データセンター向け液冷プレート構造の選定

AIコンピューティング,クラウドサービス,ハイパフォーマンスコンピューティング,大規模データ処理の拡大に伴い,データセンターは以前よりもはるかに高い熱負荷に直面しています。最新のCPU,GPU,AIアクセラレータ,高密度サーバーモジュールは,従来の空冷システムでは効率的に処理できないほどの集中した熱を発生させます。

このため,データセンターの液冷は次世代の熱管理において重要なソリューションとなっています。様々な液冷技術の中でも,液冷プレート（液冷プレートまたは水冷プレートとも呼ばれる）は,高出力チップから冷却ループへ熱を伝達する上で重要な役割を果たします。

しかし,適切な液冷プレート構造を選択することは,単に銅かアルミニウムを選ぶという問題ではありません。エンジニアは,熱性能,圧力損失,流量,製造コスト,材料適合性,信頼性,ラックレベルの冷却効率のバランスを取る必要があります。

高出力CPU,GPU,AIチップを使用するデータセンターでは,適切な冷却板の設計が,チップ温度,システム安定性,ポンプ出力,エネルギー効率,および長期的な運用コストに直接影響を与える可能性があります。

データセンターにおいて液冷プレートが不可欠になりつつある理由

従来の空冷方式は,ファンとヒートシンクを使ってサーバーから熱を除去する。この方法は中程度の熱負荷には有効だが,チップの消費電力が増大し続けるにつれて,空冷方式にはいくつかの限界が生じる。

• ファンの消費電力が高い

• 放熱能力が限られている

• サーバーの吸気口と排気口の温度差が大きい

• CPU,GPU,AIアクセラレータ周辺のホットスポット

• 高密度ラック構成の冷却が困難

• 騒音の増加とエネルギー効率の低下

• AIおよびHPCクラスターの拡張性に限界がある

データセンター用液冷プレートは,熱源の近くに冷却液流路を配置することでこれらの問題を解決します。チップから冷却プレートのベースに熱が伝達され,循環する冷却液によって除去されます。

空冷と比較して,液冷は液体が空気よりも優れた熱伝導能力を持つため,はるかに高い熱伝達効率を実現します。このため,液冷プレートは特に以下の用途に適しています。

• AIサーバーの冷却

• GPU冷却

• CPU冷却

• HPCクラスターの冷却

• 高密度ラック冷却

• エッジデータセンターの冷却

• クラウドコンピューティングインフラストラクチャ

• データセンターシステム内部のパワーエレクトロニクス

電力密度を高める方向へ移行するデータセンターにとって,液冷はもはや高度な選択肢ではなく,必要不可欠な熱管理戦略になりつつある。

液冷プレート構造の選択における重要な要素

最適な液冷プレートの構造は,実際の運転条件によって異なります。熱抵抗が最も低い冷却プレートが,圧力損失が大きすぎたり,製造コストが高すぎたりする場合には,必ずしも最良の選択肢とは限りません。

特注の液体冷却プレートを選定する前に,エンジニアは以下の要素を評価する必要があります。

1. 熱負荷と熱流束

最初のステップは,コンポーネントの総発熱量を定義することです。これは通常ワット単位で測定されます。例えば,高出力のGPUやAIアクセラレータは数百ワット以上を発生する可能性があり,1枚の基板上に複数のチップが搭載されている場合は,合計でさらに高い発熱量が発生する可能性があります。

総電力に加えて,熱流束も重要です。熱流束とは,特定の領域にどれだけの熱が集中しているかを示す指標です。熱流束が大きいチップは,より速い放熱と,より効率的な内部冷却板構造を必要とします。

高出力GPUやAIチップの場合,流量はチップの電力,冷却液の種類,圧力損失目標,熱抵抗要件に応じて,コールドプレート1枚あたり1～3リットル/分の範囲になることが多い。

2. 熱抵抗

熱抵抗は,コールドプレートの性能を示す最も重要な指標の一つです。熱抵抗が低いほど,コールドプレートはチップから冷却液へより効率的に熱を伝達できます。

しかし,熱抵抗は多くの要因によって影響を受けます。

• コールドプレートの材質

• 厚さ

• 内部チャネル構造

• 冷却液流量

• 接触面の平面度

• 熱界面材料

• チップサイズと熱分布

• 製造品質

• 冷却水入口温度

高性能マイクロチャネル冷却プレートは非常に低い熱抵抗を実現できる可能性があるが,圧力損失や製造の複雑さが増す可能性もある。

3. 圧力損失とポンプ動力

液冷プレートの設計において,圧力損失も重要な要素です。内部流路が狭すぎたり複雑すぎたりすると,冷却液の流れ抵抗が大きくなり,より強力なポンプが必要となり,エネルギー消費量が増加します。

単一の冷却プレートの場合,圧力損失は管理可能な範囲に収まるように思えるかもしれません。しかし,複数のサーバーと複数の冷却プレートを備えたデータセンターのラック全体では,圧力損失はシステムレベルの問題となります。

優れたデータセンター用液冷プレートは,効率的に熱を除去するだけでなく,適切な水力性能も維持する必要があります。これにより,ポンプの消費電力を削減し,冷却システム全体の効率を向上させることができます。

4. 流量分布

マルチチップモジュール,大型CPU,GPU,またはアクセラレータボードの場合,冷却液の均一な分配は非常に重要です。流量分配が不十分だと,一部の領域に冷却液が十分に供給されず,局所的な高温箇所が発生する可能性があります。

冷却プレートの内部構造は,冷却液を熱源領域全体に均一に流すように設計する必要があります。これは,熱が集中し,熱マージンが狭いAIチップの冷却や高密度GPUの冷却において特に重要です。

5. 材料の選定

材料の選定は,熱性能,コスト,重量,耐腐食性,および製造プロセスに影響を与える。

液体冷却板に最もよく使用される材料は,アルミニウムと銅である。

データセンターにおいては,コストと重量の面でアルミニウム製コールドプレートが魅力的な場合が多い。一方,チップの熱流束が非常に高く,熱性能が最優先される場合は,銅製コールドプレートが好まれる。

6. 製造方法

製造方法の違いは,冷却板の構造,コスト,性能レベルの違いにつながる。

一般的な製造方法には以下が含まれます。

• CNC加工

• ろう付け

• 摩擦攪拌溶接

• 真空ろう付け

• スキブドフィン製造

• マイクロチャネル処理

• 銅-アルミニウム接合

• 大量生産デザイン向けのスタンピングおよび成形

カスタム液体冷却プレートのメーカーにとって重要なのは,高性能な流路を設計するだけでなく,その構造を大規模生産において確実に製造できることを保証することである。

データセンターで一般的に使用される液冷プレート構造

データセンターのワークロードに応じて,内部冷却板の構造は様々です。主な種類としては,スキブドフィン冷却板,マイクロチャネル冷却板,トポロジー最適化冷却板,その他の高度な高性能構造などが挙げられます。

1. スキブドフィン液冷プレート

スキブフィン式冷却板は,液体流路内部に薄いフィンを設けることで伝熱面積を拡大する。冷却液はフィン構造を通って流れ,ベース部から熱を奪う。

これは比較的伝統的で広く使われている構造です。安定したパフォーマンスを提供し,一般的なデータセンターのワークロードに適しています。

スキブドフィンコールドプレートの利点

• 成熟した製造プロセス

• 良好な熱伝達領域

• 中～高出力の部品に適しています

• より複雑な構造と比較して費用対効果が高い

• さまざまなサイズに合わせてカスタマイズしやすい

制限

• 熱抵抗は,高度なマイクロチャネル設計よりも高くなる可能性がある。

• 圧力損失はフィン密度と流路に大きく依存する

• 極めて高い熱流束を持つAIチップには必ずしも最適な選択肢ではない

スキブドフィン液冷プレートは,コスト,信頼性,製造性が重要な一般的なサーバー冷却,CPU冷却,データセンター用途に適しています。

2. マイクロチャネル液体冷却プレート

マイクロチャネル式コールドプレートは,非常に小さな内部チャネルを利用して冷却液の接触面積を増やし,熱伝達性能を向上させます。この構造は,コールドプレート内部に高効率の液冷式ヒートシンクのように機能します。

マイクロチャネル設計は,GPU,AIアクセラレータ,HPCプロセッサなどの高密度熱源に特に有効です。

マイクロチャネル冷却プレートの利点

• 非常に低い熱抵抗

• 高い熱伝達効率

• 集中熱源に対する優れた性能

• AIチップ冷却およびGPU冷却に適しています

• 高出力密度用途向けのコンパクトな構造

制限

• 単純なチャネル設計よりも圧力損失が大きい

• 冷却液の清浄度により敏感

• 製造がより困難

• 標準的な冷却プレートと比較して高コスト

• 慎重な流量配分設計が必要

現代のAIデータセンターでは,チップの消費電力と熱流束が急速に増加しているため,マイクロチャネル液体冷却プレートの重要性がますます高まっている。

3. トポロジー最適化されたコールドプレート

トポロジー最適化されたコールドプレートは,高度な設計手法を用いて内部流路を最適化します。その目的は,良好な熱性能を維持しながら圧力損失を低減することです。

設計によっては,トポロジー最適化によって圧力損失を20%以上削減できる場合があります。これは,ポンプ動力が大きな制約となるシステムにおいて特に有効です。

利点

• 圧力損失が低い

• 油圧効率の向上

• 特定のチップレイアウトに合わせて最適化できる

• ラックレベルのエネルギー効率に役立ちます

制限

• より複雑な設計プロセス

• 製造コストの上昇

• パフォーマンスの向上は必ずしもコストに見合うとは限らない

• シミュレーションと検証が必要

トポロジー最適化構造は,冷却ループが多数の冷却板を処理する必要があり,ポンプの動力が重要な課題となるデータセンターに適しています。

4. 高度な高出力冷却板構造

極めて高出力のチップやモジュールには,高度な構造が必要となる場合があります。これらの構造は,システムレベルで数千ワットを超えることもある非常に高いTDPS（熱電対電力）に対応できるように設計されています。

このようなデザインは,以下のような要素を組み合わせることができます。

• マイクロチャネル

• マニホールド流量分布

• 最適化された入口および出口レイアウト

• 多層チャネル構造

• 高導電性銅ベース

• 低圧損内部形状

• カスタムシーリングおよび溶接プロセス

これらの冷却プレートは,一般的にAIクラスター,HPCシステム,高出力アクセラレータモジュール,および高密度ラックレベル冷却ソリューションで使用されます。

液冷プレート構造の性能比較

以下の表は,さまざまな液体冷却板構造の代表的な性能特性をまとめたものです。

最適な選択は,顧客がチップ温度の最小化,圧力損失の最小化,コストの最小化,製造の容易さ,またはシステム全体の効率の最適化のどれを重視するかによって異なります。

熱抵抗と圧力損失：重要なトレードオフ

液体冷却板の設計においては,熱抵抗と圧力損失はしばしば関連している。

フィン構造をより密にしたり,マイクロチャネルをより小さくしたりすると,伝熱面積が増加するため,熱抵抗を低減できます。しかし,同時に流れ抵抗も増加し,圧力損失が大きくなる可能性があります。

一方,流路幅を広くすると圧力損失は低減される可能性があるが,高出力チップに必要な十分な熱伝達性能が得られない可能性がある。

これは,エンジニアリングにおける一般的なトレードオフを生み出す。

データセンター用途の場合,目標は単体で最も強力なコールドプレートを設計することではありません。目標は,ポンプ,マニホールド,クイックコネクタ,冷却液分配ユニット,ラックレベルの熱要件など,冷却ループ全体にとって最適なコールドプレートを設計することです。

さまざまなデータセンター用途に適したコールドプレート構造の選び方

データセンターのワークロードが異なると,コールドプレートの構造も異なってくる。

一般的なデータセンターサーバー

標準的なCPUサーバーや中程度の発熱負荷の場合,アルミニウムまたは銅製のスキブフィン式冷却プレートは,性能,コスト,信頼性のバランスが取れた優れた選択肢となります。

推奨構造：

• アルミニウムまたは銅製のコールドプレート

• 単純な溝構造またはスキブフィン構造

• 中程度の流量

• 低～中程度の圧力低下

• 費用対効果の高い製造方法

AIトレーニングサーバー

AIトレーニングサーバーは通常,高性能GPUやアクセラレータを使用します。これらのチップは高い発熱量を発生させるため,より高度な冷却構造が必要となる場合が多いです。

推奨構造：

• 銅製ベース冷却プレート

• マイクロチャネル構造

• 最適化された流量分布

• より高い流量能力

• 低熱抵抗設計

HPCクラスター

HPCシステムでは,安定した長期運転と高い冷却効率が求められることが多く,熱抵抗と圧力損失の両方を慎重に制御する必要があります。

推奨構造：

• 銅または銅アルミニウム製の冷却板

• マイクロチャネルまたはマニホールドフロー設計

• 低圧損最適化

• 信頼性の高いシーリングと溶接

• システムレベルの検証

エッジデータセンター

エッジデータセンターは設置スペースが限られていたり,管理が行き届いていない環境に設置される場合がある。そのため,信頼性とコンパクトな構造が非常に重要となる。

推奨構造：

• 軽量設計のアルミ製冷却プレート

• コンパクトなチャネル構造

• 耐腐食性表面処理

• 信頼性の高いリークテスト

• 設置とメンテナンスが容易

データセンター用液冷プレートの設計チェックリスト

カスタム液体冷却プレートを開発する前に,エンジニアは設計の初期段階で重要なパラメータを確認しておくべきである。

このチェックリストは,設計上のミスを減らし,顧客と製造業者間のコミュニケーションをより効率的にするのに役立ちます。

データセンター用コールドプレートの製造上の考慮事項

高性能冷却プレートは,シミュレーションにおいて優れた性能を発揮するだけでなく,製造性,信頼性,そしてデータセンターの長期運用への適合性も備えていなければならない。

1. シール信頼性

データセンターには極めて高い信頼性が求められます。冷却液の漏れは,サーバーや電気系統に深刻な損傷を与える可能性があります。そのため,冷却プレートは厳格な漏れ試験と圧力試験を受けなければなりません。

2. 腐食防止

アルミニウム製冷却板を使用する場合,冷却液との適合性および腐食防止について慎重に検討する必要があります。表面処理と冷却液の化学組成は,長期的な信頼性にとって重要です。

3. 平面度と表面仕上げ

チップと冷却板の接触面は,界面熱抵抗を低減するために,十分に平坦かつ滑らかでなければなりません。平坦性が低いと,接触圧力の不均一やホットスポットが発生する可能性があります。

4. 内部の清潔さ

マイクロチャネル式冷却プレートの場合,内部の清浄度は非常に重要です。微粒子がマイクロチャネルを詰まらせ,冷却性能に影響を与える可能性があります。製造工程において,適切な洗浄と検査が不可欠です。

5. スケーラブルな製造

データセンタープロジェクトでは,多くの場合,バッチ生産が必要となります。そのため,コールドプレートの設計は,性能だけでなく,再現性のある製造,品質管理,コスト安定性についても最適化する必要があります。

Kingkaがデータセンターの液冷プレートプロジェクトをどのようにサポートしているか

Kingkaは,高出力電子機器およびデータセンター用途向けに,カスタマイズされた液体冷却プレート,水冷プレート,FSW液体冷却プレート,CNC加工冷却プレート,アルミニウム冷却プレート,銅冷却プレート,および包括的な熱管理ソリューションを提供しています。

データセンターの冷却プロジェクトに関して,Kingkaは以下のサポートを提供できます。

• 冷却板の構造設計

• 材料の選択

• 内部チャネル最適化

• マイクロチャネル冷却プレートの開発

• スキブドフィンコールドプレートの製造

• CNC加工

• 摩擦攪拌溶接

• ろう付けとハンダ付け

• 表面処理

• リークテスト

• 圧力損失評価

• 顧客の図面に基づいたカスタムデザイン

キングカのエンジニアリングサポートは,実用性,製造性,コスト管理,そして長期的な信頼性に重点を置いています。単に1つの冷却板構造を選択するのではなく,お客様が熱システム全体を評価し,用途に最適なソリューションを選択できるよう支援します。

冷却板構造選定概要

データセンターの液冷プレート構造を適切に選択するには,熱性能,圧力損失,製造コスト,材料選定,およびシステムレベルの信頼性のバランスを取る必要があります。

一般的なデータセンターサーバーの場合,スキブフィンまたはシンプルなチャネルのコールドプレートが実用的で費用対効果の高いソリューションとなる可能性があります。高密度AIチップ,GPU,およびHPCプロセッサの場合,熱抵抗を低減するためにマイクロチャネルコールドプレートまたは高度なマニホールド設計が必要になる場合があります。ポンプ動力が主な懸念事項となるシステムでは,トポロジー最適化されたコールドプレートが圧力損失の低減と油圧効率の向上に役立ちます。

最適な液体冷却プレートは,必ずしも最も複雑な構造のものであるとは限りません。実際の熱負荷,流量,圧力損失制限,材料要件,製造予算,ラックレベルの冷却アーキテクチャに適合する構造のものが最適なのです。

kingkaは,データセンター,AIサーバー,HPCシステム,高出力電子機器向けに,カスタマイズされた液冷プレート,液冷プレート,水冷プレート,ヒートシンク,および包括的な熱管理ソリューションを提供しています。材料に関する専門知識,構造設計,精密製造,信頼性試験を組み合わせることで,kingkaはお客様が次世代データセンター向けに効率的で安定した拡張性の高い冷却ソリューションを構築できるよう支援します。