficienti dal punto di vista energetico, sostenibili e scalabili per il futuro.

Con il suo alto flusso termico critico teorico (CHF), l’evaporazione a film sottile guidata da capillarità in membrane nanoporous offre una strategia promettente di gestione termica per dispositivi elettronici ad alta potenza. L’ultimo studio ha scoperto che le membrane in fibra hanno pori aperti e interconnessi, fungendo da evaporatori efficienti, facilitando un trasporto rapido e uniforme del liquido attraverso molteplici percorsi, riducendo con successo l’ostruzione e garantendo una bagnatura uniforme sulla superficie.

Dimostrando stabilità a lungo termine, gli evaporatori a membrana in fibra 3D offrono una soluzione altamente promettente per la gestione termica avanzata, fornendo soluzioni di raffreddamento efficienti per soddisfare le esigenze dei moderni sistemi elettronici.

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Studi Citati:

1. Feng, T.; Pei, Y.; Zhang, H.; Asai, B.; Dong, G.; Joshi, A.; Saha, A.; Cai, S.; Chen, R. Evaporazione a Film Sottile ad Alta Flusso e Stabile da Membrane in Fibra con Pori Interconnessi. Joule 2025, 9 (6), 101975. https://doi.org/10.1016/j.joule.2025.101975