データセンター向け液浸冷却技術の研究

人工知能、モノのインターネット、暗号通貨、AR/VR などのコンピューティング集約型アプリケーションの急速な発展に伴い、コンピューティング需要の増大により、データセンターは「高性能、高密度、高エネルギー消費」を目指して徐々に発展しています。データセンターのエネルギー消費量は、通信およびネットワーク機器、電力供給および配電システム、照明および補助機器、冷却システムから大まかに構成されます。冷却部分のエネルギー消費量は、データセンターの総エネルギー消費量の約 40% を占めます。 「二酸化炭素」目標を達成するには、データセンター冷却システムの効率を向上させ、エネルギー消費を削減することが重要です。

一般的な液体冷却方法 には、コールド プレート、スプレー、浸漬などがあります。その中でも浸漬液体冷却は熱伝達効率が最も高く、局所的なホットスポットを回避できます。これは現在、高性能コンピューティング環境の冷却システムが直面するさまざまな問題を解決する最も可能性の高い技術的手段です。

次世代ビッグデータセンターの新規開発を推進する原動力として、浸漬液冷技術の利点は主に以下の側面に反映されます。

(1) エネルギー利用の向上

浸漬液体冷却では、熱伝達媒体として冷媒が使用されます。液体は熱伝導率と比熱容量が高いため、より速く熱を伝え、より効率的に熱を吸収します。同時に、浸漬液冷技術を使用するデータセンターでは、ファンや空調装置の使用が減少するため、PUE が低くなります。

(2) より高い電力密度

浸漬液体冷却により、データセンターの単位スペースあたりのサーバー密度が大幅に向上し、高密度コンピューティングのサポートが向上します。従来のデータセンターは空冷システムを使用しており、冷却可能なラック搭載可能な電力密度は通常 10kW ～ 15kW です。浸漬液体冷却により、単一ラックの出力を 100kW、さらには 200kW 以上まで高めることができます。したがって、高密度コンピューティングシナリオの放熱要件を完全に満たすことができます。

(3) 設備の信頼性の向上

浸漬液体冷却により、IT 機器を適切な温度に保ちます。浸漬環境は、機器に対する湿気 (空気中の水分はコンポーネントの腐食の原因となり、冷却液は機器を保護します) や埃などの悪影響を効果的に回避します。さらに、サーバーやコンピューター室にファンが必要なくなるため、騒音や振動の問題も効果的に解決されます。

(4) スペース利用率の向上

浸漬液冷による優れた放熱性能により、サーバーを分離することなく近接して配置することが可能です。同時に、ファンを構成する必要がなく、機械室に空調装置や冷凍装置も必要ありません。熱通路および冷通路の封じ込め設備や上げ床を設置する必要がないため、浸漬液体冷却は従来の冷却ソリューションよりも高いスペース利用率を実現します。

(5) 水の使用量の削減

大量の水の消費は運営コストを増加させるだけでなく、水の使用量が限られている地域では規制の圧力にも直面します。従来の空冷技術では通常、蒸発冷却のために大量の水を使用する必要があります。浸漬液体冷却技術の冷却剤は、より高い温度 (最大 45°C) で動作することができます。より暑い気候でも、自由冷却を効率的に使用できるため、積極的な熱除去の必要性が減り、したがって節水できます。

浸漬液体冷却では、IT 機器を冷却剤に直接浸し、冷却剤に依存して機器から発生する熱を吸収します。冷却液が循環熱放散の過程で相変化を受けるかどうかに応じて、単相浸漬液体冷却と二相浸漬液体冷却に分けることができます。

単相浸漬液冷却の冷却液は、通常、沸点が比較的高い。冷却液は熱を吸収した後、相変化は起こらず、常に液体の状態を保ちます。自然対流またはポンプ駆動により冷媒を循環させます。自然対流による循環放熱方式は、液体が加熱されると体積膨張密度が低下する特性を利用したものです。高温になった冷却剤は自然に浮上し、外部冷却回路に接続された熱交換器によって冷却されます。冷却された液体は重力の作用により自然に沈み、循環と放熱が完了します。

自然対流と比較して、ポンプを使用して循環冷媒を駆動することで、より効果的に冷却能力を向上させることができます。ポンプ、熱交換器、センサー、フィルターで構成される装置をクーラントディストリビューションユニット（CDU、Coolant Distribution Unit）と呼びます。 CDUを使用することで、冷媒の温度と流量をより正確に制御できます。より冷たい冷却剤が発熱体を通ってポンプで送られ、熱が除去されます。加熱された冷媒は熱交換器に入り、ポンプの駆動によって冷却され、ポンプの作用によって循環を続けます。熱交換器は通常、冷却媒体として水を使用し、熱は最終的に循環冷却水システムを通じて排出されます。

単相液浸冷却の動作原理を図に示します。

単相浸漬液体冷却の利点は 2 つの側面に反映されています。 1つは、冷却剤が安価で導入コストが低いことです。もう 1 つは、冷媒に相変化がないことです。冷却剤の蒸発によるオーバーフローや人員の吸入による健康上のリスクを心配する必要がなく、メンテナンスが容易になります。

二相浸漬液体冷却では、冷却液は循環および熱放散プロセス中に液体から気体への相変化プロセスを継続的に経て、その後液体に戻ります。 IT 機器は、低沸点冷却剤で満たされた気密タンク内に完全に沈められ、機器から発せられる熱を吸収します。冷却液は熱を吸収すると温度が上昇し、沸点に達すると沸騰し始めます。液相から気体状態へ、同時に大量の蒸気が発生します。蒸気は液体から上昇し、液面上に逃げて液冷タンク内に気相領域を形成します。気相部の冷媒蒸気は水冷凝縮器と接触し、熱が凝縮器に吸収されます。冷却剤は凝縮して液体になり、再循環のために液滴としてコンテナに戻ります。凝縮器内の加熱された冷却水は循環冷却水システムを通じて排出されます。

二相液浸冷却の動作原理を図 3 に示します。

二相浸漬液体冷却に使用される冷却剤は、良好な熱物理的特性、化学的および熱的安定性、および非腐食性を備えている必要があるだけでなく、適切な沸点、比較的狭い沸点範囲、および高い蒸発潜熱も必要とします。ケイ酸塩、芳香族物質、シリコーン、脂肪族化合物、およびフルオロカーボンはすべて、二相浸漬液体冷却での使用が試みられてきました。その中でもフッ素化合物が最も総合的な性能が優れているため、より多く使用されています。

二相浸漬液体冷却は、冷却液の蒸発潜熱を最大限に利用し、放熱のための高出力発熱体の極端な要件を満たすことができます。 IT機器をフルパワーで稼働させ続けます。ただし、相変化が存在するため、蒸気が逃げるのを防ぐために二相浸漬液体冷却システムの気密性を維持する必要があります。 さらに、相変化プロセスによって引き起こされる気圧の変化や、システム保守中に保守員がガスを吸入する健康リスクも考慮する必要があります。

現段階では、データセンターに浸漬液冷技術の迅速な導入を促進するプロセスには、まだ多くの障害や課題が存在します。これには、アプリケーション シナリオの制限、機器ベンダーのサポート、展開および改修コストが含まれます。

上記の問題を解決できるかどうか、またどのような方法で解決できるかが、将来の浸漬液体冷却技術の迅速かつ大規模な導入を決定する鍵となるでしょう。