液冷データセンターエンジニアリング技術の開発と考察

 

液体の単位体積あたりの比熱容量は空気の約 1000 倍であるため、液体冷却 (熱放散) は従来の空冷よりもはるかに大きな冷却能力を持っています。これは、超高熱流束密度によって発生する熱を放散するための効果的なソリューションです。 1964 年、大型メインフレームの過熱とダウンタイムに対処するために、IBM は液冷コンピューターの先駆となる世界初の冷蔵水冷コンピューター System360 を開発しました。最近、国および地方のエネルギー効率管理政策により、液冷技術がデータセンター業界で再び広く注目を集めており、一連の液冷データセンターエンジニアリング技術の開発につながっています。

 

 

I 液体冷却の実装方法

 

広義には、液体冷却は液体冷却に関連するすべての技術を指します。業界では、ラックの背面パネルに冷水コイルを取り付けるなどの方法がよく知られていますが、これは液体冷却とみなされ、液体冷却の広い概念に該当します。中国電子研究院 (CIE) は、一連の水冷データセンター設計標準の開発中に、業界の議論を通じて液冷の概念を明確にしました。その定義によれば、液体冷却は特に電子チップから発生する熱を液体を使用して直接除去することを指すため、狭義の液体冷却はサーバー内部の冷却プロセスのみを指します。

 

液体冷却の狭義の観点からは、冷却液と電子チップの直接接触、または熱伝導率の高い固体材料を介した間接接触の 2 つの主なカテゴリに分類できます。これらは、接触の形態、冷却液の種類、冷却液が相変化するかどうかに基づいてさらに細分化できます。液体冷却方式は一般に 8 つのカテゴリに分類されると考えられます (表 1 を参照)。

 

▲ 表 1: 水冷実装分類

 

 

II データセンターシナリオにおける液体冷却の需要

 

データセンターで一般的に使用されている従来の空冷システムと同様に、液体冷却の役割は、サーバーなどの IT 機器やその他の設備機器 (UPS バッテリーなど) から発生する熱を除去し、適切な温度と湿度で比較的安定した環境を維持することです。データセンター内。

 

まず、熱放散のニーズが液体冷却技術の開発の中心となる原動力です。データ処理機能に対する需要が急速に高まる中、電子チップの統合は今後も飛躍的に成長し続けると考えられます。これにより、電力密度と熱流束密度が増加します。データ伝送速度の高速化とユーザーの利便性の向上へのニーズにより、機器の集積度が高まり、サーバーなどのIT機器の放熱要件も厳しくなります。これにより、運用における環境への要求も高まります。その結果、空冷には、より高速でより大きな直径のファンとより大きな放熱チャネルが必要となり、その結果、騒音が大きくなり、環境への熱影響が大きくなり、建設コストと運用コストが増加します。液体冷却はコストパフォーマンスに優れています。

 

第二に、エネルギー効率管理政策により、液体冷却技術の採用が促進されています。データセンター業界が液体冷却に注目しているもう 1 つの重要な理由は、国および地方のエネルギー効率管理政策によるものです。データセンターの電力使用効率 (PUE) に対する国および地方の要件はますます厳しくなり、液体冷却がデータセンター業界で注目を集めています。最新の国家基準であるデータセンターのエネルギー効率限界値とエネルギー効率グレード (GB 40879-2021) では、エネルギー消費量を 1.3 未満にすることが求められていますが、国内のほとんどの地域では空冷のみを使用してこれを達成するのは困難です。液体冷却技術の使用。

 

第三に、廃熱回収の利便性により、データセンターでの液体冷却の採用が促進される可能性があります。液体冷却ソリューションを使用して構築されたデータセンターは、比較的高品質の廃熱を有し、回収が容易です。液冷データセンターにおける廃熱回収プロジェクトは、総合的なエネルギー利用を実現し、エネルギー効率を向上させる効果的な方法です。一部の学者はすでに、都市や工業団地の熱源として大規模なデータセンターを建設するというアイデアを提案している。

 

 

Ⅲ 水冷データセンターエンジニアリング技術の開発

 

電子チップから発生した熱を液体冷却によって除去するプロセスは、データセンターにおける冷却プロセスの始まりにすぎません。電子チップからの継続的な発熱には、チップの冷却を維持するための液冷データセンターエンジニアリングテクノロジーの持続的で安定した信頼性の高い動作が必要です。

 

液体冷却の原理と実践は空冷とは異なります。具体的には、放熱と冷却の概念には、室温より高い温度から開始するか、室温より低い温度から開始するかという微妙な違いがあります。液冷データセンターのエンジニアリング技術フレームワークをより適切に整理するために、電子チップを発生源と見なし、チップから発生する熱をデータセンターの外部に伝達し、IT 機器の安定した動作を確保することを目的としています。したがって、液冷データセンターのエンジニアリング技術は、一次冷却プロセスと二次冷却プロセスに分かれています。この概念は、従来のデータセンター空冷の一次側および二次側とは異なります。

 

液冷データセンター エンジニアリング テクノロジの一次冷却プロセスは、電子 IT 機器の高熱流束密度コンポーネントを冷却し、発生した熱をラックの外に移動します。一次冷却（放熱）、初期冷却、内部冷却、内部循環冷却とも呼ばれます。一次冷却プロセスは厳密には液体冷却プロセスであり、通常、チップ端の液体冷却装置またはコンポーネント、冷却分配ユニット (CDU)、冷却剤ディスペンサー、およびパイプラインの閉ループが含まれます。冷却分配ユニット (CDU) にはポンプと熱交換器が含まれており、冷却液に循環力を提供します。一般的な一次冷却プロセスには、CDU からチップ端の液体冷却装置またはコンポーネントまで、一定の温度と冷却剤の流れを循環させることが含まれます。クーラントはチップと直接接触、あるいは金属などの熱伝導率の高い材料を介して間接的に接触して熱交換を行います。加熱された高温の冷却剤または冷却剤蒸気はパイプラインを通って CDU に戻り、そこで二次冷却剤と熱交換します。冷却後、低温冷却剤は CDU によってチップ端の液体冷却装置またはコンポーネントに戻され、完全なサイクルが完了します。一次冷却プロセスで使用される一般的な冷却剤には、エチレングリコール溶液、プロピレングリコール溶液、脱イオン水などが含まれ、一部のソリューションではフッ素化液体が使用されますが、冷却剤の物理的要件は液体冷却ソリューションによって大きく異なります。

 

冷却分配ユニット (CDU) は、一般的に使用される機器です。典型的な CDU アーキテクチャを図 1 に示します。この装置は、一次冷却プロセスで冷却剤に循環力と熱交換を提供することに加えて、冷却力 (冷却剤の流れだけでなく) を分配する役割も果たします。したがって、通常は次の機能があります。

 

1) 温度と流量の制御: 温度センサーと流量センサーを介して、一次冷却プロセスにおける冷媒の温度と流量を動的に監視します。内蔵モデルに基づいて、CDU は冷却剤の温度、流量、または供給圧力を動的に調整して、一次冷却ループ内の結露を回避しながら適切な冷却能力を提供します。

2) 一次冷却剤と二次冷却剤の間の物理的な分離を確保します。

3) 冷却剤のオンラインまたはバイパス濾過。

4) ネットワーク管理のサポート。

 

▲ 図 1: 一般的な冷却分配ユニット (CDU) アーキテクチャ

 

液冷データセンターエンジニアリングテクノロジーの二次冷却プロセスは、一次冷却プロセスによって除去された熱をデータセンターの外部に伝達します。これは、二次冷却、外部冷却、外部循環冷却、または放熱とも呼ばれます。このプロセスにおける二次冷却剤は、空気、冷却水、水ベースの溶液（エチレングリコール溶液、グリセリン溶液など）、または冷媒であり、総称して二次冷却剤と呼ばれます。二次冷却材として空気を使用する場合、二次冷却プロセスはデータセンター内の従来の冷却プロセスと似ています。水ベースの溶液が使用される場合、二次冷却剤はいわゆる二次冷却ループ内を循環します。

 

一次冷却ループと二次冷却ループの間の熱交換は CDU 内で発生します。 CDU 内で熱交換した後、高温の二次冷却材は冷却源または廃熱回収装置に入り、熱を環境に伝達するか、その再利用を可能にします。二次冷却剤は冷却後に熱交換器に戻り、完全なサイクルを完了します。冷却源には、冷却塔、ドライクーラー、チラーなどが考えられます。一次冷却プロセスでは二次冷却材の入口温度が 30 度以上に達することができるため、冷却源は自然冷却のみで動作できます。これが液体冷却を使用する理由の説明になります。テクノロジーにより、比較的理想的な電力使用効率 (PUE) を達成できます。液冷エンジニアリング技術の典型的な図を図 2 に示します。

 

▲ 図 2: 液冷工学技術図

 

一部の液体冷却技術は、冷却剤が熱を環境に直接伝達する一次冷却プロセスのみに基づいた設計を使用しています。ただし、ほとんどの場合、冷却剤に高い物理的純度基準が必要となり、コストが増加します。パイプラインが長すぎると、システム全体の経済性に影響します。したがって、一次冷却設計はコンパクトな構成に最適です。

 

 

IV 水冷データセンターの今後の開発動向に関するディスカッション

 

全体として、液冷データセンターの将来の開発には依然として不確実性が伴います。

 

第一に、液体冷却技術の推進の原動力は依然として主に IT 機器の冷却 (熱放散) 需要に基づいています。ただし、これは、電子チップ開発の将来の傾向の予測と、液体冷却技術の費用対効果が空冷技術に対する優位性を徐々に確立するだろうという仮定に基づいています。それにもかかわらず、液体冷却のコストが高いため、冷却と熱放散の要件を軽減する代替チップ設計が必要になる可能性が残っています。

 

第二に、液冷データセンターの構造と使用モデルは、従来の空冷データセンターとは大きく異なります。水冷データセンターの特徴は、IT機器とインフラストラクチャとの結合度が高いことです。技術原理と信頼性保証の観点から、従来の空冷データセンターと同レベルのデカップリングを達成することは本質的に不可能です。その結果、さまざまな技術ソリューションや機器ベンダーは、ほぼ相互に独立して運営されています。データセンターの所有者は、特定のテクノロジー ソリューション プロバイダーと深く結びつく可能性があります。データセンターにおける液体冷却技術の応用は、従来の空冷データセンターの本来の商業モデル、建設モデル、産業モデルの破壊に基づいて発展していると見ることができます。従来のキャビネット リース サービスは、水冷データセンターにはほとんど適用できません。これは、液体冷却技術のさらなる推進にとって大きな障害となります。

 

第三に、水冷データセンターの信頼性は依然として検証が必要です。現在の水冷データセンター ソリューション プロバイダーは、信頼性テストの強化や冷媒の漏れ検出および警報装置の追加などのソリューションを提案していますが、キャビネット内の液冷ループでの潜在的な漏れが IT 機器の損傷につながる可能性があるという懸念があります。は依然として業界で広く懸念されているトピックです。

 

これらの不確実性を解決できるかどうかは、アプリケーションの規模に大きく依存します。この一見解決不可能な問題を解決するには、市場を独占し、上流と下流の産業を支配することは、経済発展の法則に違反することが何度も証明されていますが、解決策ではありません。歴史は、分業と協力に基づいて産業チェーンとエコシステムを最初に確立できる企業が競争で成功する可能性が高いことを繰り返し示しています。 IT 機器をインフラストラクチャから分離する技術的パスを見つけるまでは、標準化は分離問題に対する魔法の解決策にはならず、競合他社を制限したり攻撃したりする効果的な手段にもなりません。ただし、相違点を維持し、経験を効果的に共有し、専門化と洗練を達成するために製造プロセスとサービスプロセスの分離を促進しながら、共通点の発見に基づいてデカップリングを着実に進めるためのツールとして標準化を使用すると、全体的なアプリケーションコストの削減に役立ちます。アプリケーションテストによる継続的な改善は、液冷の規模を拡大する正のフィードバックループの形成につながり、液冷技術の開発に必要な道となる可能性があります。

 

 

V 結論

 

サーバーの互換性、冷媒の種類、液冷の動作温度などの要因に応じて、液冷データセンターのエンジニアリング技術も異なります。現在、各技術ルートのエンジニアリング技術はまだ開発と完成の過程にあり、業界で認められた完璧な技術ルートはまだありません。また、各技術ルートの特定の適用可能なサブフィールドについても合意はありません。究極の確実性を追求するには、水冷データセンターエンジニアリング技術の経済性、信頼性、保守性などの要素と、継続的な実用化を通じて最適なソリューションを見つけることが必要です。