ICT業界におけるコールドプレート液体冷却技術の利点
Sep 05, 2024
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現在、コンピューティング パワー センターで採用されている液体冷却技術は、主にコールド プレート液体冷却、スプレー液体冷却、浸漬液体冷却で構成されています。
スプレー液体冷却は、冷却媒体をスプレーの形でサーバーの熱源に放出し、蒸発と熱の吸収によって放熱を実現します。
浸漬液冷では、サーバー全体またはサーバー コンポーネントを冷却剤に完全に浸漬し、直接接触によって熱を放散します。コールド プレート液冷と比較して、スプレーおよび浸漬液冷技術は、電力密度が非常に高い場合に、より高い冷却効率を実現できます。
ただし、スプレー式および浸漬式の液体冷却技術は実装と保守が比較的複雑で、安全性と環境への配慮がさらに必要となり、より多くの投資が必要になります。直接接触式の液体冷却技術と比較して、コールドプレート式の液体冷却には次のような利点があります。
I 高密度: 高密度ノードの展開により、ラックあたりのコンピューティング能力を効果的に強化できます。
人工知能、ビッグデータ分析、仮想化、高性能コンピューティングなどの技術の急速な発展に伴い、コンピューティング パワー センターではますます多くのコンピューティング パワーが求められています。しかし、建物のスペースや環境規制によって制限されるコンピューティング パワー センターの収容能力には限界があり、これが大きな課題となっています。ラックあたりの電力密度を高めることが、この問題を解決するための重要な方法となっています。
▲ コンピューティングパワーセンター
2022年、Intelの第4世代サーバープロセッサの消費電力はCPUあたり350Wを超え、NVIDIAのGPUはユニットあたり700Wを超え、AIクラスターのコンピューティング密度はラックあたり50kWに達するのが一般的です。現在、自然空冷式コンピューティングパワーセンターのラックあたりの電力密度は、通常8-10kWしかサポートしていません。従来の空冷技術だけに頼っていては、高密度コンピューティングノードの冷却ニーズを満たすことができなくなりました。そのため、ノードの展開密度を高め、ラックあたりのコンピューティング容量を強化するために、新しい冷却技術を採用することが特に重要になっています。
コールドプレート液体冷却システムは、ラックの電力密度を高めるための効果的な冷却技術です。
- 効率的な冷却性能: コールドプレート液体冷却技術は、液体冷却プレートをサーバーノードと密接に統合し、熱を直接除去して効率的な冷却を実現し、より高い電力密度を実現します。
- フットプリントの小型化: 効率的な冷却性能に加え、コールドプレート液体冷却技術はフットプリントも小型化します。液体冷却プレートとサーバーノードの緊密な統合によりスペースが節約され、コンピューティングパワーセンターは限られたスペース内により多くのノードを配置できるようになり、コンピューティング容量の密度がさらに高まります。
II 高効率：熱源側の液体冷却により、サーバーの冷却効率が大幅に向上
空気の熱伝達特性により、空冷技術の冷却効率には限界があります。空気の熱伝導率が低く、環境温度の変動の影響を受けやすいため、高温環境での空冷システムの冷却性能は大きく左右されます。さらに、空冷システムの冷却能力は、気流速度や空気循環条件によっても制限されます。対照的に、熱伝達効率が高く、冷却性能が安定している液体冷却技術は、高電力密度および高温環境で優れています。そのため、ますます多くのコンピューティング パワー センターが、コンピューティング パワーの需要の高まりに対応するために、液体冷却技術に移行しています。
▲ コールドプレート液体冷却技術
コールドプレート液体冷却技術は、熱伝達媒体として空気を冷却剤に置き換え、冷却剤を発熱チップモジュールに直接送ります。間接接触熱伝達により、チップによって発生した熱が伝導され、チップモジュールの温度が下がり、冷却効率とコンピューティング性能の両方が向上します。
- 液体の比熱容量は気体のそれよりはるかに高いため、単位温度変化あたりの熱吸収/放出量は空気よりはるかに大きく、冷却効率が大幅に向上します。たとえば、水の単位体積あたりの熱伝達効率は空気の 3,500 倍であり、高密度化するサーバーの冷却の課題に効果的に対応します。
- さらに、空冷を液冷に置き換えることでファンが不要になり、冷却システム全体の動作エネルギー消費が削減されます。 1 つの典型的なノードでは、CPU とメモリの 80% をコールド プレートでカバーすることで、冷却 PUE を 1.15 以下に削減できます。 そのため、空冷と比較して、液冷は個々のチップに対してより高い冷却能力を提供します。
III 高い信頼性:科学的に設計されたシナリオにより、信頼性が高く安定したシステム運用が保証されます。
液体冷却システム内の冷却剤は、正常な動作を維持するための重要な要素の 1 つです。専門的な漏れ防止設計と運用管理は、コールドプレート液体冷却システムの安定性にとって重要です。長年の開発と改善を経て、コールドプレート液体冷却技術の信頼性は十分に確保され、漏れ防止設計、完全な漏れ監視、障害管理などの安全対策により、多角的で包括的な障害リスク防止が提供され、システム機器が安全で安定した環境で動作することが保証され、環境と人の安全の両方が保護されます。
▲ 液体冷却システム
コールド プレート液体冷却システムは 3 段階の漏れ防止設計を採用しており、ノード、キャビネット、部屋の各レベルで漏れ事故をゼロにします。
- ノード ベースは完全に密閉されており、漏れが発生した場合はすぐに方向を定めて排出し、他のノードへの影響を防ぎます。
- キャビネットには、冷却液の自動制御用のクイックコネクトリークスプレー設計と電磁弁が装備されています。
- この部屋ではデュアルループ設計が採用されており、キャビネットの 1 つの漏れが隔離され、他のキャビネットの通常の動作に影響を与えないことが保証されます。
コールドプレート液体冷却システムは、完全な漏れ監視を実現できます。キャビネット全体に 3 段階の漏れ検出機能が装備されており、正確な漏れ警告を提供します。
- ノードは水に浸したロープスリーブを使用して漏れを検出し、監視と警告のために BMC (ボード管理コントローラ) に報告します。
- キャビネットの仕切りには、給水口と排水口の両方に光電式漏水センサーが装備されており、RMU (リング メイン ユニット) 監視アラートがネットワーク管理プラットフォームに報告されます。
- 気液熱交換器（液冷ドア）はフロートセンサーで水位を監視し、RMU を介してネットワーク管理プラットフォームにアラートを報告します。
IV 低エネルギー消費: 革新的な省エネ技術がコンピューティングパワーセンターのグリーンかつ低炭素な開発を導く
コンピューティング パワー センターは主要なエネルギー消費源ですが、IT 負荷に供給する電力はごくわずかで、主なエネルギー消費は冷却システムによるものです。ファンと空調を、継続的な電力消費を必要としないコールド プレート液体冷却技術に置き換えることで、コンピューティング パワー センターの全体的なエネルギー消費を大幅に削減し、PUE 値を大幅に下げることができます。コールド プレート液体冷却技術は、冷気分配、正確な温度制御、温水冷却、廃熱回収などの一連の省エネ技術を通じて、コンピューティング パワー センターの電力消費を大幅に削減し、効率的なエネルギー利用を実現します。
▲ パワーセンター
コールドプレート液体冷却技術は、冷却分配ユニットを通じて低温の冷却剤を発熱部品に直接供給し、サーバーで発生した熱を迅速かつ効率的に吸収し、熱伝達経路を効果的に短縮してシステムの冷却効率を向上させます。
- 従来の空冷システムと比較して、コールドプレート液体冷却システムは広範囲にわたる空冷の必要性を減らし、正確な温度制御を可能にし、コンピューティングパワーセンターの冷却エネルギー消費を大幅に削減します。
- さらに、コールドプレート液冷技術は温水冷却を採用しており、出口水温は 55-60 度に達し、年間を通じて自然冷却が可能です。さらに、戻り水温は 55 度を超え、高い熱品質により廃熱を回収して再利用できます。温水液冷は冷却システムの放熱負荷を軽減し、廃熱回収は全体的なエネルギー消費を抑えます。これらを組み合わせることで、コンピューティング パワー センターのエネルギー消費を大幅に削減できます。冷却システム自体のエネルギー消費が削減されるほか、コールドプレート液冷はチップ温度をさらに下げ、信頼性の向上とエネルギー消費の削減につながります。システム全体のエネルギー消費は約 5% 減少すると予想されます。
V メンテナンスが簡単: 統合されたサーバーキャビネットにより、自動化されたインテリジェントな簡素化されたメンテナンスが可能になります。
技術の発展と需要の増加に伴い、コンピューティング パワー センターの規模は拡大しており、そのアプリケーションとシステム環境はより複雑になり、安定性とセキュリティを確保するためにより多くの人材と技術サポートが必要になります。統合型コールド プレート液体冷却キャビネットは、迅速な導入とメンテナンスの利便性という利点により、市場で広く認識されています。
▲ 一体型コールドプレート液冷キャビネット
液冷式サーバー キャビネットは、液冷水回路、電源、交換ネットワーク用の 3 バス ブラインド挿入設計により、ケーブルなしで自動メンテナンスを実現し、メンテナンス プロセスを大幅に簡素化し、障害のリスクを軽減します。
- 液冷式サーバーキャビネットは、生産ラインで設置、テスト、デバッグされた後、顧客のデータセンターに直接配送できるため、現場での設置が不要になり、配送サイクルが数日間に短縮されます。
- 二次側パイプラインはモジュール設計を採用しており、コンポーネントは工場で事前に製造されているため、現場での溶接やフラッシングが不要になり、効率が 50% 向上し、展開と起動が大幅に加速されます。
- さらに、液冷式サーバー キャビネットには、ロボットによるメンテナンス、サーバーの U 位置の自動識別、サードパーティのネットワーク管理統合、インテリジェントな管理などの機能があり、メンテナンス プロセスを簡素化するとともにメンテナンスの効率を向上させます。
統合設計により、液冷サーバー キャビネットのゼロケーブル自動メンテナンス、効率的なコンポーネント交換、迅速なキャビネット配送、効率的なパイプライン設計、インテリジェントなメンテナンス機能により、メンテナンスの利便性が向上し、導入が迅速化され、運用が効率化されるとともに、メンテナンス コストと労力が削減されます。これらの利点により、液冷サーバー キャビネットは、コンピューティング パワー センターの信頼性の高い運用と将来の開発に最適な選択肢となります。
VI Easy Retrofit: 柔軟な操作性の利点により、古いデータセンターのアップグレードと変革をサポートします。
エネルギー消費の要件とポリシーが厳しくなる中、従来のコンピューティング パワー センターは大きな課題に直面しています。エネルギー節約と環境保護の要求を満たすために、コンピューティング パワー センターの運営者は効果的な対策を講じる必要があります。その中でも、空気から液体への改造は、その優れた経済効率、高いエネルギー利用率、優れたパフォーマンスにより、コンピューティング パワー センターの運営者が現在のエネルギー消費要件と環境課題に適応するための実現可能な方法となっています。
▲ 液体冷却技術
一部またはすべてのサーバーの冷却方法を従来の空冷技術から効率的な液体冷却技術に移行することで、コンピューティング パワー センターはエネルギー利用率を大幅に向上させ、PUE 値を削減し、全体的なエネルギー消費を削減できます。この移行により、エネルギー消費要件を満たすだけでなく、サーバーの冷却効率が向上し、コンピューティング能力が向上し、ファンの騒音や空気循環に関連する問題が軽減され、サーバーの安定性と信頼性が向上します。
- まず、コールドプレート液冷技術は、発熱部品との材料適合性が優れています。コールドプレート液冷システムでは、冷却剤はコールドプレートのパイプラインを流れるだけで、サーバーのマザーボードや発熱部品に直接接触することはありません。そのため、マザーボードや発熱部品に特別な材料設計は必要ありません。冷却剤を選択するときは、循環パイプラインとコールドプレートとの適合性を考慮するだけで済みます。これにより、コールドプレート液冷技術は、ハードウェアを大幅に変更することなく、より柔軟でさまざまなサーバー機器に適したものになります。
- 第二に、コールドプレート液体冷却技術は後付けが簡単です。この技術は、サーバーのマザーボードの元の形状を変更するのではなく、既存のマザーボードを保持しながら修正します。この修正方法は、簡単に分解して簡単に設置できるだけでなく、技術、産業、大規模生産の面でも実現可能性が高くなります。マザーボードの大幅な変更や交換を必要としないため、コールドプレート液体冷却技術の設置とメンテナンスはより簡単で便利であり、技術と産業における生産の拡大の難しさも軽減されます。対照的に、浸漬液体冷却技術では、通常、完全に水没する特性に対応するために特殊な液体冷却マザーボードの設計が必要であり、間違いなく技術コストと製造コストの両方が増加します。
これらの利点を活用することで、コールドプレート液体冷却技術は実際のアプリケーションにおいてより便利でコスト効率が高くなり、コンピューティング パワー センターの古い空冷式液体冷却システムをアップグレードおよび改造するための推奨技術になります。