データセンターの冷却

 

上昇した温度は、下げる必要があります。データセンターでは、ラックのコンピュータの密度が高まるにつれて、温度も上昇していきます。

ラック密度の上昇の中心は、サーバーに高い熱電力密度を発生させる新世代の中央演算処理装置（CPU）とグラフィック処理装置（GPU）です。ラック内に複数のアクティブコンポーネントがあるため、ラック密度が20kWを超えると、in-room、in-row、ラック単位の格納システムといった従来の方法による冷却空気では、もはや熱に耐えられないのです。データセンターでは、24時間365日、故障のない排熱システムが求められています。空冷システムはピークに達し、高密度ラックの電力が30kWを超えるようになると、これらの温度を下げるために液冷技術が主流になりつつあります。

適切な冷却システムを選択する際に考慮すべき点は以下の通りです。
•    コンピュータルームの広さ
•    ラックあたりの最大負荷kW数
•    冷却装置の台数
•    屋外との相対的な部屋の位置
•    天井と床の高さ 
•    将来の拡張ニーズ 

すべてのデータセンターに適した唯一の冷却ソリューションというものは存在しません。一方で、なぜ今、液冷方式が注目されているのかを理解するために、一歩踏み込んで、さまざまな方式を見てみましょう。  

空冷システム    
空冷システムの熱管理で欠かせないのが、空気の管理です。コンピュータ・ルーム・エアコン（CRAC）やコンピュータ・ルーム・エア・ハンドラ（CRAH）などの旧式の空冷システムは、部屋全体を冷却するように設計されています。通常この方法では、各ラックを15kWまで冷却することができました。空気分配には、床下送風、オープンルームリターン、サプライ＆リターン、プレナムリターンエリアに熱風を導くための垂直ヒートカラーなどがあります。   

In-row空冷システムは、通常サーバーやラックの近くに設置され、ホットアイル/コールドアイル封じ込め方式を採用しています。Row-integrated空冷は、前面から冷気を押し出し、高温の排気をラック背面から排出します。冷却ユニットを熱源の近くに配置することで、エアコンやハンドラー（CRACまたはCRAH）への熱風の戻り経路の長さを大幅に短縮し、高温と低温の気流が混在する可能性を最小限に抑えることができます。  

ラックベースシステムでは、冷却ユニットを特定のラックに専用に割り当てます。これらは、ITラックに直接、またはラック内に取り付けることができます。気流経路は、列型冷却システムよりもさらに短く、気流は部屋内の物体や出入り口などの部屋の制約に影響されない。ラック型冷却システムは、冷却ユニットの数が増え、消費電力が増えるため、コストが高くなる可能性があります。

液冷の普及が進む
水やミネラルオイル、グリコールなどの誘電体液による液体冷却は、体積比で空気よりはるかに大きな熱容量を持っているため、より高密度の設備に対応できます。 また、エネルギー消費量の削減によりOPEXを低減できるほか、空冷システムよりも静かで、データセンター内のスペースも少なくて済むというメリットもあります。

高密度のラックやキャビネットの冷却ニーズに応えるため、ダイレクトチップ冷却、ラック／サーバー冷却、液浸冷却など、さまざまな液冷技術が登場しています。これらは、冷たい液体をハードウェアの近くや上に直接送り込み、熱交換を行う仕組みになっています。液体は常に循環しており、発生した熱とほぼ同じ速さで除去されます。  

ダイレクトチップ冷却では、冷却液がチューブを通ってCPUやGPUなどの電子機器に直接運ばれ、そこで熱を吸収します。液体は電子機器に直接触れることはなく、熱を蒸気に変えて実際に「吸収」し、蒸発によってIT機器から熱を運び出します。 

ラックの液冷技術では、ラックのリアドアを液冷の熱交換器に置き換えます。パッシブデザインでは、ラックのリアドアの代わりに取り付けられた液体で満たされたコイルを通して、ファンが加熱された空気を排出します。コイルは、空気がデータセンターに入る前に熱を吸収します。アクティブな熱交換器には、コイルを通して空気を引っ張り、より高密度のラックから熱を除去するためのファンが含まれています。

データセンターでは、単相や二相の液浸冷却が進んでいます。液浸冷却は電気を通さず熱を通す特殊な誘電性の液体に、サーバーやプロセッサーなどのハードウェアを浸すものです。単相では、電子部品を誘電体液に浸して密閉し、部品からの熱を液体に伝えます。加熱された液体はポンプで熱交換器に送られ、そこで冷却された後、再びハードウェアに循環されるのが一般的である。二相冷却では、液体を沸騰させて凝縮させ、熱伝達効率を飛躍的に向上させます。電子部品は密閉された筐体の中で誘電体液に直接浸され、液中から蒸気が立ち上ります。この蒸気が水槽内の熱交換器（コンデンサーともいう）で凝縮され、液体が再び冷却点に戻ります。 

判断
液冷は、ハードウェア、高価な液体、安全装置、これらのシステムの実装と作業方法を理解するための専門的なトレーニングなど、追加の設備投資が必要です。次世代プロセッサーやGPUの急速な進化が予想される中、従来の空冷式サーバーに新しいハードウェアを組み込むことは困難な場合があります。IT マネジメントとデータセンターの設計者は、高密度のラックをサポートするために液冷技術を導入する投資を正当化できる一方で、サーバーが十分に熱を発しているかどうかを判断することに直面することになります。これには必然的に初期の設備投資と、データセンターの寿命が尽きるまでの長期的な運用コスト削減とを比較検討する必要があります。