サーバーの熱は、最後は屋上の冷却塔から空へ捨てられている

データセンターと聞くと、サーバーがびっしり並んだ部屋を思い浮かべるかもしれません。ですが、実際に建物の多くを占めているのは「冷やすための設備」です。そしてAIの普及で発熱が爆発的に増えたいま、データセンターは熱との戦いの場になっています。電力の事情は「AIデータセンターと電力危機」で扱っています。

データセンターの中には何があるのか

データセンターの中身は、大きく3つに分かれます。「サーバーを積んだラック（棚）」「冷やすための冷却設備」「止めないための電源（非常用発電機やバッテリー）」です。

このうち冷却は、最大級の設備です。従来型のデータセンターでは、使う電力の最大4割程度が冷却に消えるとされます。つまり、建物のかなりの部分が「熱を逃がすため」に存在しているのです。なぜそこまで冷やすのかというと、チップは熱に弱く、冷やせなければ性能を落とすか壊れてしまうからです（mlq.ai / Boyd）。

サーバーラックとは何か

ラックとは、サーバーを縦に積み重ねて収める棚のことです。幅は19インチ（約48cm）に統一され、高さは「U（ユー）」という単位で数えます。1Uは約4.4cmで、42U（約1.9mの高さ）のラックが最も一般的です。

ラック1本が使う電力（発熱量）は、近年で大きく変わりました。従来は1ラック5〜10kW程度でしたが、AI向けのラック（NVIDIAのGB200 NVL72＝GPUを72基まとめた最新システム）は約120kW級に達します。発熱が10倍以上に増えたわけで、これが冷却の常識をひっくり返しました。

ラックは、前面から冷たい空気を吸い、背面から熱い空気を出します。そこで、ラックを「前面どうし・背面どうし」で向かい合わせて並べ、冷たい通路（コールドアイル）と熱い通路（ホットアイル）に分けます。冷気と熱気を混ぜないこの並べ方が、効率よく冷やす基本です（TRG Datacenters / EIA-310）。

奪った熱は最後どこへ行くのか

ここがこの記事の核心です。チップが出した熱は、長い旅をして最後に大気へ捨てられます。その通り道を、3Dモデルで段階ごとに追ってみましょう。

順番に説明します。まず①ラックで発生した熱を、②冷却液や冷気が受け取り、CDU（冷却液分配ユニット＝サーバー側の液と建物側の水を仲介する装置）やCRAH（冷水で空気を冷やす空調機）を通って「冷水のループ」に移します。

温まった冷水は、③チラー（冷凍機＝冷水を冷やし直す装置）で再び冷やされ、サーバー側へ戻ります。

チラーが奪った熱は、④もう一本の水のループ（冷却水ループ）で屋上の冷却塔へ運ばれます。そして⑤冷却塔が水の一部を蒸発させて熱を奪い、湯気として大気へ逃がします。チップの熱は、こうして「水→水→空気」とバトンを渡しながら、最後に空へ抜けていくのです（Dgtl Infra）。

サーバーそのものはどう冷やすのか（空冷と液冷）

熱の旅の出発点、つまりサーバー1台をどう冷やすかには、2つの方式があります。ファンで空気を送る「空冷」と、冷却液をチップに直接当てる「液冷」です。

空気は熱を運ぶ力が弱いため、発熱の大きいAIチップは空冷では冷やしきれません。そこで、水や専用の液体を使う液冷が主役になりつつあります。液冷では、CDUがサーバー側の冷却液と建物側の冷水を熱交換器（熱だけを受け渡す仕切り）で分け、安全に熱を移します。液冷の詳しい仕組みは「AIサーバーは、もう空気では冷やせなくなった」で解説しています（Vertiv）。

なぜ冷却塔は水を使うのか

冷却塔が水を使うのは、「水が蒸発するときに周りの熱を奪う」性質を利用しているからです。打ち水で涼しくなるのと同じ原理で、効率よく熱を捨てられます。その代わり、蒸発した分の水を補充し続ける必要があります。実際、1MW（メガワット）級のデータセンターで、年間およそ2,560万リットルもの水を使うとされます。

水を使いたくない場合は、ドライクーラー（水を使わず空気だけで冷やす方式）も選べますが、その分だけ電力を多く使います。つまり水と電力はトレードオフ（あちらを立てればこちらが立たない関係）です。

さらに、外の空気が冷たい季節は、チラーを止めて外気で直接冷やす「フリークーリング（外気冷房）」で電力を節約します。どちらを優先するかは、立地の水事情や電力事情で決まります。立地条件は「データセンターはどこに建てられるか」を参照してください（Uptime Institute）。

冷却の効率はどう測るのか

データセンターの効率は、PUE（ピーユーイー）という指標で測ります。PUEとは、施設全体の消費電力を、IT機器（サーバー）が使う電力で割った値です。1.0に近いほど無駄が少なく、たとえばPUEが1.5なら、サーバーに1の電力を届けるのに、冷却や配電で0.5の電力を余計に使っている、という意味になります。

業界平均のPUEは約1.56で、ここ数年ほぼ横ばいです。一方、GoogleやMicrosoftなどのハイパースケーラー（超大規模な事業者）は、フリート（保有施設）平均で1.09前後と桁違いに効率的です。だからこそ、冷却をいかに賢く行うかが、そのままデータセンターの電力効率を左右します。電力が逼迫する時代に、冷却の最適化は経営課題そのものです（Uptime Institute）。

この記事のまとめ

• データセンターの中身は、サーバーラック・冷却設備・電源で構成され、冷却は最大級の設備（従来型で総エネルギーの最大4割程度）。
• ラックは19インチ・42Uが標準。AI向けは約120kW級まで高密度化し、冷却の前提を変えた。
• サーバーの冷やし方は、ファンの空冷と、冷却液を直接当てる液冷。高発熱のAIは液冷へ移行している。
• 熱の旅はチップ→CDU/CRAH→冷水→チラー→冷却水→冷却塔→大気。最後は湯気として空へ捨てられる。
• 冷却塔は水を蒸発させて排熱するため水を消費。水と電力はトレードオフで、効率はPUE（業界平均約1.56）で測る。

なお本記事は投資助言ではありません。