効果的なサーバー冷却がデータセンターに不可欠な理由

はじめに

現代社会では、あらゆるものがデータを必要とし、それは私たちが行うすべてのことの要となっている。すべてがさまざまなデータセンターの運営を中心に回っている可能性が高い。テレビ番組のストリーミングも、高度なAIシステムの稼働も、すべてはデータセンターが問題なく稼働しているかどうかにかかっている。これらの堅牢なマシンは膨大な作業負荷に耐えるパワーを発揮するが、その代わりに膨大な量の熱を発生する。発生した熱を効率的なサーバー冷却装置で管理しなければ、サーバー内のシステムが急激に、あるいは何の前触れもなく故障する可能性がある。

データセンターの冷却において、サーバー冷却システムが重要であるというのは嘘ではない。サーバーを正常に動作させ、デリケートな部品の寿命を保つだけでなく、様々な種類の処理ユニットを利用することができるからだ。このブログでは、サーバーラックやその他の部屋における高度な冷却システムの必要性と、選択したシステムが持つべき機能について取り上げます。

なぜサーバー冷却がデータセンターのパフォーマンスにとって重要なのか？

サーバーの冷却について

サーバーの冷却とは、データセンター内のサーバーやその他のIT機器から発生する余剰熱を取り除くことです。サーバーがデータ処理やその他の複雑な作業を行う際に熱が発生し、そのままではサーバーが処理しきれなくなる可能性があります。この大量の熱は、サーバーのコンポーネントに大きなダメージを与え、サーバーが崩壊する可能性を高めます。適切なサーバー冷却を行うことで、サーバーのラック冷却ユニットが効果的に発熱量を制御することができます。

過熱がサーバーの信頼性とデータの完全性に与える影響

過熱は、サーバーやサーバー内に保存されている情報に深刻な影響を与える重大な現象です。サーバーを高温で長時間運用すると、以下のような問題が発生する：

ハードウェア部品が標準的な使用範囲よりも高い温度にさらされると、短期間で故障する可能性が高くなる。
サーバーが常にオーバーヒートしている場合、その出力は期待される速度よりも低くなり、タイムラグが増大する。
膨大なデータ処理を必要とする作品は、膨大な熱を発生させ、サーバーが長時間使用できなくなり、データの破損につながる。

サーバー冷却の課題：よくある問題の克服

Uptime Instituteのレポートによると、データセンター停止の65%以上は機器の故障によるものです。過熱は重要な要因であり、このような障害の大きな原因となっています。このような障害を回避するには、最適なサーバー冷却および温度制御システムへの投資が不可欠です。

サーバーを効果的に冷却することは、非常に重要であると同時に難しいことでもある。データセンターでは、以下のような問題が発生し、運用にどのような影響を与えるかを説明します：

非効率な熱伝達：高密度サーバーでは、従来の冷却方法では十分な熱エネルギーを放散できないことが多く、その結果ホットスポットが発生します。
電力需要の増加：より高度なCPUやGPUは、より多くの熱出力を生み出す傾向があり、その結果、堅牢な冷却システムが必要になります。これらのシステムは、エネルギー予算にとってしばしば問題となります。
ハードウェアの配置：サーバールームの冷却設計が非効率的であったり、ラックの設計が不適切であったりすると、ユニット周囲の気流が遮断され、適切な熱除去が妨げられることがあります。
スケーリングの限界：ファンや冷風などの標準的なアプローチでは、高密度のサーバーを冷却するには不十分な場合があり、液冷や液浸冷却システムの採用が必要になります。
騒音と電力消費：サーバーラックの冷却ユニットによる高温の吸気は、電力使用量を増加させ、時間の経過とともに効率を失い、同時に耳障りなノイズを発生させる。

このような課題を解決するには、通常、データセンターが新たなワークロードに遅れを取らないようにする次世代の有望な技術が必要となる。

チャレンジ	インパクト	ソリューション/テクノロジー
非効率的な熱伝達	高密度のサーバーではホットスポットが発生し、冷却効果が低下する。	液冷、液浸冷却、エアフロー最適化
増大する電力需要	高度なCPUとGPUはより多くの熱を発生し、冷却システムとエネルギー予算に負担をかける。	エネルギー効率の高い冷却システム、AIによる最適化
ハードウェアの配置	サーバールームの設計が悪いと、空気の流れが妨げられ、熱の除去効率が悪くなる。	ラック設計の最適化、ホット/コールド通路の封じ込め
スケーリングの制限	高密度のサーバーでは空冷が十分でない場合があり、オーバーヒートにつながる。	液冷、液浸冷却、ハイブリッドソリューション
ノイズと消費電力	従来の冷却方法による電力使用量の増加とノイズは、時間の経過とともにシステム効率を低下させる。	マルチスピードファン、先進冷却ファン

サーバー冷却がデータセンターの効率に与える影響

サーバー冷却ソリューションがエネルギー消費を削減する方法

サーバーの冷却は温度調整だけでなく、エネルギー効率も考慮する必要があります。冷却には快適性を高める以外の目的がないと考えるのは誤りです。国際エネルギー機関によると、冷却はデータセンターの総エネルギーの30%から40%を消費する可能性があります。しかし、よりスマートなサーバー冷却システムによって、エネルギー消費量を大幅に削減することができます。冷却方法の新常識であるラック内冷却と、より少ないエネルギーでより多くの熱を移動させる液冷は、これを容易にします。

ここでは、革新的で省エネルギーな冷房方法を簡単に紹介する：

気流 最適化: データセンター内の最も必要な場所にウィンドスカーフで冷気を供給する。
液冷システムのセットアップ 高密度ラックでは空冷よりも効果的。
熱のリサイクル： データセンターでは、環境への影響を最小限に抑えつつ、余剰熱を無駄にすることなく他の目的に利用するのが一般的な傾向となっている。

エネルギー使用量の削減を目的としたこれらの戦略を採用することで、データセンターは運用効率の重要な指標であるPUEレーティングを改善することが多い。

適切なサーバー冷却が環境サステナビリティに与える影響

環境に優しくあるために、企業は事業活動が社会に与える影響にも注目すべきである。データセンターで大量に消費される冷却ソリューションに使用されるエネルギーは、温室効果ガスの排出量を左右し、地球温暖化問題をさらに助長する。地球に優しい液体冷却水冷却システムや冷却水分配ユニット（CDU）のような新技術は、エネルギー効率が高い。

グーグルのデータセンターでは、独自の冷却システムによって水と電力の消費を最小限に抑えている。このような持続可能な冷却技術は、サーバーを最適な状態に維持するだけでなく、環境を過度に害することなく、二酸化炭素排出量を削減することを可能にしている。

空冷

最近のデータセンターでは、サーバーを冷却する方法として、空冷が主流となっている。この技術では、ファンやACユニットを使用し、室内の冷気を循環させながら、環境から熱気を取り除きます。中小規模のデータセンターと低密度のサーバーラックでは、導入が簡単でコスト効率に優れた冷却手段、空冷を利用できます。そのため、驚くほど経済的で使いやすい。この方法は、小型から中型のIT機器、サーバールーム、または他のハイブリッド・データセンター冷却システムのコンポーネントなど、熱負荷が中程度の用途にも適しています。

空冷システムの主要コンポーネント

空冷は、そのシンプルさと費用対効果の高さから、データセンターで最も一般的に使用されている方法の1つです。空冷セットアップの主なコンポーネントは以下の通り：

サーバー冷却ファン：これは最もシンプルだが重要な装置だ。サーバーキャビネット内のこのファンは、熱をより効率的に放散します。
コンピュータ・ルーム・エア・ハンドラー（CRAH）ユニット：サーバールームの温度と湿度のバランスをとる。
CRACユニット（Computer Room Air Conditioning）：これらはCRAHと混同されることがあるが、本当の冷却はこれらのシステムで行う。空気を調整します。
気流管理システム：コールドアイル・コンテインメントとホットアイル・コンテインメントは、空気循環を管理する効率的な方法である。

空冷は小規模なセットアップや低密度のラックではうまく機能するが、過剰な熱負荷を伴う高性能なセットアップでは問題がある。

空気冷却を最適化して効率を最大化する方法

空冷効率を高めるために、データセンター事業者は次のようなことができる：

熱気と冷気の混合を避けるため、ホットアイルとコールドアイルの封じ込め戦略を採用する。
サーバーラックにブランキングパネルを設置し、熱気の移動を遮断する。
エアフローを最適にするため、エアフィルターの定期的なメンテナンスと整備を行う。
温度と湿度を積極的に監視し、望ましい許容値の範囲を保つ。
多回転ファンを導入することで、低需要時に少ない電力で冷却要件を満たすことができます。
サーバーラックにサーバー冷却ファンを戦略的に配置することで、空気循環を最大化し、特定の高温エリアを探します。

サーバーの冷却に関しては比較的安価であるにもかかわらず、最大の課題は最大限の放熱を確保するために適切な冷却ファンを選択することです。この場合、ACDCFANの高度な冷却ファンは、データセンターの要求を満たす強力なエアフローと耐久性を提供します。

ACDCFANは、ブラシレスDCモーターファンにより、信頼性が高く効果的なサーバー冷却を提供します。これらの先進的なファンは、-30°Cから70°Cの間で効率的に動作し、30,000～70,000時間という非常に長い耐用年数を誇ります。PWM（パルス幅変調）の採用により、ACDCFANはさらに、さまざまな冷却状況における特定の目標制御と監視を保証します。ACDCFANは、既存のサーバールームの拡張を計画している場合でも、サーバーラックの効率化を図っている場合でも、冷却を改善するソリューションです。

液体冷却

液冷は、特に高密度サーバーラックシステムにおいて、従来の冷却システムの必要性を払拭します。従来の冷却システムと比べて、液冷は効率が向上している。液冷技術の進歩は、最新サーバーの高いワークロード容量のためです。液体は空気に比べて熱伝導率が高いため、サーバーラックのワークロードに容易に対応でき、より迅速な熱放散が可能になります。

液冷の長所と短所

液冷の利点：

効率の向上：コールドプレートや直接接触する液体冷却の助けにより、発生した熱はより効率的に伝達されます。

スペースの節約：液冷は、専用のエアハンドラーを設置するためのインフラが少なくて済むため、スペース面でより効率的です。

拡張性：液冷システムを搭載したサーバーは、オーバーヒートを心配することなく、ワークロードを容易に拡張できます。

液冷の欠点：

コスト：当初、液冷システムは空冷システムよりも高価になる傾向がある。

メンテナンスの複雑さ：誘電システムや加熱液体システムのような特殊な液体冷却システムは、適切なメンテナンスを行わないと、汚染や漏れにつながる可能性があります。

このような投資は負担が大きいと思われるかもしれないが、長い目で見れば、エネルギー費用の削減と温度ダウンタイムの短縮は、デメリットよりもメリットの方が大きい。

冷却効率向上におけるスマートテクノロジーの役割

液冷のパラメーターの中でスマート技術を開発することで、液冷の有効性が高まる。液冷の効率化を促進するためにデータを取得し、利用するこれらの技術革新を考えてみましょう：

温度監視：システム内に設置されたセンサーユニットがサーバーラックの温度を監視し、適切な冷却を行う。

液冷の自動化：液体冷却の最近の進歩は、AIを使用して冷却剤の最適流量を決定し、エネルギーを節約します。

先制メンテナンス：アクティビティパターンを調査し、強制的な中断を避け、適切なタイミングでメンテナンスを実行できるようにする。

例を挙げると、最近ではインテルなどの企業が、温度設定を最適化し、冷却プロセス全体を支援するスマート・クーラント・ディストリビューション・ユニット（CDU）を導入している。これらの技術は、液冷システムをより効率的にし、液冷サーバールームの環境に優しい方法を促進します。

浸漬冷却

液浸熱管理は、サーバーを誘電性の液体に完全に浸すという前衛的な方法で、通常の方法よりも優れた除熱が可能です。最近の技術革新により、これらの方法は、特にAIや機械学習アプリケーションなど、非常に強力なユースケースシナリオで採用されるようになってきています。

液浸冷却による消費電力の削減と効率の向上

従来の空冷や液冷と比較した場合の液浸冷却の主な利点には、次のようなものがあります：

ファンやエアコンが不要なため、電力が節約でき、効率が向上する
より均一な環境を提供することで、ホットスポットや周囲温度の変動を低減します。
サーバー密度の向上とデータセンターの設置面積の削減

3Mが実施した調査によると、従来の空冷方式と比較して、液浸冷却では冷却にかかるエネルギー費用が95%も削減されるという。

液浸冷却の潜在的課題：考えられる障害と制限

液浸冷却が革新的であることは間違いないが、そのメリットに安住することは、いくつかの課題や欠点をもたらすかもしれない。ここでは、いくつかのハードルを紹介しよう：

高いイニシャルコスト： エアフローや従来の液冷構造を含む液浸冷却の初期切り替えコストの後、冷却システム、熱交換器、液封タンクを統合した特別設計のサーバーラックへの追加投資が発生する。
デザイン 互換性: 液浸冷却は斬新な発明であり、従来のサーバーがこの機能を備えていたことはない。既製品のサーバーは、誘電体との互換性を持たせるために、長くてコストのかかる改造プロセスを経なければならないかもしれない。
流体 マネジメント 液浸冷却に使用される高度な誘電流体は、その構造が永久的なものではありません。時間の経過とともに、その特性が失われたり、汚染されたりする可能性があり、交換や洗浄を行う必要があるため、メンテナンスの負担が増えます。
限定ベンダー エコシステム: 現在の使用は一部のベンダーに限定されているため、標準化されたソリューションがなく、大規模に液浸冷却を導入したい企業にとっては、何らかの形でベンダーが囲い込まれている。

液浸冷却の導入を検討している組織は、包括的な費用対効果の投資分析を行うことが最も重要です。チラーや熱交換器などの他の技術を加えることで冷却効率は大幅に向上しますが、データセットの長期的な目標に沿った経済性、統合、その後のメンテナンスが達成されなければなりません。

この技術の使用に対する障壁の緩和と採用率から、これらのハードルがあっても、この技術が小容積空間の超高熱負荷に対処するためのゴールドスタンダードになることを熱望していることがわかる。

ニーズに合ったサーバー冷却ソリューションの選択

データセンターの冷却要件を評価する方法

データセンターのサーバーに最適な冷却ソリューションを開発するには、まず冷却要件を確立することが重要です。これには、以下のような問題を考慮することが含まれます：

サーバー密度：データセンター内のサーバーの数と密度は、必要な冷却能力に影響します。高密度のデータセンターでは、液冷、液浸冷却、またはより高度な冷却ソリューションを利用するハイブリッド冷却ソリューションが必要になる場合があります。
消費電力：サーバーとその消費電力、およびその他の機器のインベントリを取得し、動作温度内で最適に維持できる冷却能力を算出します。
施設のレイアウト：サーバーラック、CRAC/CRAH、その他の冷却装置の配置など、データセンターのセットアップを検討することで、冷却設計を最適化するためのエアフローのボトルネックを見つけることができます。
気候と環境：データセンターの立地も、冷却ニーズに影響を与える可能性があります。高温多湿の地域では、より強力な冷却システムが必要になる場合があります。

ラック冷却システム

冷却ソリューションの投資収益率（ROI）の計算

サーバーの冷却ソリューションは、省エネルギーと全体的なメンテナンス費用を統合したROIと照らし合わせる必要があります。ROIを見積もるのに役立つものがいくつかあります：

冷却効率：コンピュータサーバーの電力使用効率（PUE）やエネルギー定格などの測定可能なパラメータを使用して、正確なエネルギー冷却ソリューションの見積もりを得ることができます。
冷却メンテナンスの価格設定：冷房の耐用年数の中で、それぞれに含まれる実現可能な人件費と予備部品費を計算します。
コスト削減：効果的な冷却ソリューションには、機器の寿命を延ばす可能性があり、最終的にはこれらのコンポーネントだけでなく、社内の既存のインフラストラクチャのコスト削減にもつながります。

空冷システムまたはハイブリッド冷却システムを使用している場合、ACDCFは、エアフローを最適化し、厳しい作業条件下でサーバーへのエネルギーを最適化することに重点を置いた冷却ファンの数々を提供します。

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結論効果的なサーバー冷却でデータセンターの運用を強化する方法

総合的な冷却サーバーとデータセンターは、過去において常に極めて重要であったが、現在の現代社会においても極めて重要である。小規模・中規模施設向けの空冷システムから、超高密度データセンター向けの斬新な液浸冷却まで、あらゆるものに目的があります。どのような特殊な状況にもソリューションがあります。どのような要件であれ、サーバーラックの強力な冷却プロバイダーは、IT機器の効率的な動作の確認、エネルギー使用量の管理、さらには環境に優しいソリューションへの貢献など、現代のデータセンターの効果的な運用に不可欠です。

最新の冷却技術によるラック内冷却であれ、洗練された流体システムであれ、投資に対する多角的なアプローチが不可欠です。熱によるダメージからサーバーを守ることができるだけでなく、長期的には作業効率を高め、より多くのエネルギーを節約することができます。適切な冷却ソリューションが、持続可能な環境を維持しながらデータセンター資産の継続的な生産性を確保する基盤であることは間違いありません。

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