データセンターにおける液冷技術革命

AI、クラウドコンピューティング、ビッグデータなどの技術の革新的な発展に伴い、情報インフラとしてのデータセンターや通信機器の計算量は増大しています。データセンターのコンピューティング能力の急速な増加に伴い、単一キャビネットの電力密度が増加しており、放熱効率に対する要求が高まっています。一方、「デュアルカーボン」政策の下では、データセンターは「主要なエネルギー消費者」として、冷凍システムの電力消費量を削減するために、PUE指標を継続的に削減することが求められています。しかし、従来の空冷では上記の放熱要件を満たすことができなくなり、液体冷却技術が登場しました。

10 年前に市場で入手可能なデータ センター GPU の最上位は、熱設計電力 (TDP) 235 W の NVIDIA K40 でした。 NVIDIA が 2020 年に A100 をリリースしたとき、TDP は 400W 近くでしたが、最新の H100 チップでは TDP が 700W に急増しました。単一の高性能 AI チップの熱設計消費電力は 1000W に達しました。 Intelが1.5kWに達する可能性のあるチップを開発していることがわかりました。人工知能における競争は、最終的にはコンピューティング能力の競争に帰着します。高性能コンピューティング チップの主なボトルネックは、その放熱能力です。チップの TDP が 1000W を超える場合、液体冷却技術を採用する必要があります。

液体冷却技術は、コンピューター室の高密度実装と局所的な過熱の問題を効果的に解決できます。その中でも浸漬液体冷却は、熱放散とエネルギー節約において優れた利点を持っています。浸液冷却は、電子デバイスを冷却液に浸漬し、発生した熱を冷却液に直接伝え、液の循環によって伝導する代表的な直接接触液冷方式です。液浸液冷却は、電子デバイスの冷却時に使用する冷却液の状態変化の有無により、単相液浸液冷却と相変化液浸液冷却の2種類に分類されます。単相の利点は、導入コストと冷却媒体のコストが低く、冷却媒体がオーバーフローするリスクがないことです。相変化の利点は、より高い放熱能力と限界にありますが、コストと技術の成熟度の点で単相に比べてまだ遅れています。

単相浸漬冷却は、効率的で信頼性の高い熱管理を求めるデータセンターに魅力的なソリューションを提供します。この方法では、IT コンポーネントが特別に配合された絶縁性液体に完全に浸されます。この液体は、二相浸漬冷却と同様に、サーバーから熱を直接吸収します。二相システムとは異なり、単相冷却剤は沸騰したり相転移を起こしたりしません。冷却プロセス全体を通じて液体のままです。加熱された絶縁液体は、冷却分配ユニット (CDU) 内の熱交換器を通って循環します。この熱交換器は、熱エネルギーを独立した冷却媒体、通常は閉ループ水システムに伝達します。冷却された絶縁液体はポンプで浸漬タンクに戻され、冷却サイクルが完了します。

二相浸漬冷却システムでは、電子部品は、空気、水、または油よりもはるかに優れた熱伝導率を持つ断熱された熱伝導性液体バスに浸漬されます。二相液浸冷却の違いは、冷却剤が相転移を起こすことです。二相浸漬液冷却の熱伝達経路は基本的に単相液浸液冷却の熱伝達経路と同じですが、主な違いは、二次側冷却材が浸漬チャンバーの内部領域のみを循環し、その上部に二次側冷却剤が循環することです。浸漬チャンバーはガスゾーンであり、底部は液体ゾーンである。 IT機器は低沸点液体冷媒に完全に浸されており、機器から熱を吸収して沸騰します。気化して生じた高温のガス状冷媒は、密度が低いため徐々に浸漬室の上部に集まり、上部に設置されたコンデンサーと熱交換して凝縮し、低温の液体冷媒となります。その後、重力の作用でチャンバーの底に戻り、IT 機器の熱を放散します。

チップであれ電子デバイスであれ、放熱技術の革新的な開発の過程では、製品の量、設計コスト、信頼性などの側面が企業にとって避けられない閾値となります。これらは、放熱技術がバランスをとって解決しなければならない問題でもあります。現在のパターンに最適なソリューションを見つけるために、さまざまな組み合わせ技術を使用して、さまざまな放熱材料、技術、アプリケーションシナリオ向けの製品を開発できます。