液冷とは？
液冷は、高性能コンピューティングシステム、サーバー、およびデータセンターで発生する熱を管理するために使用される高度な冷却方法です。ファンやエアフローに依存する従来の空冷とは異なり、液冷は、液体媒体（通常は水または特殊な冷却剤）を使用して、CPU、GPU、その他の熱を発生するハードウェアなどの重要なコンポーネントから熱を吸収し、移動させます。
液冷システムを効果的に機能させるためには、いくつかの特殊技術が必要です。これには、熱伝達を促進するためにコンポーネントに直接取り付けられるコールドプレート、冷却液をシステム内で循環させるための冷却液分配モジュール（CDM）と冷却液分配ユニット（CDU）、コンポーネント間で冷却液を輸送するための配管、液体から吸収された熱を除去するための熱交換器やチラーなどの外部冷却設備などが含まれます。
液冷は、高い計算負荷で動作するシステムから効率的に熱を除去するように設計されており、人工知能（AI）、機械学習（ML）、高性能コンピューティング（HPC）、データセンターなど、従来の冷却方法では不十分なアプリケーションに不可欠です。液体冷却の有効性は、空気に比べて液体の熱伝導率が優れていることにあります。
液体冷却の種類
現在、いくつかの液冷技術が使用されています。以下はその代表的な例です。
ダイレクト・ツー・チップ液冷
DLCとしても知られるDirect-to-Chip液冷は、データセンターで最も一般的な液冷の形態の1つです。この方法では、コールドプレートがプロセッサやその他の発熱部品に直接取り付けられます。これらのプレートには液体冷却剤が充填され、熱を吸収し、パイプの閉ループシステムを通じて熱を放出します。DLCは、個々のコンポーネントに高度に的を絞った冷却を提供するため、精度が重要なハイパフォーマンス・コンピューティング環境に最適です。
浸漬冷却
液浸冷却では、非導電性の液体冷却液にサーバーコンポーネントやハードウェア全体を浸します。この方法では、熱が周囲の液体に効率的に吸収されるため、従来の冷却方法と比較して熱抵抗が大幅に低減されます。液浸冷却は、エネルギー消費とノイズを低減しながら複数のコンポーネントを同時に冷却できるため、処理要求が非常に高い環境で非常に効果的です。
リアドア熱交換器
リアドア熱交換器は、サーバーラックの背面に取り付けられ、サーバーから出る際に液体冷却剤を使用して熱を捕捉し、放散します。この方式では、内部コンポーネントに干渉することなく、ラックの出口で熱を回収するため、複雑な設置をしなくても効果的に熱を除去することができます。リアドア式熱交換器は、ハードウェアに大きな変更を加えることなく、既存のデータセンターに液冷機能を後付けするのに理想的です。
液体から空気への冷却
液-空冷却は、液体を使用して内部コンポーネントから熱を吸収し、加熱された液体を気流または外部の空冷式熱交換器によって冷却するハイブリッド・アプローチです。この方法は、液冷が必要でありながら、液浸ソリューションやDirect-to-Chipソリューションを直接実装することが現実的でない、あるいは不可能な場合に有効です。液冷の効率の恩恵を受けながら、システム設計に柔軟性をもたらします。
液冷開発年表
- 1960年代前半初期コンセプト
- 液冷は、IBMのStretch（7030）などの初期の高性能コンピューティングシステムで発生する熱を管理するために、1960年代に初めて研究されました。
- 流体は、より効率的な放熱媒体として導入されました。
- 1980s:メインフレームの液体冷却
- IBMのSystem/360のような大規模なメインフレームコンピュータは、増大する熱負荷を処理するために液冷を利用しました。
- 水冷システムを導入することで、データ集約型環境での運用効率を向上。
- 2000年代前半高性能コンピューティング（HPC）の登場
- 液冷は、特にハイパフォーマンス・コンピューティング（HPC）において、より優れた熱管理への要求が高まるにつれ、再び注目を集めるようになりました。
- ダイレクト・ツー・チップ冷却技術が導入され、高密度のコンピューティング環境で特定のコンポーネントに的を絞った冷却が可能になりました。
- 2010年代半ば液浸冷却とデータセンターの採用
- 液浸冷却技術は、コンピューティングパワーの要件が急増するにつれて、ハイパースケールデータセンターで支持されるようになりました。
- この方法により、複数のサーバーの効率的な冷却が可能になり、エネルギー消費量の削減と全体的な運用の安定性が向上しました。
- 2020s:AI、機械学習、エッジコンピューティングの普及
- 液体冷却は、人工知能（AI）、機械学習（ML）、エッジコンピューティングなどの先端技術によって発生する熱を処理するために不可欠となりました。
- データセンターでは、エネルギー効率の目標と最新のアプリケーションの高い計算需要を満たすために、液冷ソリューションの採用が増加しています。
液体冷却のデータセンター以外への応用
液冷は、サーバーやIT インフラの高熱負荷を管理する能力から、データセンターに関連することがよくありますが、その用途はこの環境をはるかに超えています。研究機関や科学研究所のハイパフォーマンス・コンピューティング（HPC）システムは、気候モデリングや遺伝子配列決定など、要求の厳しいシミュレーション中のパフォーマンスを維持するために液冷を利用しています。同様に、自動車業界では、電気自動車（EV）のバッテリー、モーター、および自律走行技術で使用される高度なプロセッサーから発生する熱を管理するために液冷を使用しています。これらの用途は、液冷がさまざまな産業で電力を大量に消費する高度なシステムの熱を管理する上で極めて重要であることを示しています。
液冷は、コンピューティングや自動車だけでなく、通信や産業分野にも応用されています。5Gインフラが成長するにつれ、通信会社は高密度のネットワーク機器から発生する熱を管理するために液冷を活用しています。産業用製造業では、ロボット、レーザー加工機、その他の高出力機器が液冷を利用して動作の安定性を確保し、過熱を防止しています。ヘルスケア分野でも、MRIやCTスキャナーなどの医療用画像機器に液冷が使用され、安定した性能と長寿命を実現しています。このような多様な用途は、さまざまな産業における熱管理ソリューションとしての液冷の多用途性を浮き彫りにしています。
液体冷却の商業的利点
液冷は、その間違いない利点から、様々な産業用途で広く利用されています。その利点は以下の通りです：
- エネルギー効率：全体的な消費電力を削減し、空冷システムと比較してエネルギーコストの削減につながります。
- より高いハードウェア密度：より小さなスペースでより多くの機器を、オーバーヒートのリスクなしにサポートし、設備の利用を最大化します。
- メンテナンスの削減：空冷システムよりも信頼性が高いため、メンテナンスと修理のコストを削減できます。
- ハードウェア寿命の延長：重要なコンポーネントを低温に保ち、動作寿命を延ばし、交換頻度を減らします。
- 運用コストの削減：冷却インフラの必要性を減らし、長期的な費用を削減します。
- より静かな動作：騒々しいファンへの依存を減らし、データセンターや産業スペースにより静かな環境を作り出します。
よくあるご質問
- 液冷はハードウェアにとって安全ですか？
はい、液冷は適切に設置され、メンテナンスされていれば、ハードウェアにとって安全です。最新の液冷ソリューションは、非導電性のクーラントと漏れを防ぐ安全な継手を使用して設計されており、繊細なコンポーネントを損傷することなく安全に動作します。 - 液冷は空冷より優れていますか？
はい、液冷は一般的に空冷よりも効率的で、特に高性能システムには適しています。液体は熱伝導率が高いため、より効果的に熱を除去し、コンポーネントを低温に保つことができます。これにより、特に従来の空冷では理想的な温度を維持するのに苦労するような環境において、パフォーマンスの向上、エネルギー消費の削減、ハードウェアの長寿命化につながります。 - 液冷の寿命は？
液冷システムは、適切なメンテナンスを行うことで、通常数年間使用できます。寿命は、コンポーネントの品質、使用するクーラントの種類、クーラント交換や漏れのないことを確認するなどの定期的なメンテナンスなどの要因によって決まります。よく整備されたシステムは、5～10年以上確実に作動することが知られています。 - 液冷はメンテナンスが必要ですか？
液冷には、定期的なクーラント交換や漏れのチェックなど、空冷に比べて追加のメンテナンスが必要です。しかし、最新の液冷システムは比較的メンテナンスが少なくなるように設計されており、冷却性能とハードウェアの寿命における利点は、必要な余分な労力を上回ることがよくあります。