データセンターにおけるダイレクト液体冷却：技術、運用、および経済性

ダイレクト・リキッド・クーリングの仕組み

ダイレクト・リキッド・クーリング（DLC）では、液体が特定のサーバーコンポーネントから直接熱を吸収します。広く普及しているダイレクト・トゥ・チップ方式では、 冷却プレート 例えば、CPUやアクセラレータなどです。プレート内の通路を冷却媒体が流れ、そこで加熱され、接続された配管を通じて熱を放散します。

単相システムでは、所定の運転中、媒体は液体のままです。 これに対し、二相式プロセスでは冷却媒体の相変化を利用しており、その設計や運転要件は単相循環から単純に導き出すことはできません。また、浸漬冷却も異なる概念です。この方式では、コンポーネントが冷却プレートを通じて接続されるだけでなく、適切な冷却媒体の中に直接浸漬されています。

冷却は熱を排出するものであり、熱の発生を防ぐものではありません。 CPUは演算処理を行うために依然として電力を必要とし、その大部分は熱として放出されます。DLCは冷却技術のエネルギー需要に影響を与える可能性がありますが、冷却プレートの導入によってIT機器の消費電力が低下するわけでも、データセンター全体のコスト削減が自動的に実現するわけでもありません。

Direct-to-Chipは、特に高 ラック密度: 狭い空間で高性能なプロセッサが多数稼働する場合、限られた範囲から大量の熱を放散する必要があります。この液体は、熱をまず室内の空気に完全に放出するのではなく、部品から直接その一部を吸収します。この改修が費用対効果に優れるかどうかは、建物の冷房状況、負荷プロファイル、および運用状況にも左右されます。

その他のアプローチとその適用分野の概要については、以下の記事で解説しています。 データセンターにおけるサーバーの液体冷却. 具体的なDLCシステムの計画においては、さらに、液体循環回路を建物の熱排出システムにどのように接続するかも重要な要素となる。

熱の道

熱経路は、コンポーネントと冷却プレートの接触面から始まります。加熱された媒体は、ホースや接続部を経由して分配器へと流れ、そこから複数のサーバーや冷却経路が循環系に接続されます。 そこから、通常はクーリング・ディストリビューション・ユニット（略称：CDU）へと送られ、CDUがIT側の循環系に供給を行い、制御を行います。

液体-液体CDUでは、ある 熱交換器 IT回路からのエネルギーを、建物側の回路へ供給します。この際、2つの媒体が混ざり合う必要はありません。ポンプ、センサー、制御装置が、所定の流量と温度管理をサポートします。アーキテクチャに応じて、CDUは1つのラックに設置される場合もあれば、複数のラックに給気を行う場合もあります。

熱交換器で作業が終わるわけではありません。建物は、取り込んだ熱をさらに放散しなければなりません。そのためには、設備や運転条件に応じて、リクーラー、冷却塔、または冷凍機などが検討されます。 どの組み合わせが適切かは、必要な温度、外気条件、および年間を通じた運転状況などによって異なります。

周囲への放熱のみに頼る代わりに、適切な熱利用先を通じて熱を活用するという選択肢もあります。そのためには、供給と需要のタイミングが一致している必要があり、温度レベルや距離も重要な要素となります。利用可能な温度が不十分な場合は、ヒートポンプが必要になる場合があります。 既存の液体配管があるだけでは、実際に熱が利用されているとは限りません。

多くの水冷式サーバーは稼働し続けています ハイブリッドシステム. 冷却プレートが必ずしもすべての部品をカバーするとは限らず、残りのコンポーネントは引き続き空気に熱を放出し続けます。NVIDIAは、GB200構成におけるこのような空冷式の残りのコンポーネントについて説明しています。 そのため、熱の大部分が液体によって放熱される場合でも、室内の気流と利用可能な空冷能力は、残りの負荷に適したものでなければなりません。

温度とインターフェースを正しく分類する

サーバーの接続には、「液体冷却式」という表記だけでは不十分です。設計者は、具体的な構成に対して承認された運転データを必要とし、それらをCDU、配管システム、および建物の設備と整合させる必要があります。関係するすべてのコンポーネントが、想定される負荷および運転条件下で互いに適合して初めて、適切な接続が実現します。

仝 供給水温度 これは、冷却対象の機器に向かう途中の媒体の温度を指します。この温度は、機器の許容範囲内である必要があり、同時に、建物の設備がどのような条件下で熱を放散できるかにも影響を与えます。温度が高いほど、特定の冷却方式に適している場合もありますが、具体的なサーバーの許容限界を超える設定は避けてください。

必要流量とは、一定時間内に冷却経路を流れるべき冷却媒体の量を指します。その 圧力損失 冷却プレート、ホース、接続部などで生じます。ポンプおよび配管の設計では、これらの抵抗を考慮しつつ必要な流量を確保すると同時に、各部品の許容圧力限界を遵守する必要があります。

同様に重要なのが、冷却剤の品質と材料との適合性です。メーカーの要件には、例えば媒体の組成や不純物の取り扱いなどが含まれる場合があります。 認定済みのホース、カップリング、およびシールは、媒体およびそれぞれの接続部に適合していなければなりません。機械的に適合する部品であっても、必ずしもその用途での使用が認定されているとは限りません。

ASHRAEは、建物側の給水システムについてWクラスを区分しています。 こうしたクラスは給水システムの分類に役立ちますが、機器の認証に代わるものではなく、独立したIT回路における条件を自動的に定めるものでもありません。したがって、あるメーカーや回路側の値を、検証なしに他の機器、接続部、または媒体に適用してはなりません。

4つの冷却方式の比較

冷却方式を選ぶ際、単に液体を使用するかどうかだけが重要なのではありません。決定的なのは、 熱が吸収される場所 また、そのためにサーバーや建物内にどのようなインフラが必要となるか。これら4つのアプローチは、IT機器内に空気が引き続き流れるかどうかも異なる。

負荷が中程度で、かつ空間的に分散している場合、空気の流れや温度余裕が実際の運用状況に適していれば、既存の空冷方式で十分である。 一方、リアドア式熱交換器は、サーバーの放熱を冷却プレート方式に根本的に切り替えることなく、ラックに直接設置されます。ただし、液体の供給およびラック背面へのアクセスについては、依然として計画する必要があります。

熱密度が高い場合、ダイレクト・トゥ・チップ方式はプロセッサやアクセラレータからの熱除去を容易にします。 液浸冷却は熱吸収を液体浴に移す一方で、システム統合やメンテナンスに大きな変化をもたらします。したがって、各拠点でどのソリューションが適切かは、ラック密度に加え、互換性のあるハードウェア、改修コスト、および利用可能な放熱能力によって決まります。

既存設備における高密度ラックの計画

ラック密度が高い具体的な例として、NVIDIAのGB200 NVL72が挙げられます。メーカーはこのラック設計について、1ラックあたり120 kWの冷却能力が必要であると明記しています。この値は、前述の構成における要件を示すものであり、一般的な性能の限界を示すものではありません。 直接液体冷却 また、他のシステムについては保証しません。

このシステムにおいても、冷却方法は液体だけに限定されません。NVIDIAは、空冷式のその他のコンポーネントについても記載しています。 したがって、設置場所の計画にあたっては、実際に納入されるシステムの液体供給量と、残りの空気負荷の両方を考慮する必要があります。決定的なのは、そのプロジェクト固有の接続データであり、例から引用した一律の値ではありません。

既存設備における計画は、実際の負荷分布と予想される負荷分布から始まります。どのラックを空冷のままにするか、どのラックに冷却プレートを設置するか、そしてそれらはどこに配置されるか。これらに基づいて、 冷却ゾーン そして、空気冷却および液体冷却に対するそれぞれの要件を導き出す。ラック1台あたりの負荷が高いという事実を、ホール全体での負荷が均一であることと混同してはならない。

続いて、配線経路、配電盤およびCDUの設置スペース、ならびに保守作業のためのアクセス性を確認する必要があります。 既存の建物冷却システムは、想定される運転条件下においても、追加される熱を確実に排出できなければなりません。室内にCDUを設置できるという事実だけでは、利用可能な再冷却能力については何も示唆しません。

締めくくりには、それに合わせた 冗長性コンセプト: 運営者は、冷却経路の1つが故障した場合にどの負荷への供給を継続すべきか、また保守作業が残りの容量にどのような影響を与えるかを明確に定めなければならない。これらの要件とメーカーのデータに基づいて初めて、改造、拡張、および運用について信頼性の高い設計が可能となる。

熱収支と利用の可能性

放熱量は、熱がどのくらいの速さで伝達されるかを表します。一定の出力下で、ある期間に伝達される熱エネルギーは、出力に時間を掛けた値となります。この区別は、冷却設備の設計を行う際や、一定期間にわたる熱供給の可能性を検討する際に重要です。

具体的な計算例を挙げよう。1時間にわたって一定で40 kWの熱が放散されると仮定すると、40 kWに1時間を掛けると、40 kWhの熱エネルギーが輸送されたことになる。これは測定結果ではない。 この結果から、電力の節約が示されるわけでも、その熱量全体が消費者に利用可能あるいは利用可能であるということになるわけでもありません。

実質的な 廃熱利用 温度レベルは、利用者のニーズに合致していなければなりません。温度が低すぎる場合、ヒートポンプで温度を上げることができますが、その際の電力消費量は全体的な収支に算入されます。流体の温度が高いほど統合は容易になりますが、具体的な設備の検証に代わるものではありません。

計画を立てるにあたり、事業者は供給可能な熱量と、潜在的な需要者の時間的な需要を照らし合わせる必要があります。その際、具体的なプロジェクトにおいて蓄熱ソリューションが適用可能かどうかも検討する必要があります。理論上の年間熱量だけでは、通年での利用が保証されるわけではありません。

投資判断にあたっては、事業者はさらに、需要家との接続状況や追加設備にかかるコストを、各立地ごとに検討すべきである。輸送された熱を、そのまますべて「利用された収益」として計上することはできない。信頼性の高い評価を行うには、計画されている利用状況に関する具体的なデータが必要である。

運用と保守を確実にする

メンテナンス可能な液体冷却システムには、単にアクセス可能なサーバーだけでは不十分です。各接続について、以下の点が明確に定められている必要があります。 クイックカップリング メーカーは、該当する区間を遮断できる箇所や、機器を回路から安全に切り離す方法を明記している。これらの手順は、再稼働や接続部の点検も含む、現場固有の保守手順に組み込まれるものである。

交換を行う前に、責任の所在および他のラックへの影響を明確にしておく必要があります。 配線が共通している場合、遮断措置が複数のサーバーに影響を及ぼす可能性があります。そのため、現場では配線図、ラベルが貼られた接続端子、および機器メーカーの仕様書を用意しておく必要があります。また、必要な交換部品は、設置されている機種に適合するものでなければなりません。

冷却液の品質管理も運用上の重要な課題です。例えば、腐食や堆積物によって機能が損なわれないよう、材料、液体、および処理方法が適切に調和していなければなりません。 どのような検査、基準値、交換間隔が適用されるかは、一律的な冷却水に関する推奨事項ではなく、各コンポーネントやそれぞれの循環系の要件に基づいて決定されます。

宛先 漏洩監視 これには、適切な場所に設置されたセンサー、信頼性の高い警報伝達、および記録された対応が含まれます。チームは、誰が警報を受け、影響を受けたエリアを評価し、現場の手順に従って対応するかを把握しておく必要があります。プロジェクトに応じて自動停止機能が設けられる場合もありますが、これはすべてのシステムに備わっているわけではなく、また唯一の対応策でもありません。

保守手順とトラブル対応手順は整合性が保たれている必要があります。保守作業中にセンサーが覆われてしまったり、アラーム通知が一時的に抑制されたりした場合、それらを復旧させる手順も規定されていなければなりません。作業内容や異常に関する記録は、繰り返し発生する問題を特定し、次回の保守期間に向けて的を絞った準備を行う上で役立ちます。

障害を体系的に絞り込む

コンポーネントの温度が上昇しても、必ずしも冷却プレートが原因とは限りません。まずは以下の点を確認してください。 IT負荷 そして、温度の推移を、そのハードウェアの公表されている許容値と比較してください。負荷の増加により放熱量が変化する可能性がありますが、重要なのは、システムが想定された動作条件下で、依然として仕様範囲内で動作しているかどうかです。

その後、冷却経路を段階的に確認します。所定の測定点における供給水温は許容範囲内か？流量は機器に要求される値に達しているか？これらの両方の数値は、実際に採用されている構成と一致している必要があります。 建物の供給側で許容範囲内の値が得られたとしても、それだけではサーバーへの供給が適切に行われているとは限りません。

変更された 圧力損失 これは流路の変化を示唆する可能性がありますが、これだけではその原因を特定することはできません。 入手可能な圧力および流量データを、仕様およびこれまでの運転状況と比較してください。その後、CDU、そのアラーム、および建物側への熱伝達を確認する必要があります。作業は、メーカーおよび設置場所の手順に従い、訓練を受けた担当者のみが実施してください。

また、ハイブリッドシステムでは、残留空気の冷却も診断項目に含まれます。空気の通り道が塞がれている場合や、所定の空気供給が計画通りに機能していない場合、液体冷却されていないコンポーネントに影響が及ぶ可能性があります。したがって、液体循環に異常が見られない場合でも、同じラック内で熱的な問題が発生している可能性は排除できません。

漏洩警報は、温度診断とは別個に、現地の緊急時対応計画に従って処理される。冷却経路が停止した場合、文書化された停止対応計画に基づき、どの負荷を転用するか、あるいはどの設備を管理下で停止するかが決定される。 原因が特定されていない場合でも、警報の発報およびエスカレーションは機能すべきである。加圧配管に対するその場しのぎの作業は、診断の代わりにはならない。

費用対効果とグリーンホスティングの評価

環境比較を行うために、 PUE データセンターで年間合計で消費されるエネルギーと、IT部門の年間エネルギー消費量の比率。WUEは、当該拠点における年間水使用量とIT部門の年間エネルギー消費量を比較した指標である。これらの2つの値を適切に比較するには、期間と測定範囲が明示されている必要がある。

PUE値が低いからといって、必ずしも絶対的な排出量や水使用量が少ないとは限りません。なぜなら、 グリーン・ホスティング したがって、総エネルギー需要、排出量バランス、あるいは電力構成、そして絶対的な水使用量も重要な要素となります。IT負荷の増加は、総エネルギー消費量に対するITエネルギー消費量の比率が改善されたとしても、拠点全体の消費量を増加させる可能性があります。

ITシステムの閉鎖型循環であっても、必ずしもシステム全体の運用において水が一切使われないとは限らない。熱除去の別の段階で水が蒸発する可能性があるからだ。廃熱に関しては、理論上の供給量だけでなく、 実際に利用された熱量. そのためには、利用者の必要な温度と所要時間が合致している必要があります。また、ヒートポンプは追加のエネルギーを必要とする場合があります。

経済性は設置場所によって異なります。予想される負荷プロファイルと計画されているラック密度を、互換性のあるIT機器、配電設備、CDU、および建物の改修にかかる投資額と比較検討してください。 さらに、メンテナンス、エネルギー、必要に応じて水道代、および冗長化や障害対策にかかるコストも加わります。これらの項目について、同じ運用期間において、その設置場所に現実的な設計が施された代替案と比較してください。

ホスティングサービスを利用している顧客にとっては、冷却技術だけから環境への影響を推測するのではなく、測定期間、立地データ、および廃熱利用の実際の規模についてプロバイダーに確認することが賢明です。インフラと持続可能性に関するさらなる動向については、本記事で 2026年のホスティングのトレンド にある。