Dossier 4

Maria Grazia Giuffreda

Simbolo di innovazione ingegneristica

e di supercalcolo

Il Centro Svizzero di Calcolo Scientifico (CSCS) Agli inizi degli anni 2000 la Confederazione Svizzera ha deciso di approvare la strategia High Performance Computing and Networking, finanziando la costruzione del nuovo centro di calcolo a Lugano e l’installazione del primo supercomputer di classe petaflop in Svizzera.

Il CSCS ha affrontato la sfida di costruire un centro dati (data center) in grado di ospitare dei supercalcolatori ad alta potenza, così come un’infrastruttura che permettesse di memoriz-zare enormi quantità di dati. Tutto questo prestando attenzione all’impatto ambientale, alla sostenibilità ecologica e all’aspetto architettonico del nuovo edificio.

Costruito ai piedi di una boscosa e lussureg- Itten + Brechbühl SA nella fase di progettazione giante collina che separa Porza da Lugano, il Cen-del centro. Flessibilità e modularità per permette-tro Svizzero di Calcolo Scientifico ricopre un’area re di costruire un’infrastruttura d’avanguardia che di circa 9200 metri quadrati, messa a disposizio- possa funzionare in modo efficiente per i prossi-ne dai due comuni. È affiancato, da un lato, dalla mi quarant’anni. Sostenibilità perché, per evitare centrale di distribuzione di corrente elettrica del-sprechi ed eccesso di consumi, è stato necessario le Aziende Industriali di Lugano (AIL) e, dall’altro, prestare la massima attenzione all’impatto am-dal quartiere generale dei pompieri di Lugano. Nel bientale e all’efficienza energetica. L’elemento gennaio 2010 si è dato inizio ai lavori per la costru-chiave che identifica l’efficienza energetica di un zione del centro e, come ricorda l’incisione sulla centro di calcolo come il CSCS è il Power Usage parete della sala d’ingresso, il 18 ottobre 2010 si è Effectiveness (PUE), ovvero la quantità di ener-Centro Svizzero di Calcolo celebrata la posa della prima pietra. Poco meno di gia elettrica che l’infrastruttura computazionale Scientifico veduta frontale. 18 mesi dopo, nel marzo del 2012, il nuovo centro consuma per il raffreddamento e gli altri servizi Foto CSCS, Lugano di calcolo ha aperto ufficialmente le sue porte.

ausiliari necessari per il funzionamento. Al mo-Flessibilità, modularità e sostenibilità am- mento della costruzione del nuovo centro, il valore Veduta di spalle del data bientale sono i tre requisiti fondamentali che PUE prefissato era inferiore a 1.25: un obbiettivo center. Foto CSCS, Lugano hanno ispirato il team del CSCS e lo studio estremamente ambizioso per un centro di calcolo 32 k+a 4/2021

ad alta potenza che non solo è stato ampiamente Le Corbusier: «L’architettura è il gioco sapiente, Veduta laterale del CSCS

raggiunto, ma lo ha reso uno dei centri energetica-corretto e magnifico dei volumi raggruppati sot- coronato dal Monte Boglia.

Foto CSCS, Lugano

mente più efficienti ed ecologicamente sostenibili to la luce.»

al mondo.

A contribuire alla sostenibilità ed efficienza Nel cuore del data center

Scorcio del primo piano

del centro anche la decisione di creare un’alimen-e del calcolo scientifico dell’edificio amministrativo.

Foto CSCS, Lugano

tazione elettrica d’emergenza a batteria (Uninter-Il data center – l’edificio in calcestruzzo che ruptible Power Supply, UPS) limitata al minimo ospita i supercalcolatori, le librerie di archiviazio-indispensabile, sufficiente a servire solo quella in- ne dati e l’infrastruttura ausiliaria necessaria – si frastruttura del centro di calcolo che non ammette erge su tre piani alle spalle della palazzina ammi-nessun tipo di interruzione della corrente, come lo nistrativa ed è una costruzione sobria e senza fine-stoccaggio dei dati, le reti di telecomunicazione e stre, progettata nei minimi dettagli, sia dal punto i calcolatori al servizio di MeteoSvizzera.

di vista tecnico, sia logistico, per offrire flessibilità e modularità.

Luminosità per creare soluzioni

tecniche d’avanguardia

I settori amministrativo e di calcolo scientifico occupano due distinti edifici, collegati da un passaggio sotterraneo e da una galleria al primo piano, il cui tetto funge anche da terrazza ad uso dei collaboratori del centro. L’edificio amministrativo, di cinque piani, si estende su una superficie totale di 2600 metri quadrati ed è stato costruito in conformità con lo standard Minergie-Eco. In fase di costruzione si è data particolare importanza all’impiego di materiali poco inquinanti. Le ampie vetrate che costituiscono le pareti dell’edificio offrono visibilità su alcune delle vedute iconiche della città di Lugano, come il Monte San Salvatore e i Monti Brè e Boglia. I corridoi, spaziosi, che al-ternano pareti bianche e colorate, danno lumino-Alimentazione elettrica sità agli uffici e agli spazi comuni: in un ambiente di emergenza (UPS).

in cui la tecnologia evolve a velocità vertigino-Foto CSCS, Lugano se la comunicazione e lo scambio di idee sono assolutamente necessari per i collaboratori. Gli Serbatoi dell’acqua uffici, rigorosamente bianchi, presentano un am-di riserva nel piano risorse.

Foto CSCS, Lugano

biente di lavoro luminoso e accogliente. Insegna a+a 4/2021 33

Piano distribuzione:

Partendo dal basso, nel seminterrato dell’e-Attraverso un montacarichi oppure imboccan-

dettaglio del circuito

dificio, si entra attraverso un sottopassaggio nel do una scala, si passa al piano intermedio, o «pia-di raffreddamento

di Piz Daint.

«piano risorse», base dell’infrastruttura per l’ero- no distribuzione», dove è installata l’infrastruttura Foto CSCS, Lugano gazione della corrente elettrica, dell’acqua e delle di raffreddamento e di alimentazione elettrica spe-960 batterie per l’alimentazione elettrica di emer-cifica per ogni supercomputer e hardware supple-genza. È qui che arriva la corrente elettrica a una mentare. Nei centri di calcolo tradizionali questo è Panoramica del piano

distribuzione con al

tensione di 16 000 Volt, per poi essere distribuita solo un piano tecnico, di non più di 80 centimetri, centro barre di rame per mediante spessi cavi di rame su 13 trasformatori, la cui funzione è preposta alla semplice installal’erogazione di corrente.

convertita in 400 Volt e quindi distribuita con bar- zione e distribuzione dei cavi. La lungimiranza Foto CSCS, Lugano re di alimentazione in rame al piano sovrastante.

della progettazione e l’esperienza accumulata L’attuale alimentazione elettrica, disponibi- nel corso degli anni al CSCS hanno fatto sì che, le presso il centro, consente di installare e fare nel nuovo centro, si costruisse un vero e proprio funzionare un’infrastruttura computazionale di piano di 5 metri, in grado di ospitare tutta l’infra-potenza fino a circa 11 Megawatt che, se necessa-struttura tecnica ausiliaria, comprendente anche rio, può essere ampliata ulteriormente fino a rag- 5 chilometri di canali elettrici. Tutto si adagia su giugere la potenza massima di 25 Megawatt. Una griglie percorribili, posizionate a 90 centimetri dal piccola pompa termica è responsabile del raffred-suolo, per proteggere l’infrastruttura da eventuali damento degli uffici, nei mesi estivi, e del riscal- perdite d’acqua.

damento, nei mesi più freddi. Il piano è occupato Infine, salendo ancora di un piano, si raggiun-anche da serbatoi d’acqua di riserva, della capacità ge il cuore del calcolo scientifico: la sala macchine.

di 320 000 litri, che offrono un’autonomia di cir- 2000 metri quadrati di un volume privo di ogni ca 20 minuti in caso di mancato funzionamento ostacolo, al fine di garantire quella flessibilità ne-dell’erogazione dell’acqua. Tempo sufficiente solo cessaria per adeguare il data center all’evoluzio-Panoramica della a far partire, in modo programmato e controllato, ne delle tecnologie del futuro. Le peculiarità della sala macchine.

le procedure di spegnimento dell’infrastruttura sala macchine del CSCS sono la totale mancanza Foto CSCS, Lugano computazionale e delle librerie di dati.

di pilastri a sostegno del soffitto, realizzato con 34 k+a 4/2021

Dettaglio della stazione di

pompaggio presso il Parco Ciani.

Foto CSCS, Lugano

Pianta della condotta

per il trasporto dell’acqua.

CSCS, Lugano

speciali travi anch’esse in calcestruzzo di 50 ton- Lugano anziché un sistema di raffreddamento nellate e lunghe 35 metri, che scaricano il loro artificiale come nella sede precedente di Manno.

peso sui soli muri portanti laterali, e la mancan- Lo sfruttamento dell’acqua del lago, prelevata a za di un sistema tradizionale antincendio, sosti- una profondità di 45 metri e a una temperatura tuito da tubi flessibili che pendono dall’alto con annuale costante di 6 gradi centigradi per il raf-l’unica funzione di rilevare eventuali presenze freddamento dei calcolatori, ha consentito di evi-di fumo, aspirando aria dai calcolatori e dalle iso- tare l’installazione e l’utilizzazione di impianti di le di hardware. L’ampiezza della sala a campata raffreddamento di tipo tradizionale, il cui consu-unica, arredata unicamente dai supercomputer e mo massimo di elettricità sarebbe quantificabile dalle isole di hardware, suscita sempre una sensa- a circa un terzo in più del totale.

zione di ammirato stupore nei visitatori del data Per questo sistema è stata costruita una stazio-center.

ne di pompaggio sulla riva del Ceresio, presso il Parco Ciani, nel cuore della città di Lugano. La sta-Le acque del Ceresio zione è collegata, tramite una condotta, alle cuffie per raffreddare il data center di presa d’acqua nel lago del peso di 13 tonnellate Un ulteriore elemento di innovazione e so-e alte 6 metri, collocate a una profondità di circa stenibilità è l’introduzione di un sistema di raf- 45 metri. Attraverso questa condotta 3 pompe con-freddamento che sfrutti una fonte naturale, vale vogliano dalla relativa stazione fino a 760 litri di a dire un sistema che utilizzi le acque del lago di acqua al secondo, di cui 420 litri sono destinati al a+a 4/2021 35

CSCS per le operazioni di raffreddamento, e circa 340 litri sono a disposizione delle AIL, le quali hanno predisposto l’infrastruttura per costruire una stazione elettrica di 6 kW termici ad uso del nuovo quartiere di Cornaredo.

Nel suo percorso di 2,8 chilometri per raggiun-gere il CSCS, l’acqua del lago viene trasportata in una condotta di 80 centimetri di diametro, lungo il fiume Cassarate, attraversandolo al di sotto per ben due volte e risalendo un dislivello di circa 30 metri.

Presso il centro di calcolo, in uno scambia-

tore di calore, si incontrano l’acqua proveniente dal lago Ceresio e l’acqua del circuito interno di raffreddamento. È qui che l’acqua lacustre «tra-sferisce» il freddo al circuito interno, con una temperatura fra gli 8 e i 9 gradi centigradi, per il raffreddamento dei supercalcolatori ad alta potenza. Terminato questo primo ciclo di raffreddamento, l’acqua si riscalda di circa 8 gradi, e arriva quindi a 16-17 gradi centigradi. A questo punto l’acqua entra in un nuovo scambiatore di calore, più piccolo, circolando a temperatura media dove è ancora in grado di raffreddare le isole contenenti le unità di calcolo e i dischi rigidi a bassa densità energetica. Il raffreddamento di due circuiti sepa-rati con la stessa acqua, proveniente da un unico pompaggio, permette un ulteriore risparmio energetico.

Prima che l’acqua ritorni nel lago, viene con-vogliata in una vasca di compensazione della capacità di 120 metri cubi, assicurando quindi il ri-lascio in caduta libera e a pressione costante, senza ulteriore consumo energetico. Anzi, grazie ad una turbina installata nella stazione di pompaggio del parco Ciani, il CSCS sfrutta questa caduta libera per produrre circa un terzo della corrente elettrica necessaria al pompaggio dell’acqua. Inoltre, per ridurre ulteriormente i consumi, lungo questo percorso sono stati predisposti tre ulteriori punti di aggancio per le AIL, allo scopo di poter usufruire dell’impatto termico sia delle acque di andata che di ritorno. Uno di essi è già in uso in una parte della infrastruttura IT del nuovo Campus USI-SUPSI a Lugano-Viganello.

Infine, per non influenzare negativamente l’equilibrio ecologico del lago Ceresio, l’acqua reimmessa nel lago non supera mai la temperatura di 25 gradi centigradi e, in caso di necessità, un miscelatore interviene aggiungendo acqua fredda per riportare la temperatura al di sotto del limite stabilito.

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L’innovazione scientifica

Zusammenfassung

«

per la tecnologia del futuro

Piano distribuzione:

Symbol für technische Innovation

dettaglio di un circuito

Questo data center è la base su cui il CSCS ha und Supercomputing – das Schweize di raffreddamento di costruito lo User Lab, il laboratorio per ricercato- rische Zentrum für Wissenschaftliun calcolatore.

ri computazionali, che si prefigge di promuovere ches Rechnen (CSCS) Foto CSCS, Lugano la ricerca d’avanguardia, di aiutare gli scienziati a Anfang der 2000er Jahre beschloss die risolvere complessi problemi scientifici partendo Schweizerische Eidgenossenschaft, eine Piano risorse: circuito di dal puro calcolo e arrivare ad analizzare enormi Supercomputing-Infrastruktur am CSCS

raffreddamento dell’acqua

in entrata dal lago.

quantità di dati. Per i ricercatori delle più svariate (Nationales Hochleistungsrechenzentrum) Foto CSCS, Lugano discipline – dalla fisica alla chimica, dalla scienza aufzubauen und damit auch die nationale dei materiali alle scienze ambientali, dalla clima- Hochleistungsrechnen- und Vernetzungs-tologia alla geofisica, passando per l’astrofisica strategie (HPCN-Strategie) des ETH-Rats im Auftrag des Bundes fortlaufend umzusetzen.

e la dinamica dei fluidi – questa infrastruttura è Dies bedeutete den Bau des neuen Rechen-essenziale per il progresso scientifico.

zentrums in Lugano sowie die Installation

Le simulazioni e le analisi di dati complessi des ersten Supercomputers der Petaflop-giocano un ruolo fondamentale, specialmente Klasse in der Schweiz.

laddove gli esperimenti non sono più possibili Das CSCS sah sich mit der Herausfor-e i metodi tradizionali non più sufficienti. Le si- derung konfrontiert, ein Rechenzentrum zu mulazioni aprono nuovi orizzonti alla ricerca errichten, das in der Lage ist, Hochleistungs-scientifica: possono dare informazioni nuove che Supercomputer sicher zu beherbergen und gli esperimenti non rilevano, possono spiegare eine Infrastruktur zu schaffen, die riesige Da-risultati sperimentali o addirittura prevederli. tenmengen speichern kann. All dies geschah Grazie alle simulazioni si è arrivati a descrivere unter Berücksichtigung von Umweltauswir-kungen, von Nachhaltigkeitsfragen und des nuovi materiali con proprietà e funzionalità fino architektonischen Erscheinungsbildes des ad ora sconosciute, a definire modelli climatici e neuen Gebäudes. Dabei ist einer der auf-più semplici previsioni metereologiche che altri- fälligsten technischen Aspekte die Kühlung menti non sarebbero possibili, a facilitare analisi der Geräte über ein Kreislaufsystem, in dem di rischi di disastri naturali come terremoti e con- Wasser aus dem Luganersee zirkuliert.

seguenti tsunami, e di conseguenza a pianificare eventuali evacuazioni ed interventi. «La scienza di Résumé oggi è la tecnologia di domani» affermava Edward Symbole de l'innovation technique Teller, noto fisico teorico ungherese-americano del et des superordinateurs – le Centre ventesimo secolo. Il CSCS mette al servizio della suisse de calcul scientifique (CSCS) scienza questa infrastruttura innovativa e sosteni- Au début des années 2000, la Confédé-bile per contribuire alla tecnologia del futuro.

ration helvétique a approuvé la stratégie

nationale de calcul à haute performance

Bibliografia

et de mise en réseau (stratégie HPCN) du

Conseil des EPF. Elle a décidé de financer

CSCS 2015: Fact Sheet: Il Nuovo edificio CSCS a Lugano une infrastructure de supercalculateurs https://www.cscs.ch/publications/fact-sheets/innovative-new-bulding-for-cscs-lugano/

à Lugano et d’installer le premier superordinateur de classe pétaflopique en Suisse.

CSCS 2015: Fact Sheet: Supercalcolatori raffreddati Le CSCS a été confronté au défi de con acqua di lago https://www.cscs.ch/publications/

construire un centre de données capable

fact-sheets/lake-water-to-cool-supercomputers/

d’accueillir en toute sécurité des superor-

L’autrice

dinateurs à haute performance et de créer

une infrastructure permettant de stocker

Maria Grazia Giuffreda. Direttore associato del d’énormes quantités de données. Tout cela Centro Svizzero di Calcolo Scientifico. Conseguiti a été fait en tenant compte des impacts un Dottorato di ricerca in Chimica Computazionale environnementaux, des questions de dura-in Belgio e un Postdoc al Politecnico Federale di bilité et de l’aspect architectural du nouveau Zurigo, ha cominciato la sua carriera al CSCS come bâtiment. Dans ce processus, l’un des aspects analista di applicazione e supporto scientifico per techniques les plus marquants est le refroi-poi diventare responsabile dell’unità di supporto dissement des équipements par un système e interazione con gli utenti scientifici. Attualmente è responsabile dello User Program per accedere dans lequel circule l’eau du lac de Lugano.

alle risorse e ai servizi del centro.

Contatto: mariagrazia.giuffreda@cscs.ch

Keywords

data center, raffreddamento, calcolo scientifico, tecnologia, innovazione a+a 4/2021 37