浸漬冷却技術: データセンターの熱管理の未来

ラックの電力消費がかつてないレベルにまで急上昇する中、データ センター業界は大きな変革を遂げています。コンピューティング集約型の人工知能 (AI) と高性能コンピューティング (HPC) アプリケーションの推進により、データ センターは、10 ～ 20 キロワットを消費するラック用の空冷戦略から、NVIDIA の Grace Blackwell スーパーチップを搭載した 120 キロワットのラックを処理できる冷却システムへと急速に移行しました。これは、サーバー キャビネット 1 台の冷却ニーズを満たすためだけのものです。

従来の空冷技術では、このような高い放熱要求に対応するにはもはや不十分であり、高度な液体冷却ソリューションの開発への道が開かれています。現在主流の液体冷却オプションは、主に次の 2 つのカテゴリに分けられます。「ダイレクト・ツー・チップ」そして「没入」冷却。従来の空冷方法とは異なり、これらの技術では水や絶縁液などの液体媒体を使用して機器から熱を放散します。

この記事では、浸漬冷却技術動作原理、利点、課題、高電力環境での潜在的な用途を分析します。

浸漬冷却技術: 完全に浸漬されたコンポーネント

浸漬冷却技術では、サーバーやその他の電子部品を絶縁液体に完全に浸します。機器が動作中に熱を発生すると、この熱は周囲の冷却媒体に伝達されます。加熱された液体は表面に上昇し、冷却システムに送られて熱を放散し、その後、機器を収容する最初の液体リザーバーに戻ります。

浸漬冷却には 2 つのタイプがあります。

1. 単相浸漬冷却

このシステムでは、すべてのサーバーと IT 機器を絶縁液体に完全に浸します。CPU や GPU などのコンポーネントの温度が上昇すると、液体は発生した熱を吸収します。その後、加熱された液体は熱交換ユニットに送られ、そこで冷却され、冷却された液体は機器の液体リザーバーに戻されます。

利点:

●完全な熱吸収：サーバー（GPU、CPU、メモリ モジュールなど）によって生成されるすべての熱は、冷却システムによって収集され、放散されます。

●絶縁液：コンポーネントが短絡から保護された状態を維持します。

課題:

●熱設計電力（TDP）の制限：GPU の TDP が 700 ワットを超えると、単相浸漬では効果的な冷却が困難になる可能性があります。

●インフラ投資：データセンター インフラストラクチャの再設計には、大型で重い液体貯蔵庫を含む多額の投資が必要です。このため、大規模な改修や構造強化に対応できる新しいデータセンターや既存の施設に適しています。

●絶縁液体との適合性：損傷を防ぐために、すべてのコンポーネント (サーバー、コネクタ、プリント基板など) は絶縁液と互換性がある必要があります。これには、多くの場合、カスタム機器またはサーバーの改造が必要になります。

●メカニカルな再設計：光ファイバーコネクタなどの一部のサーバーコンポーネントは、浸漬環境では適切に機能しないため、機械的な変更が必要になります。

●火災の危険性:浸漬冷却に使用される液体は炭化水素ベースであることが多く、可燃性であり、データセンターで火災が発生した場合に重大なリスクをもたらします。

●メンテナンスの難しさ：メンテナンス作業では、クレーンを使用してサーバーを液体タンクから取り外し、その後、液体が排出されるまで 30 分間待機してから修理を開始する必要があります。

●汚染問題:冷却液が汚染された場合（水など）、リザーバーを排水して洗浄する必要があり、最大 1 日間のダウンタイムが発生する可能性があります。

2. 二相浸漬冷却

単相浸漬システムと同様に、このシステムではサーバーと IT 機器を絶縁液体に浸します。ただし、コンポーネントが加熱されると、液体が沸騰して蒸気が発生します。この蒸気は、冷却水パイプ ネットワークが設置されている液体リザーバーの上部まで上昇します。蒸気は冷却パイプと接触して凝縮し、液体に戻ってリザーバーに滴り落ちます。一方、冷却パイプ内の加熱された水は、機器から熱を運び出し、データ センターから排出します。

利点:

●完全な熱吸収：このシステムは、単相浸漬と同様に、サーバー (GPU、CPU、メモリ モジュールなど) からのすべての熱を完全に吸収し、効率的に冷却します。

●高TDPをサポート:二相浸漬冷却は、単相システムに比べてはるかに高い熱負荷を処理できます。

●絶縁液：短絡を防止し、機器の安全な動作を保証します。

課題:

●絶縁液体との適合性：単相浸漬と同様に、損傷を避けるためにすべてのコンポーネントが絶縁液と互換性がある必要があり、特殊な機器やサーバーの変更が必要になります。

●キャビテーション被害：2 相システムでの沸騰プロセスによりキャビテーションが発生し、IT コンポーネント、プリント回路基板、はんだ接合部が損傷する可能性があります。

●インフラ投資：単相システムと同様に、二相浸漬冷却では、追加重量に対応するための大型の貯水槽や強化された建物構造など、インフラストラクチャへの多額の投資が必要です。

●メンテナンスの課題:貯水池と浸漬装置の重量のため、メンテナンス作業には通常クレーンが必要となり、ダウンタイムが長くなります。

●環境への影響：メンテナンスのために液体リザーバーが開かれるたびに、パーフルオロアルキル化合物 (PFAS) の蒸気が大気中に放出されます。その結果、冷却液 (数百リットル) が年間約 10% 失われ、環境問題につながります。

結論: データセンター冷却の未来

極めて高い熱負荷を効率的に処理できる浸漬冷却技術は、特に AI、HPC、その他の集中アプリケーションをサポートするように設計された現代のデータセンターにとって、急速に重要なソリューションになりつつあります。これらのシステムには熱管理とエネルギー効率の面で明らかな利点がありますが、重要なインフラストラクチャ要件、環境への影響の可能性、メンテナンスの課題を慎重に考慮する必要があります。

高性能コンピューティングの需要が高まり続ける中、液浸冷却システムは、増大する電力消費と放熱のニーズに対応しながらデータセンターを効果的に拡張できるようにする上で重要な役割を果たすことになります。

でトンユテクノロジーは、熱ソリューションの大手プロバイダーです。データセンターのニーズに合わせたカスタマイズされた冷却ソリューションについては、お気軽にお問い合わせください。