データセンターの液体冷却の奇妙な世界

高性能デスクトップ PC、特にゲームの世界では、水冷が一般的で効果的です。 しかし、データセンターの世界では、サーバーはサーバー ルームを適切な温度に保つ巨大な AC システムと組み合わせて、従来の空冷に依存することが多くなっています。

ただし、データセンターでは水冷も使用できます。 必ずしも期待通りに見えるとは限りません。

冷却はデータセンターにとって非常に重要です。 ハードウェアが熱くなりすぎると故障率が増加し、サービスの可用性に影響を与える可能性もあります。 また、大量のエネルギーも消費し、平均的なデータセンターでは冷却がエネルギー使用量の最大 40% を占めます。 エネルギーは安くないので、これはランニングコストにも影響します。

したがって、データセンターの冷却効率が向上すると、多くのメリットが得られます。 信頼性の向上とエネルギー使用量の削減による排出量の削減だけでなく、密度にも利点があります。 より効果的な冷却が利用できるほど、過熱の問題が発生することなく、より多くのサーバーと処理能力を所定の設置面積に詰め込むことができます。

水冷および液体冷却技術は、従来の空冷と比べて性能が段階的に変化する可能性があります。 これは、空気は水や他の特殊な液体冷却剤に比べて大きな熱容量を持たないという事実によるものです。 大量の熱を液体に伝えるのははるかに簡単です。 一部の管轄区域では、データセンターからの廃熱を地域暖房の提供に利用するという話さえあります。これは、熱風ではなく廃熱を運ぶ熱液体の供給源を使用する方がはるかに簡単です。

ただし、液体冷却には欠点もあります。 適切に管理しないと漏れが電子機器に損傷を与える可能性があり、そのようなシステムは通常、単純なファンや空調システムを実行する場合に比べて複雑さが増します。 当然のことながら、冷却性能の向上にはトレードオフが伴います。そうでなければ、それはすでに標準になっているでしょう。

データセンターにおける最も明白な水冷アプローチは、サーバーのファン クーラーをウォーター ブロックと交換し、ラックを水冷回路にリンクすることです。 これは、サポートするサーバー ラック内のより広範な液体冷却ループに接続できるチップ直接冷却ブロックを提供している企業によっては実現可能です。 これは、デスクトップ PC を水冷するのと同じ理論で、ファンとヒートシンクの代わりにウォーター ブロックを置き換えます。 サーバーを直接水冷するこの方法には、ラックあたり 80 kW もの熱を大量に抽出できるという利点があります。

ただし、このアプローチにはいくつかの欠点があります。 ラックに設置する前にサーバーを開いて変更する必要があります。 これは多くのオペレータにとって望ましくないことであり、設置中にミスが発生すると欠陥が生じ、修正に時間と設備の両面でコストがかかる可能性があります。 サービスとメンテナンスも、サーバーを取り外すときに水冷接続を切断する必要があるため複雑ですが、これは特別な「滴り落ちない」クイック接続継手によってある程度緩和されます。

侵襲性の低い方法としては、通常の空冷サーバーを特別な水冷ラックに設置して使用する方法があります。 この方法では、サーバー ハードウェアを変更する必要がありません。 代わりに、サーバー ラックの背面に取り付けられた空対水熱交換器が、サーバーの高温の排気から熱を受け取り、液体冷却剤に放出します。 したがって、排気は冷却されて室内に戻りますが、冷却剤は廃熱を運び去ります。 この記事の冒頭に掲載されているような屋上の冷却塔を使用して、冷却液が戻される前に熱を取り出すことができます。 オンチップのウォーターブロックから熱を直接捕捉するほど効果的ではありませんが、このようなシステムはラックごとに最大 45 kW の熱を抽出できると言われています。

このシステムは、未改造のハードウェアを使用することに加えて、漏洩の危険性を大幅に軽減します。 漏れが発生した場合は、サーバーの回路基板に直接発生するのではなく、サーバー ラックの背面に発生します。 さらに、システムは通常、負圧で動作するため、液体が漏れ出すのではなく、穴や損傷したチューブから空気が吸い込まれます。

もっと極端な方法も存在します。 マイクロソフトは、2018 年にスコットランド沖で完全に水没したデータセンターを運営して話題を呼びました。従来のサーバーのクラスターを防水チューブ内に設置することで、熱が周囲の海域に遮断され、温度が非常に安定しました。 プロジェクトは 2 年間実施され、密閉された雰囲気と低温が信頼性の 8 倍の向上に寄与している可能性があることが判明しました。 プロジェクト ナティックは、知られているように、ハードウェアを海外に配置することによる土地コストの削減など、他の利点も約束していました。

ただし、Microsoft はその栄誉に満足しているわけではなく、最近ではさらに突飛なコンセプトを研究しています。 同社はデータセンター用の二相浸漬冷却タンクを開発した。 この設計では、従来のサーバーは、わずか 50 ℃ (122 °F) の低温で沸騰する 3M が開発した独自の液体に浸されます。 サーバーのハードウェアが加熱すると、液体も加熱されます。 液体が沸騰するのに必要な、いわゆる蒸発潜熱で膨大なエネルギーを消費します。 ガス状の冷却剤はタンクの蓋にある凝縮器に到達し、液体に戻り、下のサーバーに雨のように降り注ぎます。

浸漬方式により、サーバーハードウェアと冷却剤の間の熱伝達が優れています。 おまけに、ヒートシンクを介して CPU の小さなセクションを冷却するだけではありません。 代わりに、サーバー全体が液体に熱を自由に放出できます。 浸漬方式の高い冷却能力により、はるかに小さなスペースでより優れた熱除去が可能になるため、これによりデータセンターのハードウェア密度が向上し、パフォーマンスも向上することが期待されています。

もちろん、これは複雑でハイエンドのソリューションであるため、主流になるまでにはしばらく時間がかかります。 データセンターのオペレータは、単にハードウェアを液体に浸すことに慣れていないだけでなく、そのようなシステムを動作させるために密閉されたコンテナ内でハードウェアを実行することに慣れていません。 また、内部のハードウェアの物理的な保守のために浸漬タンクを開ける前に、浸漬タンクのスイッチをオフにする必要があるなど、メンテナンスの面で頭の痛い問題も発生する可能性があります。

人類はより多くのコンピューティングパワーを切望し続けており、エネルギーの使用と排出量の削減に努めているため、この分野のさらなる発展が期待されています。 純粋な競争自体も大きな推進力です。 ランニングコストを削減し、土地利用を削減し、より多くのパフォーマンスを実現できる企業は、市場のライバルよりも有利になります。 水冷システムは時間の経過とともにより主流になることが予想され、その主な利点がすべての手間をかける価値がある場合は、いくつかの奇抜なアイデアが購入できるようになることが予想されます。 データセンター エンジニアリングの仕事をするのに刺激的な時期であることは確かです。