過負荷状態のデータセンター向け冷却ソリューション
Coherentがコールドプレート冷却技術を用いて、AIを活用したデータセンターにおける最大の課題をどのように解決しているかをご覧ください。
2024年1月10日、Coherent
AIは現在最も注目されている分野ですが、食卓での話題として熱いだけでなく、AIによってデータセンターも物理的に熱を帯びてきています。幸いなことに、Coherentは、高負荷のデータセンターを効率的に稼働させるための革新的な熱管理ソリューションを幅広く提供しています。
クラウドコンピューティング、ゲームグラフィックスの需要、暗号通貨のマイニング、エッジコンピューティングなどの他のアプリケーションも、データセンター内のワークロード需要と温度を急速に（そして急激に）高めています。同様に、トランジスタの密度が高まるにつれて半導体は小型化しており、そのような狭い領域では熱が非常に早く発生します。
全体として、サーバーはこれまでにない処理負荷に直面している一方で、この前例のないエネルギー需要により、データセンターの過熱リスクが急速に高まっています。実際、サーバー1台あたりの熱設計電力（TDP）は過去17年間で4倍になり、今年は750 Wを超えると予想されています。このような高コストかつ累積的なワークロード需要は、グローバルなデータセンターのエネルギー効率を低下させるだけでなく、パフォーマンスと信頼性の両方に悪影響を及ぼしています。過剰な熱によって引き起こされる熱損傷の懸念は、ライフサイクルの短縮や重要なサーバーコンポーネントの誤動作につながる可能性があります。言うまでもなく、データセンターの安全性への懸念が生じ、そしてほぼ確実に、データセンターの円滑な運用を維持するための関連コストが発生します。
要求がますます厳しくなる最新のデータセンター
GPUコンピューティングは、CPUコンピューティングと比較して、潜在的に数千もの処理コアを追加できるため、大規模なAIモデルのトレーニングにおいて中心的な役割を果たしています。今日のデータセンターは、従来のCPU処理よりも多くの電力を必要とするため、この高速化を支援するために、多くのオンプレミスデータセンターは、より多くの電力を必要とし、しばしば対応しきれないレベルの熱を放出する高密度ラックソリューションへと移行しています。
データセンターで効率的な「AIクールダウン」を実現したり、その他のエネルギー効率に関する課題を解決したりするには、戦略的な熱管理が不可欠です。余分な熱を取り除くプロセス、すなわち熱放散は、パフォーマンスと部品の寿命にとってかつてないほど重要になっています。
過熱するデータセンターにおける熱損傷の防止
熱によるダメージを軽減し、コストのかかるダウンタイムを防ぐため、熱分布の計画と管理がかつてないほど重要になっています。一般的に、需要の高いデータセンター環境において、サーマルノブを下げる、つまり余分な熱を放散させる方法は主に2つあります。
1. 液浸（または空冷）：コストが高く、複雑で、環境面での課題があります。
このマクロ冷却（チップを直接冷却しない）方式では、プレートやサーバーラックのコンポーネントを高対流空気（トップレベル）または完全液浸（ボトムレベル）で冷却する必要があります。これでは、コストが高くなってしまいます。
2. コールドプレート冷却（チップを直接冷却）：耐食性に優れ、効率的な熱伝達を最大限に高めます。
Coherentは、GPUのような高発熱チップから直接熱を奪う物理的なコールドプレート技術を採用した、高熱伝導性材料を用いたマイクロ冷却ソリューションを推奨しています。
コールドプレート材料の利点
機能的には、コールドプレート冷却は「ダイレクト・トゥ・チップ」あるいは単に「マイクロ冷却」とも呼ばれ、その名の通り、GPUのような高消費電力のチップから直接熱を奪うためにコールドプレートを使用しています。
コンデンサーを使って熱を除去する家庭用冷蔵庫と同様に、コールドプレート冷却は、コンポーネントから冷却水へ熱を移動させることで、GPUの熱を放散させます。コールドプレート自体が熱伝達効率を最大化します。
赤外線画像を用いて、サーバースタックに熱が蓄積していることを示す技術者。
では、何がコールドプレートの冷却をより効果的にするのでしょうか。その秘訣は、高い熱伝導率にあります。銅のような導体の熱伝導率が1メートルケルビンあたり約400ワットであるのに対し、多結晶CVDダイヤモンドなどの材料は、その4倍近くという大幅に高い性能を発揮します。
材料 |
熱伝導率（W/mK） |
銅 |
～400 |
コヒーレントセラミック + ダイヤモンド（SiSiC/70%ダイヤモンド） |
～670 |
コヒーレント多結晶CVDダイヤモンド |
～1500 |
業界全体をカバーする安全網
Coherentは、データセンター、特にAIの普及に伴い高温化するデータセンターの過熱問題の解決に注力しています。また、半導体から電気自動車、神経科学に至るまで、その他の様々な用途における熱管理の課題解決にも取り組んでいます。
ハードウェアレベルにおいて、熱管理は、システムを動作温度範囲内で効率的かつ安定的に維持するためのツールや技術を活用します。Coherentの熱管理材料およびシステムは、半導体デバイスなどのマイクロエレクトロニクスにとどまらず、材料加工、自動車、航空宇宙・防衛、データ通信、ライフサイエンスなど、幅広い市場や用途に活用されています。
複数のエンドマーケットにおいて、差別化されたエンジニアリング材料やデバイスの用途は尽きることがありません。
Coherentは、熱管理用の革新的なエンジニアリング材料およびサブシステムにおける世界的なリーダーであり、戦略的かつカスタマイズされた材料ソリューションを提供しています。
世界有数の革新的な熱管理ソリューションを幅広く提供しています。
反応結合Si/SiC
Coherent社は、熱管理用途を含む幅広い設計要件や製品用途に対応するため、複数の反応結合型Si/SiCコンパウンドを提供しています。当社が熱管理市場に提供している反応結合型コンパウンドの中には、AlNやSi3N4と熱膨張係数（CTE）が一致し、高い熱伝導性を有するものがあります。Si/SiC材料にダイヤモンドを添加することで、熱が重要な用途において超高熱伝導性を実現できます。
さらに、反応結合SiC/SiC製品は、ニアネットシェイプおよびニアネットシェイプ製造プロセスによって製造することができます。ネットシェイプ成形、グリーンマシニング、プリフォーム接合により、非常に複雑な形状も実現可能です。形状機能は、フィン付きエレメントや内部マイクロ冷却チャネルなど、幅広い製品機能をサポートしています。これにより、いくつかの困難な用途の要件を満たすことが可能です。
金属マトリックス複合材料
炭化ケイ素（SiC）粒子強化アルミニウム（Al/SiC）MMCは、熱管理用途において明確な利点をもたらします。AlとSiCは密度が低く、熱伝導率が高いため、これら2つの材料を組み合わせることで、これらの重要な材料特性を維持することができます。同時に、複合材料中のSiC（熱膨張係数：3ppm/K）とAl（熱膨張係数：23ppm/K）の比率に基づいて、熱膨張係数を調整することが可能です。
MMC製品は、ニア・ネット・シェイプおよびニア・ニア・ネット・シェイプおよびニア・ネット・シェイプ・プロセスで製造可能です。直接ねじ切りを含め、完全な機械加工が可能です。これらの材料は、標準的なメッキ加工法にも適合します。その機械的安定性と熱的安定性は、従来の金属に比べて大幅に向上しています。また、セラミックに比べて割れにくいという特徴があります。さらに、Coherent社には特許で保護されたMMC製品の製造プロセスがあり、これによりお客様の特定の用途に対する要件を満たすことが可能です。
CVDダイヤモンド
ダイヤモンドの熱伝導率は、あらゆる素材の中で最も高く、熱伝導に最もよく用いられる金属である銅の少なくとも4倍です。CVD（化学気相成長）ダイヤモンドは、熱を効率的に放散し、ハイパワー集積回路などの電子デバイスの過熱を防ぎ、デバイスの寿命を延ばし、設置面積を縮小し、効率と性能を向上させます。
CVDダイヤモンドは熱膨張係数が低いため、加熱や冷却による膨張や収縮がほとんど生じません。広い光透過率範囲（紫外線～長波長赤外線）、低い熱膨張係数、高い耐熱衝撃性を兼ね備えており、データ通信、電気通信、半導体製造、ライフサイエンス機器への組み込みなどの用途に最適です。
単結晶SiC：高い導電性、幅広い用途
SiCベースのエレクトロニクスの主な利点として、スイッチング損失の低減、出力密度の向上、放熱性能の改善、帯域幅性能の向上が挙げられます。熱伝導率に関しては、単結晶SiCの熱伝導率は約490 W/mKであり、シリコン（150 W/mK）の3倍以上です。SiCはシリコンよりも効率的に熱を放散できるため、冷却の必要性が全体的に低くなり、長期にわたってデバイスの信頼性と性能が向上します。
化学的安定性に優れ、飽和電子ドリフト速度が速く、熱伝導率が高いSiC単結晶は、オプトエレクトロニクス、マイクロ波デバイス、データ通信、電気通信、半導体製造、電気自動車（EV）、ライフサイエンス機器への組み込みなど、幅広い用途に使用できる優れた材料です。
Coherentを選ぶ理由：パフォーマンス、信頼性、コラボレーション
Coherentは、高い性能と信頼性の実績を持つ、多様なプラットフォームに対応したソリューションを提供しています。お客様のデータセンターにおける放熱対策には、特許取得済みのプロセスとカスタマイズされたソリューションが役立ちます。
Coherentは、あらゆる規模のチームと連携し、データセンター環境をはじめとするあらゆる環境で、信頼性と柔軟性に優れたカスタムソリューションと機能を提供します。効率的かつ効果的な熱管理により、多くの産業用途において、コスト削減、ダウンタイムの短縮、および部品の寿命最大化を実現します。
詳細については、熱管理のためのCoherentソリューションをご覧ください。
