サーバーを液体に沈める。AIの猛烈な熱を冷ます最終手段

AIの計算が増えるほど、チップは大量の熱を出します。この熱を冷やせなければ、性能は出ず、機器は壊れます。空冷の限界については「AIの熱を、空気では冷やせなくなった」で扱いました。本稿では、その先にある液冷・液浸という方式の違いを掘り下げます。

なぜAIデータセンターは空冷では冷やせないのか

AIデータセンターが空冷では冷やせなくなったのは、AIチップの発熱量が、空気の冷却能力を超えたためです。

空気は、熱を運ぶ力が弱い物質です。それでもこれまでのサーバーは、ファンで風を送る空冷で十分でした。しかし、最新のAI用GPUは、1枚で数百〜千ワット以上もの熱を出します。これは小さな電気ストーブに匹敵する熱です。それがデータセンターのラックにびっしり詰め込まれるため、風だけでは熱を運びきれません。

熱がこもると、チップは性能を落としたり、故障したりします。そこで、熱を運ぶ力が強い液体を使う冷却へと、舵が切られているのです。

直接液冷とは何か

液体で冷やす方式のうち、まず広がっているのが直接液冷（ダイレクト・トゥ・チップ）です。これは、発熱するチップの上に金属の冷却板（コールドプレート）を密着させ、その中に冷却液を流して熱を奪う方式です。

熱の発生源であるチップに、直接、液体の通り道を当てるのがポイントです。空冷より格段に高い冷却能力を持ちながら、サーバーの基本構造を大きく変えずに導入できます。この“いいとこ取り”ができるため、AIサーバーの冷却で広く使われ始めています。液冷の現実的な第一歩と言えます（業界解説）。

液浸冷却とは何か

さらに高い冷却能力を狙うのが、液浸冷却です。液浸冷却とは、サーバーそのものを、電気を通さない特殊な液体に丸ごと沈めて冷やす方式です。

チップだけでなく基板全体が液体に触れるため、極めて高い冷却能力を持ちます。方式は大きく2つあります。液体が沸騰する力で熱を奪う「二相式」と、沸騰させずに循環させて冷やす「単相式」です。二相式はとくに冷却能力が高い一方、液体のコストや環境規制が課題になります。

液浸冷却では、サーバーの冷却ファンそのものが不要になります。ファンの電力がいらなくなるうえ、騒音も減ります。そのため、最先端のAIデータセンターで、採用の検討が進んでいます。

冷却方式とPUEの関係

冷却方式を語るうえで欠かせない指標が、PUEです。PUE（電力使用効率）とは、データセンター全体の消費電力を、サーバーが使う電力で割った値です。1に近いほど、冷却などの“ムダ”が少なく、効率的なことを意味します。

空冷では、冷却に多くの電力を使うため、PUEが高くなりがちでした。一方、直接液冷や液浸冷却は、冷却にかかる電力を大きく抑えられるため、PUEを1に近づけられます。冷却の効率化は、電力危機への対策にも直結します。AIの電力・水の負荷は「AIは水と電気をどれだけ使っているのか」で、電力の逼迫は「AIデータセンターが電力を奪い合う時代が来た」で扱っています。冷却は、AIインフラの効率と立地を左右する、重要な技術競争の場なのです。

この記事のまとめ

• AIチップの発熱が空気の冷却能力を超え、データセンターの冷却は空気から液体へ移りつつある。
• 直接液冷は、チップに冷却板を密着させ冷却液を流す方式で、構造を変えずに導入しやすい。
• 液浸冷却は、サーバーを電気を通さない液体に丸ごと沈める方式で、極めて高い冷却能力を持つ。
• 液浸には、液体の沸騰で熱を奪う二相式と、沸騰させず循環させる単相式がある。
• 液冷・液浸は冷却の電力を抑え、PUE（電力使用効率）を1に近づけられる。