過負荷のデータセンター向けの冷却ソリューション
Coherentがコールドプレート冷却によって、AIを活用したデータセンターで最もホットな課題をどのように解決しているかをご覧ください。
2021年1月10日Coherent
今最もホットな分野であるAIですが、食卓で最もホットな話題であるというだけでなく、AIによってデータセンターも物理的に熱くなっています。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動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需要、暗号通貨マイニング、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が小さくなり、そのようなコンパクトな領域では熱が非常に早く発生します。
全体的にサーバーは、これまでに経験したことのない処理負荷を負っている一方、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で累積的なワークロード需要は、グローバル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動作を維持するために関連するコストが発生します。
より要求が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、潜在的に数千の処理コアを追加できることもあり、大規模なAIモデルのトレーニングの中心となっています。今日のデータセンターは、従来のCPU処理よりも大きな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、しばしば対応でき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に移行しています。
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の高い問題を解決したりするには、戦略的な熱管理が必要です。余分な熱を取り除くプロセス、つまり熱放散は、性能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に、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、高需要のデータセンター環境でサーマルノブを引き下げる、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、環境的に困難
このマクロ冷却（チップに直接冷却しない）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、コスト高になってしまいます。
2. コールドプレート冷却（チップを直接冷却）：腐食に強く、効率的な熱伝達を最大化します。
Coherentは、GPUのような高エネルギーのチップから直接熱を取り出す物理的なコールドプレート技術を使用した、高熱伝導性材料の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・ツー・チップまたは単に「マイクロ冷却」とも呼ばれ、その名のとおり、GPUのような高エネルギーのチップから直接熱を取り出すためにコールドプレートを使用しています。
コンデンサーを使用し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に熱を移動させることにより、GPUの熱活動を放散させます。コールドプレート自体が熱伝達効率を最大化します。
赤外線画像を使っ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。
しかし、何がコールドプレートの冷却をより成功させるのでしょうか。その秘訣は熱伝導率の高さです。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パフォーマンスを発揮します。
材料 |
熱伝導率（W/mK） |
銅 |
~400 |
Coherentセラミック + ダイヤモンド（SiSiC/70%ダイヤモンド） |
~670 |
Coherent多結晶CVDダイヤモンド |
~1500 |
業界全体にわたる熱の安全ネット
Coherentは、データセンター、特にAIの普及によって高温になるデータセンターの過熱問題を解決することに熱心に取り組んでいます。当社はまた、半導体から電気自動車、神経科学に至るまで、他のさまざまな用途における熱管理の課題を解決することにも関心を持っています。
ハードウェアレベルでは、熱管理は、システムを動作温度範囲内で効率的に安定させ、維持するためのツールや技術を利用します。Coherentの熱管理材料とシステムは、半導体装置のような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、幅広い市場と用途に及んでいます。
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には事欠きません。
Coherentは、熱管理用の革新的なエンジニアリング材料とサブシステムの世界的リーダーであり、戦略的で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アプリケーションを幅広く提供しています。
反応結合Si/SiC
Coherentは、熱管理用途を含む幅広い設計要件と製品用途に対応するため、複数の反応結合Si/SiC配合を提供しています。当社が熱管理市場に提供している反応結合型配合物の中には、AlNやSi3N4と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、熱が重要となる用途で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ンネルを含む幅広い製品機能をサポートしています。これにより、いくつかの難しい用途の要件を満たすことができます。
金属マトリックス複合材料
シリコンカーバイド粒子強化アルミニウム（Al/SiC）MMCは、熱管理の用途に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、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（CTE 3ppm/K）とAl（CTE 23ppm/K）の比率に基づいて、CTEを調整することができます。
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・プロセスで製造することができます。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方法にも適合します。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。そしてセラミックに比べて割れにくいのです。また、Coherent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できます。
CVD DIAMOND
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、熱伝導に最もよく使わ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エレクトロニクスデバイスの過熱を防止し、デバイスの寿命を延ばし、デバイスのフットプリントを小さくし、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、加熱や冷却であまり膨張や収縮を起こすことがありません。広い光透過率範囲（紫外～長赤外）、低い熱膨張係数、高い耐熱衝撃性をサポートし、データ通信、電気通信、半導体製造、ライフサイエンス装置組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
Siの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や、出力密度の増加、放熱効果の改善、バンド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、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、ライフサイエンス装置組込みなど、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、さまざまなプラットフォームにわたるソリューションを提供することができます。お客様のデータセンターにおける放熱のために、特許で保護されたプロセスとカスタマイズされたソリューションが役に立ちます。
Coherentは、あらゆる規模のチームと協力し、データセンター環境やそれ以外の環境においても、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。効率的で効果的な熱管理は、コスト削減、ダウンタイムの短縮、部品ライフサイクルの最大化を多くの産業用途で実現します。
詳しくは、熱管理のためのCoherentソリューションをご覧ください。
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