AI サーバー液体冷却: 完全ガイド

AI サーバーは危険なほど高温で動作します。 8 つの高性能 GPU または次世代 ASIC を 1 つのシャーシに詰め込むと、熱設計電力 (TDP) はサーバーあたり 10kW を軽く超えます。ファンとエアフローに依存することは、もはや実行可能なエンジニアリング戦略ではありません。液体が必要です。ハードウェアを設計したり、高性能データセンターの調達を管理したりする場合、重要な移行期に直面しています。数百万ドルのサーバー ラックをサーマル スロットルや致命的な漏れから保護するには、適切な水冷コンポーネントを選択する必要があります。

このガイドには、冷却アーキテクチャの指定、サイズ設定、および調達に必要なすべてが記載されています。それはあなたの総合的なものとして機能します AI 液冷の概要。私たちはマーケティング上のノイズを取り除き、エンジニアリングの事実を直接調べます。摩擦撹拌溶接コールド プレートをいつ使用するべきか、冷却剤分配ユニット (CDU) のサイズを適切に設定する方法、および 2026 年の極端な密度レベルに備えて施設を将来も保証する方法を正確に学びます。

1. AI の密度が液体冷却への切り替えを強制する理由

空気から液体への移行は、基本的な物理の問題です。 AI ワークロードがより複雑になるにつれて、シリコン メーカーはより多くのトランジスタをより小さなパッケージ領域に詰め込んでいます。これにより、空気では運び去ることができない大量の熱流束が発生します。

1.1 空冷が物理的な壁にぶつかる理由

水は空気の約 4,000 倍の体積熱容量を持っています。同じ量の熱を除去するには、大量の空気を移動させる必要があり、そのためには非常に高い RPM で動作する大型ファンが必要になります。これにより、許容できない音響ノイズが発生し、ファンを回転させるだけでデータセンターの総電力バジェットの最大 30% が消費されます。

従来の空冷式 AI サーバーのヒートシンク も空間的制約に直面します。 1000W チップには、巨大な銅とアルミニウムのフィン スタックが必要です。高密度の 1U または 2U サーバー シャーシでは、この熱負荷を放散するのに十分な大きさのヒートシンクを設置する物理的なスペースがまったくありません。標準的なデータセンター構成では、空気封じ込めが最適化され、ラックあたり最大約 30kW ～ 40kW になります。

1.2 液体冷却と空気冷却の仕組み

液体冷却は、大容量の熱伝達流体を最も高温のコンポーネントに直接もたらします。冷気をフィンスタックに吹き付けるのではなく、液体はプロセッサーの真上にボルトで固定された金属プレート内のマイクロチャネルを通って送られます。液体は熱を吸収してサーバーの外に運び、放熱水システムに排出します。

施設を構成するときは、ワークロードが重要です。使用されているハードウェア LLM トレーニングと推論の液体冷却は 密度が異なります。トレーニング ラックは継続的な定常状態の高負荷を実行しますが、推論ラックはバースト負荷が発生します。液体冷却は、ループ内の流体の熱質量により、これらの熱スパイクを容易に吸収します。

理解を助けるために 高密度 AI ラックを冷却する方法については、空気と液体の能力の基本的な比較を確認してください。

 

意思決定マトリックス:

· 場合は、空冷を使用します。 ラック密度が厳密に 30kW 未満であり、チップの TDP が 400W 未満で、従来の施設インフラストラクチャをアップグレードできない

·最新の AI アクセラレータを導入している場合、ラック密度が 40 kW を超えている場合、または電力使用効率 (PUE) の義務によりファンの大量使用が厳しく禁止されている 場合は、液体冷却を 使用します。

2. コールドプレート技術とその使用時期

コールド プレートはシステムの心臓部です。シリコンダイと冷却剤ループの間に位置します。コールド プレートに適切な製造方法を選択することで、熱抵抗、圧力降下、漏れの安全性が決まります。テクノロジーを特定のサーバー アーキテクチャに適合させる必要があります。

2.1 スカイブドフィンコールドプレート

スカイビングでは、銅またはアルミニウムの固体ブロックを削り、極薄で高密度のフィンを作成します。次に、カバーがフィンの上に密閉され、流体チャネルが形成されます。

 

· 長所: 熱伝達のための表面積が大きい。優れた熱性能。カスタムサイズの工具コストが低い。

· 短所: フィンのピッチが狭すぎると、プレート全体での圧力降下が大きくなる可能性があります。カバーを密閉するには O リングやろう付けが必要で、製造が不十分だと軽微な漏れのリスクが生じます。

· これは次の場合に使用します。 ラピッド プロトタイピングが必要で、予算が限られており、内部抵抗を克服するために使用できる強力なポンプ圧力がある。

· 次の場合はこれを避けてください。 ポンプ システムでは、サーバー ループ全体にわたる超低圧力降下が必要です。

2.2 ろう付けされた液体冷却プレート

真空ろう付けは、CNC 加工された金属の複数の層を高温の真空炉内で融合させます。エンジニアは、熱抽出と流体力学のバランスをとる、複雑で最適化された内部流体チャネルを設計します。

· 長所: 高度にカスタマイズ可能な内部流路 (U 字型、平行チャネルなど)。優れた構造的完全性。複数のチップ (CPU、GPU、メモリ) を 1 つの大きなプレートでカバーできます。

· 短所: 初期工具コストが高くなります。製造のリードタイムが長くなります。

· これは次の場合に使用します。 高密度 AI マザーボード上の複数のコンポーネントを同時に冷却するために、単一の大きなコールド プレートが必要です。

· 次の場合はこれを避けてください。 ツールのコストがコンポーネントの予算を上回る、少量のテスト実行を行っている場合。

2.3 摩擦撹拌溶接 (FSW) コールド プレート

摩擦撹拌溶接では、回転ツールを使用して摩擦熱を発生させ、2 つの金属片を溶かすことなく塑性的に混合します。これにより、充填材を使用しないソリッドステートの接合が作成されます。結果として得られるシールは、親金属自体と同じくらい強力です。私たちの記事を読んでください AI サーバー ラック コールド プレート ガイド。 FSW パフォーマンスに関する詳細な仕様のための

 

· 長所: 絶対的に最高の信頼性。漏れのリスクが事実上ゼロ。優れた破裂圧力耐性。冷却剤を汚染するフラックスや充填材がありません。

· 短所: 専門的で高価な製造装置が必要です。設計ジオメトリは、溶接ツールのパスによってわずかに制限されます。

· 以下の場合に使用してください: 漏れ防止が絶対的な最優先事項である場合、ミッションクリティカルな環境に展開している場合、および高圧液体ループを使用している場合。

· 次の場合はこれを避けてください。  FSW ツール ヘッドが簡単にナビゲートできない、非常に複雑で非直線的で半径が狭いシール パスが必要な場合。

2.4 チップへの直接コールド プレート

標準的なサーマル インターフェイス マテリアル (TIM) の限界に近づいているため、エンジニアはチップの統合ヒート スプレッダー (IHS) を取り外しています。 AI アクセラレータ用のダイレクト トゥ チップ コールド プレートは、 マイクロチャネル冷却面をベア シリコン ダイに直接配置します。

· 長所: 熱抵抗の層を排除します。絶対最高の TDP (1200W+) に必要です。

· 短所: 組み立てプロセスが非常に壊れやすい。取り付け中にシリコンに亀裂が入る危険性が高くなります。

· これは次の場合に使用します。 標準のコールド プレートでは、次世代 ASIC を最大ジャンクション温度 (TjMax) よりも低く保つことができません。

· 次の場合はこれを避けてください。 高度に管理されたクリーンルームの組み立て環境がない場合、または標準の市販 (COTS) CPU を冷却している場合。

 

3. 冷却剤分配ユニット (CDU) と液体ループ

施設の冷水をそのままサーバーコンポーネントに直接汲み上げることはできません。設備用水は汚れていることが多く、化学的に大量に処理されており、繊細な IT 機器には高すぎる圧力で動作します。構築ループをサーバー ループから分離する必要があります。

3.1 CDU が AI 施設で行うこと

冷却液分配ユニット (CDU) は、設備用水 (一次ループ) と IT 機器 (二次ループ) の間に配置されます。冷却システムの心臓部として機能します。すべての内部 AI データセンター用の CDU には、液体間熱交換器、冗長ポンプ、マイクロフィルター、スマート制御ロジックが含まれています。

CDU はサーバーの温度を監視し、ポンプ速度を調整して、ハードウェアを安定に保つのに十分な二次冷却剤を正確に供給します。また、通常はプロピレングリコール (PG) と腐食防止剤を混合した処理水を使用して、二次流体の品質を厳密に管理し、コールド プレートが目詰まりしたり腐食したりしないようにします。

3.2 CDU のサイジングの基本

CDU を指定するときは、必要な熱除去能力 (kW) と必要な流体流量 (リットル/分、LPM) の両方を計算する必要があります。 CDU には通常、次の 2 つのフォーム ファクタがあります。

1. インラック CDU: サーバー ラック内に直接取り付けられ、通常は 2U ～ 4U のスペースを占有します。 30kWから80kWの熱を処理します。

· これは次の場合に使用します。 いくつかの AI ラックを従来の空冷データ センターに改造しており、液体ループを 1 つのキャビネットに収めておきたい。

2. In-Row / End-of-Row CDU: サーバー ラックの横に設置されるキャビネットサイズの大型ユニット。 300kW ～ 1MW+ の熱を管理し、ヘッダーを介して複数のラックに流体を分配できます。

· これは次の場合に使用します。 グリーンフィールド AI データ センターを構築し、高密度コンピューティングの行を同時に展開している。

4. 二相冷却および浸漬冷却の概要

今日の市場は単相水冷 (水が液体のまま) が主流を占めていますが、極度の熱流束により業界は相変化技術に向かって進んでいます。これらは蒸発潜熱、つまり流体が液体から気体に変化するときに吸収される大量のエネルギーを利用します。

4.1 二相コールドプレート

2 相コールド プレートでは、特殊な誘電性流体がチップ上にポンプで注入されます。プロセッサーの熱により液体が沸騰します。結果として生じる蒸気は凝縮器 (ラックまたは CDU 内のいずれか) に移動し、その熱を設備水に放出し、液体に戻ってサーバーに戻ります。

沸騰は流体の温度を上昇させることなく膨大なエネルギーを吸収するため、二相システムは大きなシリコン ダイ全体にわたって信じられないほど均一な温度プロファイルを提供します。大規模な GPU パッケージのホットスポットに悩まされている場合は、次のことを評価する必要があります。 AI サーバー用の二相冷却および浸漬冷却.

· 場合にこれを使用します。 チップの TDP が 1500 W を超える場合、または巨大なシリコン ウェーハ全体にわたって絶対的な温度均一性が必要な

· 次の場合はこれを避けてください: あなたの施設では特殊な高度に設計された誘電性流体 (地球温暖化の可能性があるため厳しく規制されています) を扱うことができません。

4.2 浸漬冷却

液浸冷却では、コールド プレートを介して流体を流すのではなく、サーバー シャーシ全体を人工誘電性流体のタンクに浸します。

· 単相浸漬: 流体は加熱され、上昇し、熱交換器を循環します。

· 二相浸漬: 液体は裸のコンポーネントから直接沸騰し、蒸気はタンク上部の水冷コイルで凝縮します。

· 場合にこれを使用します。 すべてのファンを完全に排除し、施設の床面積を最適化し、それぞれにカスタムのコールド プレートを設計せずにボード上のすべてのコンポーネント (メモリ、VRM、スイッチ) を冷却したい

· 次の場合はこれを避けてください。 濡れたサーバーを扱うとメンテナンスが複雑になるため、ハード ドライブまたは DIMM を交換するために頻繁に物理的にアクセスする必要がある。

5. システムアーキテクチャ: チップからリアドアまで

導入を成功させるには、全体を視覚化する必要があります。 AI データセンター冷却アーキテクチャ。単一の接続ポイントで障害が発生すると、システム全体が危険にさらされます。アーキテクチャは 3 つの異なるレベルに分かれています。

5.1 サーバーレベル

シャーシの内部では、銅またはアルミニウムのコールド プレートが GPU と CPU にボルトで固定されています。二次プレートまたは特殊なサーマル パッドで電圧レギュレータ モジュール (VRM) とメモリをカバーする場合があります。これらのプレートは、柔軟なフッ素ポリマー チューブ (FEP/PFA) を使用して一緒に配管されています。内部チューブはサーバー シャーシの背面に配線され、クイック ディスコネクト (QD) フィッティングで終端します。

· これを指定します: 常にこぼれない平らな面のクイック ディスコネクトを使用してください。これにより、技術者はループを空にすることなく、障害が発生したサーバーをホットスワップできます。

5.2 ラックレベル

ラックの背面では、垂直マニホールドが液体を分配します。マニホールドは、すべてのサーバー スロットに対応するクイックディスコネクトを備えています。冷たい冷却剤はマニホールドの供給側を流れ、サーバーに入り、熱を吸収し、マニホールドの戻り側に出て、CDU に向かいます。

· これを指定します: 溶接接続のあるステンレス鋼マニホールドを使用します。温度サイクルによってねじ山が後退し、時間の経過とともに漏れが発生する可能性があるため、可能な限りねじ込み接合を避けてください。

5.3 列と施設レベル

ラックマニホールドは、床下または頭上の配管を介して CDU に接続されます。次に、CDU は一次施設の冷水システムと接続します。施設の水が暖かい場合 (例: 30°C / 86°F 以上)、「温水冷却」を利用していることになります。これは、データセンターがドライクーラーを使用して熱を外部大気に排除し、電力を大量に消費するチラーを完全にバイパスできるため、非常に望ましいことです。

6. 液体ループのサイズと計算方法

正しいポンプとチューブの直径を指定するには、基本的な熱力学計算が必要です。推測しないでください。正確な要件を計算します。

6.1 熱負荷と流れの誘導

必要な液体流量を決定するには、標準的な熱伝達方程式を使用します。

Q = ṁ × Cp × ΔT

どこ：

·  Q: 総熱負荷 (ワットまたは kW)

·  ṁ: 質量流量 (リットル/分に換算)

·  Cp: 流体の比熱容量 (水は約 4.18 kJ/kg·K、PG 混合物はこれより低くなります)。

・ ΔT： サーバー入口からサーバー出口までの流体の許容温度上昇。

単相水の経験則: コールド プレート全体で 15°C の温度上昇を目標とする場合、1kW の熱ごとに約 1 LPM の流量が必要です。

したがって、総ハードウェア熱が 10kW の AI サーバーには、およそ 10 LPM の流量が必要になります。これらのサーバーを 8 台搭載したラックには、80 LPM のマニホールドと CDU 流量に加えて、ポンプの冗長性のために 20% の安全マージンが必要です。

6.2 エンジニアリング上の決定チェックリスト

メーカーに問い合わせる前に、次のチェックリストを完成させてください。

1. TDP をマッピングする:  CPU、GPU、および高電力メモリの最大ワット数を計算します。

2. 流体を定義します。 純水、PG ミックス、または誘電性流体のいずれかを決定します。 (これにより、電気腐食を防ぐために銅、アルミニウム、またはステンレス鋼のコールド プレートが必要かどうかが決まります)。

3. アプローチ温度の設定: 施設の入口水温度を定義します。

4. 圧力損失の計算: 目標流量が CDU ポンプの能力を超える圧力損失を生じないことを確認してください。

5. QD サイズを選択します。 流量要件を標準のクイックディスコネクト内径 (例: 1/4'、3/8'、1/2') に合わせます。

7. 2026 年の電力密度トレンドと次世代アクセラレータ

今日システムを設計する場合は、将来のシリコンに対応する必要があります。 Nvidia の H100 などの現在のアーキテクチャは、およそ 700W TDP で動作します。しかし、 2026 年の AI アクセラレータの電力密度トレンドは 、GB200、GB300、および同等のカスタム ASIC がこれをはるかに超えることを示しています。

2026 年までに、単一パッケージの TDP は 1200W を超えるでしょう。サーバー ラックは通常、100kW ～ 120kW の電力を必要とします。

この密度を乗り切るには:

· 高性能の銅ろう付けまたは FSW コールド プレートを使用するには、アルミニウムのスカイブド プレートを放棄する必要があります。

· 直接チップへのマイクロチャネル アーキテクチャを準備する必要があります。

· ラック マニホールドのサイズを大きくする必要があります。直径 1 インチのマニホールドでは、100kW の負荷に対して圧力降下が大きすぎます。内径 1.5 インチまたは 2 インチに移行する予定です。

· 施設のループ圧力を評価する必要があります。ラック密度が高くなると、より高い流体速度が必要となり、システム圧力が最大 60 ～ 80 PSI に上昇します。

よくある質問

単相 AI サーバーの冷却に最適な冷却剤は何ですか?

ほとんどの導入では、25% ～ 30% のプロピレン グリコール (PG) と純脱イオン水の混合物に工業用腐食防止剤を組み合わせたものが標準です。有機物の成長や金属の腐食を防ぎながら、優れた熱伝達を実現します。

液体ループ内の電気腐食を防ぐにはどうすればよいですか?

同じ接液ループ内で混触しない金属を決して混合しないでください。コールド プレートが銅の場合は、マニホールドと CDU 熱交換器が銅、真鍮、またはステンレス鋼を使用していることを確認してください。アルミニウムは急速に腐食するため、水ベースのシステム中で裸のアルミニウムと銅を混合しないでください。

摩擦撹拌溶接されたコールド プレートの寿命はどれくらいですか?

FSW は異種の溶加材を含まないソリッドステート接合であるため、溶接部の強度は母材と同様です。適切な流体化学が維持されていると仮定すると、FSW コールド プレートは、IT 機器自体の 5 ～ 7 年の運用ライフサイクルを容易に超えて長持ちします。

施設の高度は液体冷却にどのような影響を与えますか?

高高度では空気密度が薄くなるために効率が大幅に低下する空冷とは異なり、液体冷却は高度の影響をほとんど受けません。このため、液冷は標高の高い地域にあるデータセンターに最適です。

単相コールドプレートが処理できる最大 TDP はどれくらいですか?

高度に最適化された銅マイクロチャネル、チップへの直接実装、および高速流体の流れを備えた高度な単相コールド プレートは、1500 W を超えるシリコンを正常に冷却できます。 1500W ～ 2000W を超えると、二相冷却が構造的にも経済的にも実行可能になります。

真空ろう付けプレートと摩擦撹拌溶接プレートのどちらを選択すればよいですか?

複雑な多層の内部流体ルーティング (GPU、その周囲のメモリ モジュール、および VRM を同時に冷却するなど) が必要な場合は、真空ろう付けを選択してください。内部流路が単純だが、絶対最大破裂圧力と漏れ防止の信頼性が必要な場合は、FSW を選択してください。

水冷サーバーには依然としてファンが必要ですか?

はい、ほとんどのアーキテクチャで可能です。コールド プレートは (CPU/GPU からの) 熱の 70% ～ 85% を除去しますが、マザーボード コンポーネント、ストレージ ドライブ、および PCIe スイッチからの残りの周囲熱は、依然としてシャーシ内に空気を取り込むために低速ファンを必要とします。完全な浸漬冷却のみがファンを完全に排除します。