シングルフェーズ浸漬冷却がサーバー冷却を改善する方法

カタログ

シングルフェーズ液体浸漬冷却とは？

シングルフェーズ液体浸漬冷却は、サーバー、プロセッサー、GPU、およびその他の電子コンポーネントが誘電体流体で満たされたタンクの中に置かれる冷却方法です。この流体は非導電性であるため、短絡を引き起こすことなく電気部品に安全に触れることができます。主な役割は、ハードウェアから直接熱を吸収し、その熱を機器から移動させることです。

シングルフェーズと呼ばれるのは、冷却剤が通常の運転中に液体の形態を保つためです。沸騰したり、蒸発したり、蒸気に変わったりしません。これは、流体が液体から蒸気に変わり、再び液体に凝縮する二相浸漬冷却とは異なります。

この冷却方法は、空気冷却ではもはや十分でない高密度計算環境で主に使用されます。データセンター、AIサーバー、高性能計算システム、その他の小さな空間で高い熱を発生させるアプリケーションに役立ちます。部品から直接熱を除去することで、温度制御の改善、ファンの必要性の低減、騒音の低下、およびより高い電力密度のサポートが可能になります。

シングルフェーズ浸漬冷却の仕組み

シングルフェーズ浸漬冷却システムでは、サーバーラックまたは電子機器が誘電体冷却剤に浸されています。コンポーネントが動作すると、周囲の液体に熱を放出します。冷却剤は、空気よりも直接的にこの熱を吸収するため、ハードウェアをより安定した運転温度に保つのに役立ちます。

図に示すように、温まった冷却剤はサーバーラックの上部を離れ、冷却剤配分ユニットに向かって流れます。このユニットは液体の移動を管理し、冷却経路に送ります。ポンプは冷却剤の循環を保ち、システムから継続的に熱を除去できるようにします。

温まった冷却剤は、冷却剤から水への熱交換器を通過します。このシステムの部分では、誘電体流体から別の冷却ループ（例えば、水ループ）に熱が移転されます。一度冷却剤が熱を放出すると、必要な温度で浸漬タンクに戻ります。

残りの熱は、蒸発冷却塔、ドライクーラー、または既存の冷却水ループなどの最終熱放出システムを通じて取り除かれます。このプロセスの後、同じ液体がシステムを循環し続けます。冷却剤はサイクル全体で液体のままであるため、システムは二相浸漬冷却よりもシンプルでありながら、高密度データセンター機器に対して効果的な冷却を提供します。

浸漬冷却によって解決される問題

高密度のコンピュータハードウェアからの高熱

浸漬冷却は、現代のサーバー、GPU、CPU、および電源コンポーネントによって生成される高熱の問題を解決するのに役立ちます。データセンターがAI、クラウドコンピューティング、および高性能コンピューティングのためにより強力なハードウェアを使用するにつれて、より小さな空間でより多くの熱が生成されます。従来の空気冷却は、この熱を均等に除去するのに苦労することがあり、特に多くの高出力コンポーネントが近接して配置されている場合はそうです。浸漬冷却は、冷却剤がコンポーネントに直接触れ、熱をより効率的に吸収できるようにすることで、熱の除去を改善します。

限定された空気冷却能力

空気冷却は、ファン、気流パス、ヒートシンク、および部屋レベルの冷却システムに依存しています。ラックの電力密度が増すと、これは効果が薄れることがあります。気流がブロックされたり不均等になると、ある部分が他の部分よりも熱くなることがあります。浸漬冷却は、熱が空気の移動のみに依存せず、液体に転送されるため、この問題を軽減します。これにより、高密度機器を冷却する際に、より大きなファンやより複雑な気流設計を必要とせずに済みます。

CPUおよびGPUの周囲のホットスポット

ホットスポットは、特定のコンポーネントがシステムの他の部分よりもはるかに熱くなる領域です。これらはしばしばCPU、GPU、メモリモジュール、および電源供給部分の周囲で発生します。これらのホットスポットは、パフォーマンスを低下させたり、ハードウェアの寿命を短くしたり、サーマルスロットリングを引き起こす可能性があります。浸漬冷却は、ハードウェアを冷却剤で囲むことによって役立ち、これにより重要なコンポーネントから熱をより均等に拡散して除去します。

高いファンの消費電力と騒音

空冷システムでは、熱出力が増加するにつれてファンがさらに働かなければなりません。これにより、より多くの電力が消費され、騒音も増加します。大規模なデータセンターでは、ファンのエネルギー消費が総消費電力の主要な部分になることがあります。浸漬冷却は、液体がほとんどの熱伝達を処理するため、サーバーファンの必要性を減少または排除できます。これにより、騒音レベルを下げ、内部冷却に使用される電力を減少させることができます。

データセンターのスペース限界

コンピューティング需要が増大するにつれて、データセンターはしばしば同じ物理的スペースにより多くの電力と性能を収容する必要があります。空気冷却は、あまりにも多くの熱が管理しにくくなるため、1ラックに配置できるハードウェアの量を制限することがあります。浸漬冷却は、ハードウェアからの熱をより直接的に除去することで、高い電力密度をサポートします。これにより、システムが適切に設計されていれば、より小さな面積でより多くのコンピューティング能力を実現できます。

温度の不安定性

ワークロードの急激な変化により、サーバーの温度が急速に上昇および下降することがあります。これはAIトレーニング、クラウドコンピューティング、レンダリング、および高性能コンピューティングタスクで一般的です。不安定な温度は、パフォーマンスと信頼性に影響を与える可能性があります。浸漬冷却は、液体が運転中に連続的に熱を吸収し、運ぶことができるため、温度をより安定させるのに役立ちます。

冷却エネルギーの無駄

従来の冷却システムは、強力な気流、大型エアコンユニット、および慎重な室温管理を必要とする場合があります。これは、特に高熱負荷の施設でエネルギーを無駄にする可能性があります。浸漬冷却は、ハードウェアから冷却ループへの熱の転送をより効率的に行うことにより、冷却エネルギー需要を削減できます。これにより、特に高密度環境において、全体的なデータセンターの効率を改善するのに役立ちます。

将来のハードウェアの冷却の難しさ

新しいプロセッサ、GPU、およびAIアクセラレータは、電力消費量が増加し続けています。一部の将来のハードウェアは、空気だけで冷却することが難しい場合があります。浸漬冷却は、強力な冷却経路を提供することによって、高性能機器のためにデータセンターを準備するのに役立ちます。これにより、オペレーターは次世代サーバーや高出力コンピューティングシステムの計画を立てる際に、より柔軟性を持つことができます。

一般的な単相浸漬冷却システム

• 浸漬タンク – サーバーと誘電体冷却剤を保持します。

• OEMサーバー – 冷却タンク内に配置された電子機器。

• 誘電体冷却剤 – ハードウェアを安全に囲み、熱を吸収する非導電性液体。

• 温水冷却剤の出力 – 熱を吸収した後、サーバーエリアを出る加熱された冷却剤。

• 冷却剤の冷却入力 – さらに熱を吸収するためにタンクに戻る冷却された誘電流体。

• 冷却剤循環経路 – タンクと冷却ユニットの間で冷却剤を移動させる流れのルート。

• ヒートエクスチェンジャー – 温かい誘電体冷却液から別の水ループに熱を移動します。

• 冷水入力 – ヒートエクスチェンジャーに入って冷却液から熱を吸収する冷たい水。

• 温水出力 – 熱を集めた後、ヒートエクスチェンジャーを出る加熱された水。

• ポンプまたは冷却液分配ユニット – システム内で冷却液を移動し、循環を安定させます。

沈浸冷却用誘電体流体

誘電体流体は、沈浸冷却システムで使用される非導電性液体です。これにより、サーバー、プロセッサー、GPU、および回路基板を流体内に直接配置しても電気的ショート回路を引き起こしません。主な役割はハードウェアから熱を吸収し、それをシステムから運び出すことです。

単相沈浸冷却では、流体は液体の形を保ちます。沸騰せず、蒸気に変わりません。温かい流体はヒートエクスチェンジャーに移動し、熱を放出し、冷却された流体としてタンクに戻ります。

一般的な誘電体流体には、鉱油ベースの流体、合成炭化水素流体、およびエステルベースの流体が含まれます。各タイプは異なるコスト、冷却性能、粘度、安全性、および材料の互換性を持っています。流体はケーブル、プラスチック、シール、コネクタ、および他のサーバー材料と適切に機能する必要があります。

適切な誘電体流体を選択することは重要です。冷却効率、メンテナンス、ハードウェアの寿命、およびシステムの信頼性に影響を与えるからです。良い流体は熱をうまく移動し、時間が経っても安定しており、監視とメンテナンスが容易であるべきです。

単相対二相沈浸冷却

上述したように、単相沈浸冷却は冷却プロセス全体で液体の形に留まる誘電体流体を使用します。液体はハードウェアから熱を吸収し、ヒートエクスチェンジャーを通って冷却後にタンクに戻ります。これにより、沸騰や蒸気制御に依存しないため、システムは理解しやすく、操作が簡単で、メンテナンスも容易になります。

二相沈浸冷却は異なる動作をします。このシステムでは、誘電体流体が熱いコンポーネントに接触すると沸騰します。液体は蒸気に変わり、タンク内で上昇し、コンデンサーを通じて再び液体に凝縮します。この相変化プロセスは、特に非常に高出力のシステムで熱を非常に効果的に除去できますが、通常はより制御された複雑な設計を必要とします。

単相沈浸冷却対空冷却

空冷は、ほとんどのデータセンターで使用される従来の方法です。これは、空気をヒートシンク、ファン、およびサーバーラックの上に移動させて熱を除去します。このセットアップは馴染みがあり、メンテナンスも簡単で、標準的なワークロードに適しています。しかし、サーバーがより強力になるにつれて、高出力のCPU、GPU、またはAIアクセラレーターを搭載したラックでは、空冷が熱を均等に管理するのが難しくなることがあります。

単相沈浸冷却は異なるアプローチを使用します。空気の流れに依存する代わりに、ハードウェアを直接コンポーネントから熱を吸収する誘電体液体に配置します。これにより、システムはより強力な熱接触を持ち、密集した計算環境でホットスポットを減少させるのに役立ちます。空冷がファンの電力を増加させたり、より大きな冷却システムを使用したりせずに温度を安定させることができなくなる場合に役立ちます。

ほとんどの施設はすでに空冷をサポートしており、技術者はそのメンテナンスプロセスに精通しています。単相沈浸冷却の主な利点は、より小さなスペースで高い冷却能力を持つことです。より密なハードウェアレイアウトをサポートし、ファンノイズを減少させ、熱制御を改善できますが、特別なタンク、冷却液の取り扱い、および互換性のあるハードウェアが必要です。

沈浸冷却とダイレクトチップ冷却

沈浸冷却とダイレクトチップ冷却は、どちらも高出力サーバー、AIシステム、およびデータセンターの熱管理に使用されます。主な違いは、ハードウェアから熱を取り除く方法です。

単相沈浸冷却では、サーバーまたは電子機器を不 dielectric fluid で満たしたタンクの中に置きます。液体はハードウェアを囲み、同時に多くのコンポーネントから熱を吸収します。ダイレクトチップ冷却では、液体は CPU、GPU、およびアクセラレータなどの高熱部分にのみ取り付けられた冷却プレートを通ります。より伝統的なラックデザインを維持しつつも、ポンプ、チューブ、フィッティング、および慎重な漏れ管理が必要です。

実世界の応用

• AIデータセンター – トレーニングと推論中に大量の熱を発生させる高出力GPUおよびAIアクセラレータを冷却するために使用されます。

• 高性能コンピューティング – シミュレーション、研究、工学、および複雑な計算に使用されるシステムの熱管理を支援します。

• クラウドおよびエンタープライズデータセンター – 従来の空冷が効率が悪くなるときに、より高いラック密度とより良い冷却をサポートします。

• 暗号通貨のマイニング – 連続して稼働するマイニング機械での熱およびファンノイズを削減します。

• エッジデータセンター – スペースが限られており効率的な冷却が必要なコンパクトなサイトに役立ちます。

• 産業用コンピューティングシステム – 埃っぽい、暑い、または気流が制限された環境で使用されるハードウェアを保護し冷却するのに役立ちます。

• 電力エレクトロニクス – 安定した熱制御が必要なコンバータ、インバータ、および電力モジュールに使用されます。

安全および環境への配慮

単相沈浸冷却は、電気を導通しない不 dielectric fluid を使用しているため、一般的に電子機器には安全です。しかし、液体は適切に取り扱う必要があります。データセンターにはタンクの充填、サーバーの取り外し、コンポーネントの清掃、漏れ防止のための明確な安全手順が必要です。作業者も冷却液の製造業者の取り扱いガイドラインに従うべきです。

一部の不 dielectric fluids は他のものよりも発火点が高いため、選択された液体は施設の安全要件に一致する必要があります。システムには適切な監視、漏れ管理、換気、および緊急手順も含まれるべきです。

環境影響は使用される冷却液の種類によって異なります。いくつかの液体は長期間持続するように設計されており、冷却エネルギー使用量を減少させる可能性がありますが、それでも適切な保管、フィルタリング、および処分が必要です。冷却液は排水や環境に放出されるべきではありません。使用済み液体は地域の廃棄物および環境規制に従って取り扱う必要があります。

単相沈浸冷却は、システム設計によってはファンの電力、ノイズ、および時には水の使用を削減するのに役立ちます。しかし、液体の種類、エネルギーの節約、メンテナンスプロセス、処分方法が適切に考慮されていない限り、自動的に「グリーン」と呼ぶべきではありません。

よくある質問 [FAQ]

1. なぜ単相沈浸冷却がAIデータセンターにとって重要になっているのですか？

単相浸漬冷却は、AIサーバーが強力なGPUやアクセラレーターを使用し、小さな空間で大量の熱を発生させるため、重要性を増しています。空冷はこの熱を均等に管理するのが難しいことがありますが、浸漬冷却は誘電体液を通じて直接熱を除去します。これにより、ラックの密度が高まり、温度の安定性が向上し、ファンの使用も減少します。

2. 単相浸漬冷却は通常の液体冷却と何が違うのですか？

通常の液体冷却、例えばチップ直接冷却は、冷却剤をCPUやGPUに取り付けられた冷却プレートを通して送ります。単相浸漬冷却は、サーバー全体または電子機器を誘電体液の中に置きます。これにより、液体は主要なチップだけでなく、多くのコンポーネントから熱を吸収することができます。

3. 単相浸漬冷却はすべてのデータセンターにおいて空冷よりも優れていますか？

いいえ。空冷は標準的なサーバールームや通常のラック負荷に対して実用的です。単相浸漬冷却は、熱密度が高い場合、スペースが限られている場合、ファンノイズの問題がある場合、または空冷がもはや温度を安定させることができない場合に優れています。また、特別なタンク、冷却剤の取り扱い、互換性のあるハードウェアが必要です。

4. なぜ冷却剤は誘電体でなければならないのですか？

冷却剤は電気部品に直接触れるため、誘電体でなければなりません。誘電体液は電気を導かないため、回路基板、プロセッサ、GPU、電力部品を安全に取り囲むことができ、短絡を引き起こしません。また、良好な熱伝導能力と長期的な安定性も必要です。

5. 誤った誘電体液を使用する主なリスクは何ですか？

誤った液体を使用すると、冷却不足、材料劣化、汚染、またはメンテナンスの問題を引き起こす可能性があります。一部の液体は、時間が経つにつれプラスチック、シール、ケーブル、ラベル、またはコネクタに影響を与えることがあります。これが、冷却剤の互換性をシステムの完全な展開前に確認する必要がある理由です。

6. 単相浸漬冷却はホットスポットの軽減にどのように貢献しますか？

ホットスポットは、CPUやGPUなどの特定の部品がシステムの他の部分よりもはるかに高温になると発生します。浸漬冷却では、誘電体液がハードウェアを取り囲み、多くの表面から直接熱を吸収します。これにより、空気流による冷却よりも均等な熱除去が可能になります。