液体冷却 - データセンターおよびサーバークラスター用の次世代冷却テクノロジー

 

I 液体冷却業界の概要

 

1. 液冷の開発経緯

水冷サーバーの歴史に関しては、1967 年に IBM が初めて冷水冷却システムを備えた System360 コンピューターを開発しました。

 

中国の液冷産業は比較的遅れて発展しましたが、その技術は急速に進歩しました。 2011 年、Sugon は中国における液体冷却産業の先駆者となりました。その後 5 年間で、Huawei、Inspur、Sugon などの中国企業が市場に参入し、生産を拡大し始めました。 2019 年以降、液体冷却技術は主要メーカー全体で大幅な進歩を遂げました。

 

▲ 国内外の液体冷却産業の発展の歴史

 

2. 水冷サーバーの業界チェーン

液冷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、中流の水冷サーバー プロバイダー、下流のコンピューティング パワー ユーザーなど、上流、中流、下流のセクターが含まれています。

上流: 主に製品コンポーネントと液体冷却装置のサプライヤー (クイック コネクタ、CDU、ソレノイド バルブ、浸漬液体冷却タンク、マニホールド、冷却剤など)。

 

中流：主に水冷サーバーおよびチップのメーカー、および水冷統合設備、モジュール、およびキャビネット。

 

下流：大手通信事業者 3 社、百度、アリババ、テンセント、京東などのインターネット企業のほか、通信、インターネット、政府、金融、運輸、エネルギー アプリケーションなどの情報業界のクライアントが含まれます。

 

▲ 水冷サーバー業界のチェーンコーミング

 

 

II 液冷の基本概念

 

1. 液冷技術の分類

液体冷却は、液体を冷媒として循環させ、データセンター内のIT機器の内部コンポーネントの熱を外部に逃がすことで、安全な動作を確保します。

 

液体冷却の利点:超高効率と熱密度を実現し、熱を効率的に放散し、高度、地理、温度の影響を受けません。

 

現在、液体冷却技術には主に 3 種類あります。コールド プレート液体冷却、スプレー冷却、浸漬液体冷却です。

 

▲ 液体冷却技術の分類

 

2. 3 つの液体冷却技術の比較 - コールド プレート液体冷却

コールド プレート液体冷却では、熱伝導性金属 (銅やアルミニウムなど) で作られた閉じたキャビティを使用して、発熱コンポーネントから閉ループ内を循環する液体冷却剤に熱を間接的に伝達します。このシステムは通常、冷却塔、CDU、一次および二次液体冷却パイプライン、冷却剤、および液体冷却キャビネットで構成されます。液冷キャビネットには、コールド プレート、内部配管、流体コネクタ、マニホールドなどのコンポーネントが含まれています。

 

コールドプレート液冷は非接触液冷方式であり、10 年以上の研究があり、3 つの主流液冷ソリューションの中で最も成熟した技術です。これは、高出力機器の導入、エネルギー効率の向上、冷却運用コストの削減、総所有コスト (TCO) の削減に効果的なアプリケーションです。ただし、100% の液冷を実現するわけではないため、キャビネットの消費電力が低い場合や液冷の割合が最小限の場合は効率が低くなります。さらに、コールドプレートの設計では既存のコンポーネントのレイアウトを考慮する必要があるため、構造設計と実装がより複雑になり、標準化の推進がより困難になります。

 

▲コールドプレート液冷システムの原理図

 

3. 3 つの液体冷却技術の比較 - 浸漬液体冷却

浸漬液体冷却では、発熱コンポーネントを冷却剤に完全に浸し、コンポーネントと冷却剤が直接接触して熱交換を行います。システムの屋外コンポーネントには冷却塔、一次パイプライン、一次冷却剤が含まれ、屋内コンポーネントには CDU、浸漬チャンバー、IT 機器、二次パイプライン、二次冷却剤が含まれます。 IT機器は二次冷却液に完全に浸されるため、鉱物油、シリコンオイル、フッ素系液体などの非導電性液体を使用する必要があります。

 

熱交換中に相変化があるかどうかに基づいて、液浸冷却は 2 つのタイプに分類できます。

 

1) 単相浸漬冷却:二次冷却材は熱伝達中に温度変化のみを受け、相変化は起こらず、熱はすべて顕熱によって伝達されます。

2) 二相浸漬冷却:二次冷却材は熱伝達中に相変化を起こし、潜熱を利用して熱を伝達します。

 

従来の空冷やコールドプレート液冷と比較して、液浸液冷には、エネルギー節約 (PUE < 1.13)、コンパクト、高信頼性、低ノイズなどの利点があります。ただし、コンポーネントの選択の制限、メンテナンスの制限、特定の室内環境の要件などの課題にも直面しています。

 

▲ 二相浸漬冷却

 

4. 3 つの液体冷却技術の比較 - スプレー冷却

スプレー冷却は、重力またはシステム圧力によって冷却剤をチップレベルのコンポーネントに正確にスプレーし、発熱コンポーネントまたはそれに接続された熱伝導素子を冷却する直接接触方式です。このシステムは通常、冷却塔、CDU、一次および二次液体冷却パイプライン、冷却剤、スプレー冷却キャビネットで構成されます。スプレー冷却キャビネットには通常、配管システム、液体分配システム、スプレー モジュール、および戻りシステムが含まれています。

 

噴霧冷却も100%液冷を実現しており、その構造は浸漬冷却よりも革新的です。ただし、省エネ性能は液浸冷却に比べて劣っており、液浸冷却と同様の制限があります。

 

▲スプレー冷却

 

5. 3つの液体冷却技術の比較

 

▲ データセンターの水冷方式の比較

 

 

III 液体冷却産業の発展の原動力

 

1. データ量の急増により、コンピューティング能力の継続的なアップグレードが推進されている

世界のデータ量とコンピューティング能力は急速に増加しています。 IDCのデータによると、世界のデータ量は2022年に103.66ZBに達する一方、中国のデータ量は2022年の23.88ZBから2027年には76.6ZBまでCAGR26.3%で増加し、世界最速の成長率となる可能性がある。 IDC は、今後 3 年間で、新たに生成されるグローバル データが過去 30 年間に作成されたデータの総量を超え、データの保存、送信、処理に必要なコンピューティング パワーが急激に増加すると予測しています。

 

コンピューティング能力のインテリジェントなアップグレードがトレンドになりつつあり、成長のほとんどをインテリジェント コンピューティングが推進しています。大量の複雑なデータを処理する需要により、人工知能アプリケーションの開発をサポートするための、より強力で効率的なコンピューティング リソースの必要性が高まっています。その結果、コンピューティングインフラストラクチャはより速いペースで構築され、デジタル経済の発展を支える「基盤」となっています。データ機能とコンピューティング能力に対する需要は相互に強化されています。 IDC は、中国のインテリジェント コンピューティング能力は引き続き急速に成長し、2022 年から 2027 年までの CAGR は 33.9% となり、2027 年までに 1,117.4 EFLOPS に達すると予測しています。

 

▲ 世界のデータ量規模と予測

 

2. AIGC の躍進によりコンピューティング電力需要が急増

モデルとアルゴリズムの継続的な進化に伴い、パラメーターの規模と複雑さが大幅に増加し、その結果、必要な計算能力が増大しています。 ChatGPT や GPT-4 に代表される大規模な生成モデルの出現により、AIGC 分野の急速な発展が促進され、コンピューティング能力の需要がさらに急増しています。

 

トレーニング側: GPT-3 モデルには約 1,746 億のパラメーターが含まれており、これを 1 回トレーニングするには約 3,640 PF 日が必要です (10 ペタフロップス/秒で 3,640 日間実行)。 GPT-4 のパラメータ数は 1.8 兆個に増加する可能性があり、トレーニング需要は GPT-3 の 68 倍に増加し、25 日には 90-100 日のトレーニングが必要になります。{{16} } A100 GPU。

推論側: GPT-3 の場合、Tianyi Think Tank の推定によると、500 トークン (約 350 ワード) を生成するための計算需要は 1.75 PFLOPS に達します。

 

▲ 大規模モデルパラメータの進化 (2018-2023)

3. 拡大を続けるデータセンター市場

新しいインフラストラクチャの重要な部分として、近年、人工知能とデータアプリケーション産業チェーンの急速な発展に伴い、中国でのデータセンターの建設が加速し、データセンターラックの数は着実に増加しています。 2.5kWの標準ラックに基づいて、中国で使用中のデータセンターラックの数は2021年に520万に達しました。このうち、大規模ラックの数はさらに急速に増加し、80％を占める420万に達しました。 2022 年末までに、中国のデータセンター ラックの総数は 600 万に近づき、世界トップクラスにランクされます。 2023年までに中国のデータセンターラック数は776万ラックに達し、データセンター市場規模は2,470億元に達すると予想されている。

 

▲ 中国のデータセンターラック総数の予測傾向(2017-2023) (ユニット10、000ラック)

 

4. データセンターにおけるエネルギー消費と放熱の問題はより顕著になってきている

データセンターの増加に伴い、電力消費量も急増しています。関連統計によると、2021 年の中国のデータセンターの消費量は 2,166 億 kWh で、2030 年までに 3,800 億 kWh を超えると予想されています。同時に、データセンターの規模が急速に拡大しているため、熱放散の課題が悪化しています。

 

全体的なレベル:従来のデータセンターには莫大なエネルギーコストがかかり、エネルギー消費の高い割合が冷却に起因しています。データセンターは長い間エネルギーを大量に消費しており、全国のデータセンターの電力消費量は総電力消費量の約 2%-3% を占めています。 2030 年までに、データセンターの電力消費量は 3,800 億 kWh を超え、二酸化炭素排出量は 2 億トンを超えると予想されています。同時に、従来のデータセンターでは多大な冷却コストが発生します。 「Uptime Institute Global Data Center Survey Report 2022」によると、2022 年の世界のデータセンター サンプルの年間平均電力使用効率（PUE）は 1.55 で、2014 年以来、年間平均 PUE は 1 の間で推移しています。{{12} }.65、冷却に関連するエネルギー消費が 35%-39% を占めることを示します。

 

ミクロレベル:コンピューティング密度の増加は、冷却の課題に直面しています。コンピューティング パフォーマンスの向上により、サーバーの消費電力と熱密度が増加しており、従来の空冷では、熱密度の高い電子デバイスの放熱ニーズを満たすことができなくなりました。ムーアの法則が薄れるにつれて、人々はヘテロジニアス・コンピューティングなどのテクノロジーを通じてチップやシステムのエネルギー効率を向上させ続けていますが、これは個々のチップの消費電力の急速な増加にもつながっています。現在、主流のプロセッサ チップの消費電力は約 200 W ですが、新しくリリースされた CPU の中には 350 W を超えるものもあります。また、GPGPU のようなヘテロジニアス アクセラレーション チップでは 700 W を超えるものもあります。これに関連して、従来の空冷ではもはや冷却ニーズを満たすのに十分ではなく、データセンターとサーバーは、高電力、高熱密度、および高コンピューティング密度の熱放散の問題に対処するために、より効率的な冷却テクノロジーを必要としています。チップとシステム。

 

ミクロレベル:高温は電子部品に悪影響を与えます。高温環境では、機械材料、ワイヤ絶縁体、防水シールが劣化しやすくなり、安全上の危険が生じます。電子部品の故障の半分以上は高温が原因です。半導体コンポーネントの温度が 10 度上昇すると、逆漏れ電流が 2 倍になり、火災の危険性が高まり、安全上の事故が発生する可能性が高まり、データセンターの麻痺につながる可能性があります。

 

5. シングルラックの電力密度の急速な増加により、データセンターの冷却革命が必要

データセンターの建設面積と環境規制によって制限されるため、シングルラックの電力密度を高めることは、増大するコンピューティングパワーの需要と限られたデータセンターの容量を調和させるための重要なソリューションとなっています。 Colocation America が発表したデータによると、2020 年のデータセンターの世界平均シングルラック電力は 16.5kW に達し、2008 年と比較して 175% 増加しました。CCID Consulting によると、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より、パワーシングルラックは普及するでしょう。 2025 年までに、データセンターの単一ラックの世界平均電力は 25kW に達すると予想されています。

 

液体冷却技術は、高効率な冷却効果によりサーバーの効率と安定性を大幅に向上させるとともに、データセンターの一定スペースにより多くのサーバーを配置できるため、データセンターの運用効率が向上します。

 

▲ラック密度と冷却方式の対応

 

 

IV 水冷市場の展望と応用

 

1. 中国の水冷サーバー市場は2027年までに89億ドルに達すると予想

データセンターのグリーン開発がトレンドとなり、人工知能分野での競争が激化し、高性能コンピューティングパワーの需要が急増する中、中国の水冷サーバー市場は近年爆発的な成長を遂げている。

 

IDCのデータによると、中国の水冷サーバー市場規模は2022年に10億1000万ドルに達し、前年比189.9％の成長となった。 2023年も市場は急成長を続けると予想されており、市場規模は15億1000万ドルに達すると予測されている。 2027 年までに、中国の水冷サーバー市場の規模は 89 億ドルに達すると予想されています。

 

▲ 中国の水冷サーバー市場規模と予測（単位：億ドル）

 

2. 中国における液冷データセンターの業界応用構造

空冷と組み合わせた液冷データセンターは、さまざまな産業の発展を促進します。将来のデータセンター冷却市場では、「空冷+液冷」の共同開発パターンが見られるだろう。空冷技術は液体冷却に完全に置き換わることはありませんが、データセンター向けのさまざまな冷却ソリューションにより、顧客のさまざまなニーズに応じて選択されることになります。

 

2019 年、液冷データセンターは主にスーパーコンピューティングに代表されるアプリケーションで使用されていました。インターネット、金融、通信業界の事業量が急速に成長するにつれて、これらの業界のデータセンターにおける液体冷却の需要は今後も増加すると考えられます。 2025 年までに、液体冷却データセンターはインターネット業界の 24.0%、金融業界の 25.0%、電気通信業界の 23.0% を占めるようになることが予想されています。一方、エネルギー、バイオテクノロジー、ヘルスケア、政府などの業界では、液冷データセンターを汎用データセンターの新しいエコシステムに統合する動きが加速するものの、全体の規模は若干縮小すると予想されます。 2025年までに、液冷データセンターの割合はエネルギー産業の10.5%、バイオテクノロジー産業の8.5%、ヘルスケア産業の6.5%となり、政府などその他の企業は2.5%に低下すると予想されている。

 

▲ 中国の液冷データセンターの業界応用構造と予測 (2019-2025)

 

3. 中国の水冷サーバー市場の競争状況: Sugon がリードし、Huawei、Alibaba などが続く

Sugon を筆頭とする国内メーカーは豊富な商業経験を蓄積しており、製品収益、市場シェア、顧客からのフィードバック、その他の指標に基づくと、Sugon は主要な市場リーダーであり、Huawei、Alibaba、Lenovo がそれに続きます。 IBM中国は潜在的な挑戦者として位置づけられている。

 

中国の水冷サーバー業界は技術的な障壁が高く、先行者が有利だ。現在、国内の大手メーカーはまだ液冷技術の実験段階または初期応用段階にあり、競争環境はまだ明確に定義されていない。さらに、データセキュリティ上の懸念により、中国におけるデータセンターインフラの供給には地理的な障壁があり、外国メーカーが中国市場に参入することが困難になっています。

 

▲ 中国の水冷データセンターベンダーの競争力マトリックス（2020年）

 

4.通信事業者プロポーズするデータセンターの液体冷却に関する 3 年間のビジョン

大手通信事業者 3 社は、データセンター分野の業界リーダーとして、液体冷却技術の探求と応用の最前線に立っています。 2023 年 6 月、大手通信事業者 3 社は共同で「通信事業者のための液体冷却技術に関する白書 (2023 年)」を発表し、液体冷却アプリケーションの 3 年間のビジョンとロードマップを概説しました。

 

3 年間のビジョンの全体的な目標は、産業界、学界、研究の上流部門と下流部門を統合することで、業界の力を結集し、課題に取り組み、エコシステムを構築し、アプリケーションを拡大することです。重点は、独創性とリーダーシップを持って主要なコア技術を攻撃し、高レベルの液冷エコシステムを完全に構築することにあります。目標は、オープンなエコシステムを確立し、液冷キャビネットとサーバーの分離を促進し、最低の TCO (総所有コスト) を達成しながら PUE (電力使用効率) を削減する統一規格の形成を主導することです。スケールメリットを活かし、用途の大幅な拡大を目指す。

 

導入スケジュールに関しては、大手通信事業者 3 社が 2023-2025 の詳細な計画を策定しました。

 

• 2023:技術検証を実施し、液冷性能を徹底的にテストし、PUEを低減し、計画、建設、保守の技術力を準備します。
• 2024: 大規模なテストを実施し、液冷キャビネットとサーバーの分離を促進し、競争を促進し、業界エコシステムを成熟させ、総ライフサイクルコストを削減します。
• 2025 年までに:液体冷却技術がプロジェクトの 50% 以上で使用されるなど、大規模なアプリケーションを実現し、統合され、標準化され、コストが最適化され、広く適用される液体冷却エコシステムの形成を共同で推進します。電気通信業界は、液体冷却技術のリーダー、産業チェーンのリーダー、そしてアプリケーションの促進におけるリーダーになることを目指しています。

 

▲通信事業者による液体冷却の3年ビジョン

 

 

V 結論

 

液体冷却業界の大きな発展の可能性と課題と機会

現在、中国の液体冷却産業は初期段階にあり、液体冷却アプリケーションの普及率は依然として比較的低いです。しかし、データセンターやサーバークラスター向けの次世代冷却技術として、液体冷却の市場可能性と将来性は大きな注目を集めており、急速な普及が見込まれています。

 

それにもかかわらず、中国の水冷産業は依然としていくつかの開発課題に直面しています。

 

1. 未成熟な産業エコシステム

液冷技術は国内外で 10 年以上にわたって開発されてきましたが、エコシステムは依然として不完全です。製品は多岐にわたり、標準化が進んでいません。現在、業界にはサーバーとキャビネットの統一インターフェイス標準がありません。キャビネットとサーバーは密接に結合されており、メーカーごとにサーバー、冷媒、冷凍パイプライン、電源システムなどの製品形式が異なるため、製品インターフェイスに互換性がありません。これにより競争が制限され、質の高い業界の発展が妨げられます。

 

2. 進化する液体冷却システムのアーキテクチャ

業界の液体冷却システムのアーキテクチャは異なり、冷却および電源のセットアップが分散型と集中型の間で異なります。一部のメーカーのサーバーは高温サーバーに進化しており、これにより水チラーユニットの削減が可能になり、冷却源アーキテクチャがさらに簡素化され、コスト削減と効率が促進されます。

 

3. 液体冷却システムの高コスト

従来の空冷製品と比較すると、液冷には依然として初期投資と総ライフサイクルコストの点で課題があります。この問題は、初期段階での液体冷却製品の大規模な導入と推進に影響を与える可能性があります。