AIデータセンターにおける液冷・放熱技術の解析

生成 AI とさまざまな大規模モデルは、まったく新しいアプリケーション エクスペリエンスをもたらしますが、コンピューティング能力に対する要求も高まります。データセンターの運用管理者にとって、GPU サーバーの電力密度の大幅な増加により、データセンターの冷凍設備と技術に対する要件が高まっています。したがって、コンピューティング能力自体に焦点を当てることに加えて、データセンターの電力消費と冷却によってもたらされるさまざまな問題にもより注意を払っています。

AI コンピューティング能力に対する強い需要により、データセンター内の GPU サーバーの数が大幅に増加し、消費電力の問題がますます顕著になっています。データセンターの空冷単一キャビネットの最大合計電力は 15kW であることがわかっています。同じラックアップ率でも、GPU サーバーによってもたらされる電力増加は単一キャビネットの限界に近づいています。ただし、GPU の消費電力は依然として増加し続けています。高電力消費と高密度のシナリオに直面すると、従来の空冷では明らかにエネルギー消費と熱放散のニーズを満たすことができません。超高エネルギー効率と超高熱密度を備えた液体冷却技術は、インテリジェント コンピューティング センターの温度制御ソリューションに必要なオプションとなっています。

従来の空冷データセンターでは、機器の冷却と放熱にかかるエネルギー消費量が40%にも達し、放熱効率も高くありません。データセンターにおける従来の空冷は、その制限のため、一般に 8-10kW の単一キャビネット密度で設計されています。液体冷却技術の熱伝導率は空気の 25 倍で、同体積の空気よりもほぼ 3000 倍多くの熱を運ぶため、単一キャビネットの密度は 30kW を超えます。したがって、スペースを大幅に節約し、単一のデータセンター内のキャビネットの配置密度をさらに向上させ、データセンターの単位面積の利用率を向上させることができます。
しかし、現在、液冷業界には統一された技術と建設基準が存在せず、従来の空冷冷却と比較して、液冷データセンターの建設コストは依然として高すぎます。液体冷却技術の急速な発展と、統一された技術と建設基準の欠如により、その後の管理とメンテナンスに重大な課題がもたらされました。

現在、液冷技術としては、コールドプレート液冷方式に代表される間接液冷技術と液浸液冷方式に代表される直接液冷技術が主である。両者の放熱設計の違いにより、放熱効率にも大きな差が生じます。

間接熱放散テクノロジーは、CPU、メモリ、GPU、ハードドライブ、およびコールドプレートなどのその他の媒体の表面に接触し、冷媒の流れを利用して熱を持ち去ることによって実現されます。間接液体冷却技術には、コールド プレートやその他の媒体に加えて、熱交換器、パイプライン、ポンプ、冷却剤、制御システムなどのコンポーネントも含まれます。コールド プレート液体冷却システムは、間接液体冷却技術の主要なソリューションとなっています。間接液冷技術の主な利点は、既存のサーバーの形式を変更する必要がなく、設計の技術的難易度が低く、導入の難易度が比較的低く、その後の運用や保守管理の難易度が比較的低いことです。また、冷却媒体にエチレングリコール水溶液を使用するため、コストが安くなります。
欠点は、放熱効率が比較的低く、部品点数が多いため故障率が比較的高いことです。現在、コールド プレート液体冷却システムは、ほとんどのデータ センターで推奨されるソリューションとなっています。

直接液体冷却技術とは、CPU、GPU、マザーボード、メモリなどと冷却剤が直接接触し、ハードウェアの表面を直接流れて熱を吸収して奪います。現在、直接液体冷却技術には、浸漬液体冷却システムとスプレー液体冷却システムが含まれます。冷却媒体が相変化を起こすかどうかに応じて、単相浸漬と相変化浸漬に分類できます。
直接液冷技術は、間接放熱技術と比較して、液体と熱源の間に中間の導電媒体が存在しないため、より直接的に熱を液体に伝えることができるため、放熱効率が高くなります。ただし、直接液冷テクノロジーは、データセンター全体の再設計と変革が必要なため、導入がより難しく、コストがかかります。現在、直接液体冷却技術は、高い放熱効率が必要なシナリオで主に使用されています。

現在、コールドプレート液冷システムがより成熟するにつれて、データセンターに最初に導入される主流の液冷技術になるでしょう。コールドプレート液冷技術の普及に影響を与えるコスト、運用保守、安全性などの問題も、技術の開発と標準化によって解決されます。
技術の継続的な開発により、浸漬液冷システムは高密度の新しいデータセンターでも広く使用されるようになり、データセンターの放熱効率がさらに向上し、コンピューティング能力レベルが大幅に向上します。