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 、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が直面する最大の課題をどのように解決Coherent をご覧ください。
2024年1月10日 著者： Coherent
AIは今、大注目されています。しかし、それは単に食卓での話題として注目されているだけでなく、データセンターの熱問題も深刻化させています。幸いなことに、Coherent 、高負荷のデータセンターを効率的に稼働させ続けるための、の革新的な熱管理ソリューションを幅広くCoherent 。
クラウドコンピューティング、ゲームのグラフィック処理、暗号資産のマイニング、エッジコンピューティングといった他の用途も、ワークロードの負荷を急速に（かつ劇的に）増加させ、データセンター内の温度上昇を招いています。同様に、半導体の微細化が進みトランジスタの集積度が高まるにつれ、限られた空間内で熱が急速に発生するようになっています。
全般的に、サーバーはかつてないほどの処理負荷を課されており、この前例のないエネルギー需要により、データセンターで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倍に増加しており、今年は750Wを超えると予想されています。 このコストのかかる累積的なワークロード需要は、世界中の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ます。過剰な熱による熱損傷の懸念は、重要なサーバーコンポーネントの寿命短縮や故障につながる可能性があり、データセンターの安全性への懸念を引き起こすことは言うまでもなく、データセンターを円滑に稼働させ続けるためのコスト増も確実に招くことになります。
現代のデータセンターには、より高い要求が課せられている
GPUコンピューティングは、大規模なAIモデルのトレーニングの中核を担っています。その理由の一つは、CPUコンピューティングと比較して、数千もの追加の処理コアを活用できる可能性があるためです。今日のデータセンターでは、従来のCPU処理よりも多くの電力を必要とするため、この高速化に対応するために、多くのオンプレミス型データセンターが高密度ラックソリューションへと移行しています。しかし、こうしたソリューションはより多くの電力を消費し、既存の設備では対応しきれないレベルの熱を発生させる傾向があります。
データセンターにおいて効率的な「AIの冷却」を実現したり、その他の高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。余剰熱を除去するプロセス、すなわち放熱は、パフォーマンスやコンポーネントの寿命にとって、かつてないほど重要になっています。
過熱したデータセンターにおける熱による損傷の防止
熱による損傷を軽減し、多額のコストを伴うダウンタイムを防ぐためには、熱の分散に関する計画と管理がこれまで以上に重要になっています。一般的に、負荷の高いデータセンター環境において、熱の発生を抑える、あるいは余剰熱を放散するには、主に2つの方法があります。
1. 浸漬冷却（または空冷）：コストが高く、複雑で、環境面での課題がある
このマクロ冷却（チップへの直接冷却ではない）方式では、プレートやサーバーラックの構成部品を、強力な対流空気（上部）または完全な液体浸漬（下部）によって冷却する必要があります。その結果、コストのかかるソリューションとなります。
2. コールドプレート冷却（ダイレクト・トゥ・チップ）：熱伝達効率を最大化し、耐食性に優れています。
Coherent recommends a high thermal conductivity material micro-cooling solution, which uses a physical cold plate technology to directly extract heat from high-energy chips like GPUs (for example).
コールドプレート材料のメリット
機能的には、コールドプレート冷却（ダイレクト・トゥ・チップ、あるいは単に「マイクロ冷却」 とも呼ばれる） はその名の通り、 コールドプレートを用いてGPUのような高消費電力のチップから直接熱を奪い取る仕組みです。
家庭用冷蔵庫が凝縮器を使って熱を除去するのと同様に、コールドプレート冷却は、GPUから冷却液へ熱を伝達することで、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限に高めます。
技術者が赤外線画像を用いて、サーバースタック内の熱の蓄積状況を示している。
But what makes cold plate cooling more successful? Well, it boils down to higher thermal conductivity. To put it in perspective, a conductor like copper has a thermal conductivity of around 400 watts per meter kelvin, whereas a material such as poly-crystalline CVD diamond performs significantly higher—nearly four times that amount.
素材 |
Thermal Conductivity (W/mK) |
銅 |
~400 |
Coherent ＋ダイヤモンド（SiSiC／ダイヤモンド70%） |
~670 |
Coherent CVDダイヤモンド |
~1500 |
業界を横断する熱安全対策
Coherentでは、データセンターの冷却課題、特にAIの普及により発熱量が増加しているデータセンターの課題解決に情熱を注いでいます。また、半導体から電気自動車、神経科学に至るまで、幅広い分野における熱管理の課題解決にも取り組んでいます。
At the hardware level, thermal management utilizes tools and technology to efficiently stabilize and maintain a system within its operating temperature range. Coherent’s thermal management materials and systems span beyond just microelectronics like semiconductor equipment to a broad range of markets and applications like materials processing, automotive, aerospace & defense, datacom & telecom, and life sciences.
多様な最終市場において、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 、熱管理向けの革新的なエンジニアリング材料およびサブシステム分野における世界的なリーダーCoherent 、戦略的かつ顧客のニーズに合わせた材料ソリューションを提供しています。
当社が提供する、世界をリードする幅広い革新的な熱管理ソリューションには、以下のものが含まれます：
反応結合型Si/SiC
Coherent provides multiple reaction-bonded Si/SiC formulations to meet a broad range of design requirements and product applications, including applications for thermal management. Some of the reaction-bonded formulations we offer to thermal management market allows high thermal conductivity with CTE matching to AlN or Si3N4. With addition of diamond added into Si/SiC materials, Coherent can offer ultra-high thermal conductivity for heat-critical applications.
さらに、反応結合Si/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に近い成形プロセスによって製造可能です。ネットシェイプ成形、グリーン加工、および／またはプリフォーム接合を用いることで、極めて複雑な形状の実現が可能です。こうした形状設計の柔軟性により、フィン付き要素や内部の微細冷却チャネルなど、幅広い製品特性に対応できます。これにより、我々は困難な用途要件にも対応することが可能となります。
金属基複合材料
Silicon carbide particle reinforced aluminum (Al/SiC) MMCs provide distinct advantages for thermal management applications. Since Al and SiC offer low density and high thermal conductivity, combining the two materials maintains these important material characteristics. At the same time, CTE can be tailored based on the SiC (CTE of 3 ppm/K) to Al (CTE of 23 ppm/K) ratio in the composite.
MMC製品は、ニアネットシェイプおよびニアネットシェイプに近い成形プロセスによって製造可能です。直接ねじ切りを含め、完全な機械加工が可能です。また、これらの材料は標準的なメッキプロセスにも対応しています。従来の金属と比較して、機械的および熱的安定性が大幅に向上しています。さらに、セラミックスよりも破損しにくい特性を持っています。また、Coherent に関する特許取得済みの製造プロセスをCoherent 、これによりお客様の特定の用途要件を満たすことが可能です。
CVDダイヤモンド
Diamond offers the highest thermal conductivity of any material, at least four times higher than that of copper, the most commonly used metal for heat transfer. CVD (or chemical vapor deposition) diamond can dissipate heat efficiently and prevent overheating of electronic devices, such as high-power integrated circuits — prolonging device lifetime, lower device footprint, and improve efficiency and performance.
CVD Diamond has a low coefficient of thermal expansion, which means it doesn’t expand or contract much when heated or cooled. Supporting a wide optical transmission range (UV through long IR), low coefficient of thermal expansion, and high thermal shock resistance, it’s ideal for applications like datacom, telecom, semiconductor manufacturing, and life sciences instrumentation.
単結晶SiC：高い導電性、幅広い用途
The key advantages of SiC-based electronics include reduced switching losses, higher power density, better heat dissipation, and increased bandwidth capability. And as far as thermal conductivity is concerned, single-crystal SiC has a thermal conductivity of about 490 W/mK, which is more than three times higher than that of silicon (150 W/mK). Because SiC can dissipate heat more efficiently than silicon, it lowers the overall need for cooling and improves the reliability and performance of devices over time.
With a great chemical stability, high saturated electron drift velocity — and high thermal conductivity — single-crystal SiC is an outstanding material for a wide range of applications, including but not limited to, optoelectronics, microwave devices, datacom, telecom, semiconductor manufacturing, electric vehicles (EVs ), as well as life sciences instrumentation.
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 、高いパフォーマンスと信頼性の実績を誇り、さまざまなプラットフォームに対応したソリューションCoherent 。データセンターの放熱対策において、当社の特許取得済みのプロセスと、お客様のニーズに合わせたソリューションをご活用いただけます。
Coherent 、あらゆる規模のチームとCoherent 、データセンター環境内外において、信頼性が高く柔軟なカスタムソリューションと機能を提供しています。効率的かつ効果的な熱管理により、コスト削減、ダウンタイムの短縮、そして幅広い産業用途におけるコンポーネントの寿命を最大限に延ばすことが可能になります。
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