AI データセンターの二相冷却: その仕組みといつ使用するか

人工知能のワークロードにより、シリコンの熱設計電力 (TDP) がチップあたり 1500 ワットを超えるようになり、従来の液体冷却アプローチでは物理的な限界が明らかになり始めています。大量の単相水を汲み上げるには、大きなマニホールドと極度のポンプ圧力が必要ですが、依然として大きな半導体ダイ全体に温度勾配が残ります。二相冷却は蒸発潜熱を利用することでこれらのボトルネックを解決し、チップ表面で流体を沸騰させ、温度を上昇させることなく膨大なエネルギーを吸収します。完全な設備アップグレードを評価している場合は、当社の資料を参照してください。 AI サーバー水冷: 概要を説明する完全なガイド。この記事では、相変化冷却のメカニズムを厳密に掘り下げ、励起二相ループと浸漬セットアップを比較して、次世代ラックの正確な熱アーキテクチャを決定するのに役立ちます。

1. 二相冷却の背後にある物理学

二相系が単相系よりも劇的に多くの熱を吸収できる理由を理解するには、流体の状態変化の熱力学を調べる必要があります。単相システムは顕熱に依存します。二相システムは潜熱に依存します。

1.1 顕熱と潜熱

単相システムでは、冷却剤 (通常は水とグリコールの混合物) がそれ自身の温度を上昇させることによって熱を吸収します。これが顕熱です。流体は 25°C でコールド プレートに入り、40°C で出ます。除去される熱量は、流体の質量流量と比熱容量に直接比例します。より多くの熱を除去するには、流体をより速くポンプで送り込むか、より大きな温度上昇を許容する必要があり、これによりサーマル スロットルが発生する可能性があります。これらの容量が最新のトポロジにどのように適合するかについてのより広範な概要については、次のリンクを参照してください。 AI 液冷の概要.

二相冷却は蒸発潜熱に依存します。人工誘電性流体が沸点に達すると、液体から蒸気に変わり始めます。この相変化の間、流体は一定の温度を保ちながら大量の熱エネルギーを吸収します。これにより、大型 AI アクセラレータ ダイの表面全体にほぼ等温冷却が提供され、単相アーキテクチャによくあるホット スポットが排除されます。

1.2 流動沸騰と蒸発

二相コールドプレートにおける実際の熱伝達は、核流沸騰によって発生します。液体がコールド プレートのマイクロチャネルを通って流れると、加熱された金属壁上に微細な蒸気の泡が形成されます。これらの泡は急速に剥がれ、流れる液体によって押し流されます。

この気泡の生成により、熱境界層（通常、単相系の熱伝達を制限する緩慢な流体の薄膜）が破壊されます。この層を激しく撹拌することにより、核沸騰により、同じ速度で流れる単相液体よりも最大で 1 桁高い熱伝達係数が達成されます。

2. ポンプ式二相コールドプレートシステム

ポンプ駆動二相ループ (フロー沸騰ループと呼ばれることが多い) は、従来の直接チップ アーキテクチャに似ていますが、異なる流体、動作圧力、および熱除去機構を利用します。

ポンプ → コールドプレート蒸発器 (泡を生成する GPU チップ) → 二相混合パイプライン → 凝縮器 (設備の冷水と接続) → 液体はポンプに戻ります

2.1 相変化ループのコアコンポーネント

ポンプ駆動二相ループは、ポンプ、マイクロチャネル コールド プレート (蒸発器)、蒸気ライン、凝縮器、および液体戻りラインで構成されます。ポンプは、過冷却された誘電性流体をコールド プレートに送ります。プレートの内部では、GPU からの熱によって流体の一部が沸騰します (通常、蒸気の質は 10% ～ 30%)。結果として生じる液体と蒸気の二相混合物はサーバーを出て凝縮器に移動し、そこで施設用水が冷却して純粋な液体の状態に戻します。

沸騰すると高い内部圧力が発生するため、蒸発器の機械設計は重要です。これらのループのコンポーネントを指定する場合は、次のセクションを参照してください。 AI サーバー ラック コールド プレート ガイドは、 これらの動的な圧力変動に耐えるベース プレートの形状を理解するためのガイドです。

2.2 誘電性流体の選択と取り扱い

標準の 2 相コールド プレート システムでは水を使用できません。水は大気圧で 100°C で沸騰しますが、これは最新のシリコンの最大安全接合温度 (TjMax) をはるかに超えています。代わりに、二相システムでは、沸点が 30°C ～ 60°C の間に調整された高度に設計された誘電性流体 (ハイドロフルオロカーボン、ハイドロフルオロエーテル、またはパーフルオロケトン) が使用されます。

· 以下の場合には、低沸点の液体 (例: 34°C) を使用してください。 温度に非常に敏感な光学部品や従来のシリコンを冷却している場合。

·高 TDP GPU (1000W+) を冷却していて、戻り水の温度を高くすることで施設の冷却塔の効率を最大化したい 場合は、中沸点の液体 (例: 50°C ～ 60  °C) を使用します。

3. 二相浸漬冷却

コールドプレートが液体をチップに送り込む一方で、浸漬冷却はチップを液体に近づけます。 2 相浸漬冷却セットアップでは、サーバーのマザーボード全体が誘電性流体の密閉タンクに浸されます。

3.1 2 相浸漬の仕組み

裸のシリコンコンポーネントは蒸発器として機能します。チップが動作すると、周囲の液体が沸騰するまで加熱されます。蒸気は密閉された筐体の上部に上昇し、蒸気ブランケットを形成します。タンクの上部では、水冷凝縮器コイルが蒸気から熱を抽出します。蒸気は凝縮して重い液滴となり、液体プールに雨となって降り注ぎ、受動的サイクルが完了します。

タンクベースのアーキテクチャをチップ直接手法と比較して評価している場合は、次のガイドを参照してください。 コールド プレートと浸漬冷却を比較すると 、大規模なタンクの配備に必要な構造設備の変更が不要になります。

3.2 蒸気封じ込めの管理

二相浸漬の主な工学的課題は、蒸気の封じ込めです。誘電性流体は揮発性が高く、非常に高価です。タンクが不適切に密閉されている場合、またはコンデンサー コイルが計算負荷の突然の急増に対応できない場合、蒸気が筐体から漏れる可能性があります。

これを防ぐために、二相浸漬タンクでは、複数の冗長圧力センサー、複雑なガスケット シーリング システム、および正確な設備の水流制御が利用されています。施設は、凝縮器への冷水の一定供給を保証する必要があります。施設ループの圧力が数分間でも低下すると、フル装備の AI 浸漬タンクは、安全圧力逃がしバルブが高価な液体を室内に排出するまで急速に蒸気圧を高めます。

4. 二相液体冷却と単相液体冷却

単相アーキテクチャと二相アーキテクチャのどちらを選択するかによって、今後 10 年間の施設全体の配管、ポンプ、およびメンテナンス戦略が決まります。

4.1 熱パフォーマンスとハードウェアの制限

単相冷却は現在業界標準であり、高度なマイクロチャネル設計と高流量を使用してパッケージあたり最大約 1200W ～ 1500W まで冷却できます。ただし、流体が 1500W の巨大な ASIC を通過すると、流体は入口から出口まで大幅に加熱され、シリコン全体に温度勾配が生じます。

二相冷却により、この勾配が解消されます。相変化は一定の温度で発生するため、シリコン ダイの前縁と後縁はほぼ同じ温度に保たれます。この等温プロファイルにより、パッケージングへの熱ストレスが軽減され、プロセッサーがより積極的にクロックをブーストできるようになります。

4.2 システムの圧力と漏れのリスク

単相水ループは中程度の圧力で動作し、制限のあるコールド プレートに重い流体を押し込むために大規模な冷却剤分配ユニット (CDU) を必要とします。施設の冷水がこれらの二次ループとどのように接続されているかを理解するには、その内訳を確認してください。 データセンターの熱交換器のコールド プレート エコシステム。

2 相ループに必要なポンピング電力は大幅に少なくなります。潜熱は非常に多くのエネルギーを吸収するため、水と比較して質量流量のほんの一部だけを汲み上げる必要があります。 1000W チップには 1 リットル/分 (LPM) の水流が必要ですが、二相ループでは誘電性流体の量はわずか 0.15 LPM です。

 

5. インフラストラクチャとメンテナンスの要件

流動沸騰冷却タンクまたは浸漬タンクを導入すると、データセンター技術者が対処できるように訓練されている必要がある独特の運用上の課題が生じます。

5.1 設備の調整

誘電性冷媒は、多くの場合、地球温暖化係数 (GWP) の評価を受けているか、規制上の監視の強化 (PFAS 規制など) に直面しています。選択した液体が施設の 10 年間の耐用年数にわたって地域の環境規制に準拠していることを確認する必要があります。さらに、二相浸漬タンクには、液体で満たされたエンクロージャの膨大な重量に耐えるために強化された床材が必要であり、サーバー ブレードをプールから物理的に持ち上げるために天井クレーンやホイストも必要です。

5.2 保守性の課題

二相励起ループの保守には特殊な機器が必要です。単相水ループとは異なり、二相誘電体システムでは、単純にバルブを開いて空気を抜くことはできません。

空気や湿気の汚染は、冷媒の沸騰性能を著しく低下させます。二相ループは、動作前に真空ポンプで完全に排気し、密閉する必要があります。技術者がサーバー ノードを交換する必要がある場合は、空気の侵入がゼロであることを保証する特殊なドライ ブレーク クイック ディスコネクトを使用する必要があります。非凝縮性ガス (室内空気など) がループに入ると、凝縮器に移動し、熱交換面をブロックし、システム圧力を壊滅的に上昇させます。

6. 選択フレームワーク: 二相冷却を選択する場合

単にパフォーマンス範囲を考慮して 2 相冷却をデフォルトにしないでください。工学的な複雑さと流動的なコストにより、物理学が要求する場合には厳密に導入する必要があります。

次の場合には単相液体冷却を使用してください。

· シリコン TDP が 1200W 未満です。

· 施設の予算により、標準的な水/グリコール ループが義務付けられています。

· 技術者は冷媒の取り扱いと真空脱気手順の訓練を受けていません。

次の場合には、ポンプ式二相コールド プレートを使用します。

· チップの TDP が 1500 W を超えており、単相コールド プレートによりラック マニホールド内に許容できない圧力降下が生じます。

· シリコン パッケージングが巨大で、ダイ全体の温度勾配により局所的なスロットルが発生しています。

· 超高密度 GPU で安全なジャンクション温度を維持しながら、温水 (35°C 以上) を自由冷却に利用したいと考えています。

次の場合には、二相浸漬冷却を使用します。

· グリーンフィールドの高密度 AI クラスターを構築しており、すべてのサーバー ファンを完全に排除したいと考えています。

· ハードウェアには、個別のコールド プレートでカバーするには複雑すぎる数百の小型高電力コンポーネント (メモリ モジュールや電力供給アレイなど) が搭載されています。

 

7. 結論

二相冷却は、最新のデータセンター エンジニアリングの決定的な熱上限を表します。流動沸騰と潜熱を活用することで、AI オペレーターは、厳しい温度勾配や法外なポンプ電力要件に悩まされることなく、1500 W をはるかに超えて動作するシリコン アーキテクチャをサポートできます。ただし、この極端なパフォーマンスを実現するには、揮発性液体の封じ込め、複雑な真空密閉配管、および厳格なメンテナンス プロトコルをうまく利用する必要があります。施設を相変化アーキテクチャにコミットする前に、ASIC の熱的必要性と冷媒ループの運用上の現実を比較検討する必要があります。

空気から単相、または単相から二相に移行するには、正確なハードウェアの形状と設備の制約を正確にモデリングする必要があります。 当社の熱エンジニアリング チームにお問い合わせいただき 、ポンプ駆動二相ループまたは高度に最適化された単相コールド プレートが、次の高密度導入に適したアーキテクチャ上の選択であるかどうかを評価してください。

 

よくある質問

二相コールドプレートがサーバー内で漏れるとどうなりますか?

水とは異なり、人工誘電性流体は電気を通しません。シャーシ内で二相ラインが破裂した場合、流体は室温のコンポーネントに当たるとすぐに沸騰して無害な蒸気になり、マザーボードに電気的ショートを引き起こすことはありません。

二相冷却システムは単相よりも騒音が大きいですか、それとも静かですか?

二相コールド プレート システムは、必要なポンプ速度と流量がはるかに低いため、非常に静かです。 2 相液浸システムはサーバー シャーシのファンを完全に排除しているため、事実上無音です。

二相システムには特殊なコンデンサーが必要ですか?

はい。二相システムの熱交換器 (凝縮器) は、相変化に対応できるように特別に設計する必要があります。蒸気がポンプに戻る前に効率的に凝縮して液体に戻るようにするには、より大きな表面積と特定の内部形状が必要です。

誘電性流体の選択において沸点が重要なのはなぜですか?

沸点は、冷却ループのベースライン温度を設定します。沸点が高すぎると、相変化熱伝達が開始される前にチップが過熱します。この値が低すぎると、凝縮器が熱を標準の施設用水に排出するのに苦労し、エネルギーを大量に消費する冷却装置が必要になります。

標準の 19 インチ ラックで 2 相冷却を実行できますか?

はい、ポンプ式二相コールド プレートは標準の 19 インチ ラックに簡単に収まります。主な違いは、ラック内マニホールドと冷却剤分配ユニット (CDU) で、冷媒、蒸気ライン、および特定のループ圧力を管理するように設計する必要があります。

流体の劣化は二相システムにどのような影響を与えますか?

誘電性流体は一般に安定ですが、チューブやシール内の極端なホットスポット、湿気、または互換性のないエラストマーにさらされると劣化する可能性があります。時間の経過とともに劣化によって沸点が変化し、熱効率が低下するため、定期的な流体の分析と交換が必要になります。