液体冷却は AI サーバーにとって究極の冷却ソリューションでしょうか?

 

従来の空冷方式は過負荷、液冷技術の登場

 

AI の 3 つの柱は、チップ、コンピューティング パワー、アルゴリズムです。チップとコンピューティング パワーは生産性の原動力であり、並外れたコンピューティング パワーを実現するために、人々はより高速なプロセッサとより効率的なハードウェアを絶えず求めています。AI のコンピューティング パワーが増加し、CPU と GPU のパフォーマンスが向上すると、チップの消費電力と発熱もそれに応じて増加します。たとえば、NVIDIA の H200 シリーズ GPU チップの TDP (熱設計電力) は最大 700W です。

 

従来の空冷には限界があります。空冷の原理は、ヒートシンクの表面を空気が流れて熱を放散することです。現在、市場で最も優れた空冷装置は最大 275W の電力を処理できます。従来の空冷では、主流の AI サーバーの冷却要件を満たすことができなくなりました。

 

液体冷却技術が登場しました。液体冷却の原理は、サーバー内で液体冷却剤を循環させ、熱交換によって発熱部品から熱を吸収することです。液体冷却は、冷却効率が高く、さまざまな動作環境に適応するために冷却剤を正確に制御できますが、コストが高くなります。

 

液体冷却は公式に認められています。2023年6月、中国の3大通信事業者は共同で「通信事業者向け液体冷却技術白書（2023年）」を発表し、コールドプレート液体冷却と単相浸漬液体冷却の2つの技術ルートを明確に推進しました。また、2023-2025の推進計画も概説しました。

 

▲ 2023-2025のプロモーションプラン

 

 

II 液体冷却とは何ですか?

 

液体冷却は、データセンター内のIT機器の内部部品から発生する熱を液体を冷媒として外部に伝達し、IT機器の発熱部品が安全な温度範囲内で動作するようにする冷却方法です。主流の液体冷却ソリューションは、主にコールドプレート型と浸漬型に分かれています。浸漬型液体冷却は、冷媒が相変化するかどうかによって、相変化型と非相変化型の浸漬冷却にさらに分けられます。

 

▲ 液体冷却技術

 

コールドプレート液体冷却は、熱伝導率に優れた銅やアルミニウムなどの金属で作られたヒートシンクを使用して機能します。コンポーネントによって生成された熱はヒートシンク内の液体冷却剤に伝達され、そこから熱が排出されます。

 

浸漬液冷却は、サーバーなどの IT 機器 (CPU、メモリ、I/O など) を冷却液に完全に浸漬する直接接触液冷却方法です。冷却は液体の循環によって行われます。急速に発展している相変化浸漬冷却技術は、発熱部品を冷却して冷却剤を気化させ、その後、蒸気を凝縮して液体に戻して再利用します。この方法は、より高い冷却効率とより低い騒音を実現します。

 

 

III すべてのサーバー冷却ソリューションを液体冷却に置き換える必要がありますか?

 

もちろん違います。データ センターの冷却方法には、強制空冷と液冷の両方があります。空冷技術は比較的成熟していますが、液冷は近年のデータ センターの冷却ニーズの高まりによって生まれた新しい要件です。

 

現在、データセンターには主に 3 つの冷却ソリューションがあります。

1. 液体冷却のみに依存する新しいデータセンターを設計し、大規模な計算能力を備えた、より小型で効率的なデータセンターを構築します。

2. 主に空冷を使用するが、将来の移行を簡素化するために液体冷却オプションも含めたデータセンターを設計する。

3. データセンター運営者は、既存の空冷設備に液体冷却を統合し、多くの場合、空冷システムを部分的に液体冷却に変換します。

 

▲ データセンターの種類別に推奨される冷却方法

 

 

 

IV 液体冷却はどのような課題に直面していますか?

 

1. コストの問題

液体冷却システムのコストには、材料費（冷却剤、ヒートシンク、配管など）の高さに加え、設計と製造の複雑さ、設置とメンテナンスのコストの高さ、高い信頼性を実現するための多額の投資の必要性などが含まれます。

 

2. 信頼性の問題

 

安定性：液体冷却剤の化学的安定性が不十分な場合、使用中に劣化、酸化、または有害物質の生成を引き起こし、冷却効果とシステムの安定性に影響を与える可能性があります。

 

漏れ：液体漏れ、パイプラインの詰まり、その他の事故が発生した場合、既存の間接液体冷却システムでは障害を時間内に検出できず、サーバーの安全性が損なわれる可能性があります。

 

互換性:一部のデータセンター機器は液体冷却システムに適しておらず、追加の調整と変更が必要になる場合があります。

 

 

V 液体冷却の上流産業と下流産業とは?

 

液体冷却業界のエコシステムには、上流のコンポーネントサプライヤー、中流の液体冷却サーバープロバイダー、下流のコンピューティングパワーユーザーが含まれており、コールドプレートと浸漬液体冷却システムに重点が置かれています。

 

▲ コールドプレート液体冷却システムの原理

 

▲ 液浸液冷却システムの原理

 

 

1. 上流

 

▲ コールドプレート液体冷却システムの上流
 

コールドプレート液体冷却システムは、主に CDU、コールドソース、冷却剤、液体冷却パイプライン、および液体冷却キャビネットで構成されています。浸漬液体冷却システムは、主に CDU、コールドソース、液体冷却パイプライン、浸漬チャンバー、IT 機器、および冷却剤で構成されています。

 

冷却分配ユニット (CDU)

CDUは、二次側の高温冷媒と一次側の冷熱源との間の熱交換に使用され、液冷IT機器の冷却分配を提供し、温度、圧力、流量監視を管理します。熱交換、循環駆動、冷媒浄化、液体貯蔵などの機能を備えています。CDUは主に、熱交換器/凝縮器、循環ポンプ、フィルター、液体貯蔵タンク、および付属品（バルブ、パイプライン、コネクタ、センサーなど）で構成されています。

 

コールドソース

液体冷却システムの屋外冷熱源は、乾式冷却器、密閉式冷却塔、またはチラーから条件に応じて選択できます。

 

液体冷却パイプライン

配管は、熱交換冷却板、冷却分配ユニット、熱交換ユニット、屋外冷源を接続するために必要な部品です。一般的に、循環配管は接続方法の違いにより、直結型（非同期）とループ型（同期）に分けられます。

 

冷却剤

コールドプレート システムによく使用される冷却剤には、水、エチレングリコール、プロピレングリコールなどがあります。これらの冷却剤は比熱容量が高く粘度が低いため、機器で発生した熱を素早く吸収し、熱交換器に伝達して放散することができます。

 

一般的な浸漬冷却剤（絶縁性）には、鉱油、フルオロカーボン化合物などがあります。その中でも、相変化冷却では不燃性のフルオロカーボン化合物のみを使用できます。冷却媒体と各コンポーネントの材料との適合性は、浸漬相変化液体冷却システムの性能に影響を与える重要な要素の 1 つです。

 

現在、液浸相変化冷却に使用できるフッ素化液体の種類は少なく、主なサプライヤーは 3M です。中国の液浸液体冷却はまだ初期段階にあります。

 

密閉チャンバー

チャンバーは相変化冷却剤を収容するために使用されます。チャンバーは、漏れのない安全性を確保するために、冷却プレート、パイプライン、コネクタ、およびその他の部品で密閉する必要があり、それによって電力と信号の伝送の完全性とデータセンターの安全性が確保されます。したがって、ゴム製ガスケット、液体出口コネクタ、電源コネクタ、信号コネクタなどのカスタムシールコンポーネントが必要です。

 

液体冷却キャビネット

液体冷却キャビネットは、主に液体冷却プレート、マニホールド、パイプライン、コネクタ、クイックコネクタ、液体ディストリビュータ、およびオプションのコンプレッサーで構成されます。

 

液体冷却プレートは、冷凍システムの蒸発器に相当する熱伝達ユニットとして機能し、冷凍システム用に設計された重要な技術です。通常、カバープレート、フィン、ベースプレート、シールから構成されます。

マニホールドは、冷却分配ユニットを液体冷却サーバーのコールド プレートに接続するデバイスです。通常はキャビネットに組み込まれており、冷却剤の流れを各コールド プレート層に均等に分配し、熱を吸収した冷却剤を集めて接続パイプを通じて冷却分配ユニットに送ります。

 

クイックコネクタは本体と端末端子で構成されており、本体は液体クイックコネクタの接続機能とシール機能を実現する主要ユニットであり、端末端子は液体クイックコネクタを取り付けて固定するための取り付けポートとして機能します。

 

制御システム

制御システムは、熱放散を測定し、ポンプ速度や冷却剤の流量を調整する温度センサーや圧力センサーなどの冷却システムの動作を監視および調整します。

 

濾過・浄化装置

フィルターは液体冷却剤からゴミや粒子を除去するために使用され、システムのパフォーマンスと寿命を保証します。UV 殺菌や化学処理などの方法により、冷却剤を浄化できます。

 

2. ミッドストリーム

ミッドストリームは主に液体冷却システムで構成され、ラジエーター、ポンプ、パイプ、冷却剤などの主要コンポーネントが単一のシステムに統合されています。これらの企業では、製品の品質と性能を確保するために、一定レベルの技術的専門知識と生産能力が必要です。

 

3. 下流

コンピューティングパワーの下流ユーザーには、データセンター、スーパーコンピューター、AIサーバー、電子機器、新エネルギー車、レーザー、インバーター、その他の産業機器が含まれます。液体冷却技術は航空宇宙分野でも使用されています。高効率の冷却特性により、液体冷却データセンターとそのインフラストラクチャは主に高性能コンピューティング分野に適用されます。現在、液体冷却技術を利用している業界には、インターネット、金融、通信、エネルギー、生物学、ヘルスケアなどがあります。

 

中でも、インターネットは、データ需要が大きく、ユーザーベースが広く、ビジネス量も大きいことから、液冷式データセンターの主要顧客となっています。データセンターのコンピューティング能力要件は高く、単一キャビネットの電力密度は 10kW を超えています。

 

 

VI 液体冷却の産業化はどの段階ですか?

 

現在、液冷式データセンターの各種検証はほぼ完了しており、今後3年間で液冷技術の大規模な拡大が見込まれます。技術面では、コールドプレート冷却が依然として市場の主流の液冷ソリューションであり、産業開発面では、インフラストラクチャからAI機器までのフルスタックデリバリーモデルが業界のコンセンサスとなっています。顧客面では、データセンター業界の2大アプリケーション顧客であるインターネットと通信部門が、液冷技術を肯定的に認識しています。

 

関連業界企業が公開した2023年半期報告書によると、テクノロジー、エネルギー、政府、金融、インターネットなど複数の業界が関与する液冷式データセンターの容量は260MWを超えています。

 

 

VII AI 液体冷却の市場規模はどのくらいですか?

 

財通証券のデータによると、中国の液冷データセンターの市場規模は2022年の69億9,900万元から2025年には358億7,700万元以上に成長し、AIデータセンター液冷市場規模は2022年の55億5,200万元から2025年には279億6,400万元に増加し、年平均成長率は76.2%となる見込みです。製品分類では、冷却効率が高く、データセンターのPUE（電力使用効率）を効果的に削減できる浸漬液冷製品が、2019年の18%（コールドプレート液冷製品が82%）から2025年には41%に拡大し、より大きな市場シェアを獲得すると予想されています。

 

市場がデータセンターインフラのより高い冷却とエネルギー効率を求める中、業界では、液冷製品の普及率が2025年までに20％に達し、市場シェアが継続的に拡大すると予測しています。AI液冷サーバーの大規模アプリケーションの春が静かに近づいています。

 

 

VIII 有名な液体冷却会社はどこですか?

 

海外のコールドプレート液体冷却市場の主要プレーヤーとしては、IBM、CoolIT Systems、Asetek、Motivairなどが挙げられ、浸漬液体冷却市場の主要プレーヤーとしては、GRC、LiquidStack、Midasなどが挙げられます。