単相と二相の比較

チップの熱設計電力 (TDP) が継続的に増加しているため、従来の空冷方式では最新のハイパースケールデータセンターの冷却要件を満たすことが困難になっています。結果として、

チップの熱設計電力 (TDP) が継続的に増加しているため、従来の空冷方式では最新のハイパースケールデータセンターの冷却要件を満たすことが困難になっています。

その結果、液体の比熱容量が大きいため、液体冷却が有望なソリューションとして浮上しました。

液冷は、主に単相液冷と二相液冷の 2 種類に分類できます。これら 2 つの違いは、冷却プロセス中に相変化が発生するかどうかにあります。

二相冷却は、より高い冷却能力を提供しますが、コストの上昇や規制上の懸念など、いくつかの課題も抱えています。

二相冷却剤は、電子部品全体を冷却剤に浸す浸漬冷却と、冷却剤をチップに直接接触させるチップ直接冷却の両方で一般的に使用されます。

単相コールドプレート冷却では、水グリコールなどの冷却剤が使用され、冷却剤分配ユニット (CDU) によってコールドプレート内で循環されます。

冷却剤は熱源 (GPU など) を通過するときに対流によって熱を吸収します。一方、二相コールドプレートまたは蒸発器は、沸点の低い誘電冷媒を利用します。二相冷却では、主に冷媒の相変化時の潜熱によって熱吸収が発生します。

単相冷却とは異なり、二相コールドプレートは循環にポンプや CDU に依存せず、代わりに温度制御された自己制御を使用するため、可動コンポーネントがないためメンテナンスが容易になります。

さらに、ほとんどの二相冷却剤は非腐食性であるため、ラックマニホールドおよびコールドプレートハウジングの材料選択の幅が広がり、メンテナンスの必要性が軽減されます。

ただし、一部の二相冷媒には有機フッ素成分が含まれており、地球温暖化の可能性や環境への影響が懸念されていることに注意することが重要です。

3M などの企業による特定のポリフルオロアルキル物質 (PFAS) の製造が 2025 年末までに中止されると、二相コールドプレートと二相浸漬冷却の両方に影響が及びます。

単相コールドプレートの場合、圧力損失は重要なパラメータです。 CDU はマニホールドとクイックディスコネクトを通じて冷却剤をポンプで送ります。不均一な圧力降下により、異なるコールドプレート間で流量が変化し、冷却が不均一になる可能性があります。

理論的には流量を手動で制御して無限の冷却能力を実現できますが、実際には、通常、冷媒は沸点に近い温度でポンピングされるため、キャビテーションを防ぐために最大ポンピング速度の約 20% を使用する必要があります。

高い冷却能力を達成するには、1000 W の冷却能力を持つコールドプレートの場合 1 分あたり 2.5 リットルなど、大量の水が必要となるため、これは採用に対する実際的な障壁となります。

単相および二相コールドプレートの詳細と、CDU およびマニホールドの材料に関する考慮事項については、IDTechEx の最新調査レポート「データセンターの熱管理 2023-2043」を参照してください。

浸漬冷却は冷却効率が高いことで知られており、部分電力使用効率 (pPUE) は 1.01 と低く、これはすべてのデータセンター冷却アプローチの中で最も低くなります。

しかし、PFAS 規制と環境への懸念により、単相浸漬冷却に移行し、PFAS フリーで低フッ素の冷却剤を使用する傾向があります。

これらの移行は有望ではありますが、高いコストと運用の複雑さを伴います。さらに、液体冷却剤とサーバーの間の互換性を確保することも継続的な課題です。

それにもかかわらず、浸漬冷却ベンダーとサーバーサプライヤーとの間で注目すべきコラボレーションが行われてきました。大手企業がパイロットプロジェクトを開始しており、浸漬冷却技術への関心と投資が高まっていることがわかります。

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