データセンタービジネスモデル（デュアルカーボン戦略におけるデータセンターの「コールド」と「ホット」）

デュアルカーボン戦略におけるデータセンターの「冷たさ」と「熱さ」

画像出典: Intel

『ミッション:インポッシブル5』には、モロッコのデータセンターが直接水に「浸かる」シーンがあります。技術サポートのベンジー・ダンが歩行認識を必要とする廊下を通れるようにするため、トム・クルーズは渦に飛び込み、水の流れに沿ってコンピューターセンターに押し込まれ、セキュリティシステムをハッキングした...

この映画は2015年に公開されました。シーンはSFのようですが、実は同年にアリババクラウドはすでに液浸液冷却技術の概念検証を開始していました。

いわゆる浸漬液冷方式は、赤と黄色の密な糸で覆われたサーバーを水のような液体に浸す方式です。しかし、これらの液体は普通の水ではなく、特殊な絶縁冷却剤です。サーバーの動作中に発生した熱は、冷却剤によって吸収され、その後外部循環冷却に入ります。

データセンターのエネルギー消費は、大きく分けて通信・ネットワーク機器、電源・配電システム、照明・補助機器、冷却システムで構成されており、このうち冷却部分のエネルギー消費がデータセンター全体のエネルギー消費の約40%を占めています。

これまで、空冷はコストが低く導入が簡単なため広く使用されてきました。しかし、近年では高密度コンピューティングの台頭により、チップやサーバーのパフォーマンス、単一キャビネットの電力密度が向上し続け、液浸液冷却が支持され始めています。

杭州にある Alibaba Cloud のクラウド データ センターを例に挙げると、中国最大の完全水中液体冷却クラスターとして、全体的なエネルギー節約は 70% 以上、年間平均 PUE は 1.09 と低くなっています。従来のデータセンターと比較すると、年間7,000万kWhの電力を節約でき、これは西湖周辺のすべての街灯を8年間連続点灯した場合の電力消費量に相当します。

特に今年2月には、我が国の「東データ西コンピューティング」プロジェクトが本格的に始動しました。その中で、グリーンエネルギーの節約、コンピューティングパワーのスケジューリング、安全性と信頼性の3つの開発方向が提案されました。グリーンエネルギーの保全を優先します。

「政策的観点から見ても、市場の需要から見ても、あるいは技術的な成熟度から見ても、データセンターが『液体冷却の時代』に突入したことを示しています。」中国電子省エネ技術協会の陸天文事務局長は、2022年データセンター液体冷却技術セミナーで次のように述べた。

データ センターの概念は、アメリカン航空が IBM と提携して Sabre の乗客予約システムを作成し、主要業務のこの部分を自動化した 1950 年代後半に始まりました。

しかし、初期のデータ センターでは、ローカル データの計算を完了するために、少数の大型メインフレームにしか依存できませんでした。分散コンピューティングを実行できないだけでなく、外部サービスを提供することもできませんでした。インターネットが登場し、市場に大きな影響を与えたのは 1990 年代半ばになってからでした。企業のインターネットビジネスアプリケーションのサポートに対する需要が高まるにつれて、データセンターはほとんどの企業でサービスモデルとして受け入れられるようになりました。

2010 年以降、クラウド コンピューティング テクノロジーの台頭により、クラウド データ センターが徐々に注目を集めるようになりました。以前と比較して、クラウド データ センターの基本設備はより大規模化、標準化、インテリジェント化され、建設コストが低くなり、より多くのサービスを提供できるようになりました。

データセンターの発展の歴史を振り返ると、データが徐々に新たな生産要素となり、生産性の発展に対する重要性が絶えず高まっていることに気づくのは難しくありません。

わが国では、2020年にデータセンターが「新インフラ」に組み入れられて以来、各地のデジタル関連産業の発展がますます加速しています。先日開催された世界5G大会のTech-Talk2022展望フォーラムで、国家情報センター情報技術・産業発展部のShan Zhiguang部長は、全国の国家データセンタークラスターの建設において、2022年に1900億元以上の投資を伴う25件の新規プロジェクトが開始されると述べた。

しかし、データセンターの隆盛は、より多くのスペースを占有する必要やエネルギー消費の増加など、一連の問題ももたらしました。第一回「東データ西コンピューティング」広東・香港・マカオ大湾区（広東）コンピューティング産業会議において、南方科技大学クリーンエネルギー研究所所長でオーストラリア工学アカデミー外国人院会員の劉克氏は、データセンターの急増がエネルギー消費の急増をもたらしていると述べた。 2020年末現在、中国のデータセンターの電力消費量は2,000億kWhを超え、国全体の電力消費量の2.7%を占めています。 2022年には電力消費量が2,700億kWhに達すると予想されています。

このエネルギー消費がなぜ注目に値するのかは、一連の比較数値から分かります。 2020年12月31日24時現在、三峡発電所は2020年に合計1118億キロワット時のクリーン電力を生産した。つまり、2020年のデータセンターの年間電力消費量は、その年の三峡発電所2基の発電量に相当したことになる。

マクロのエネルギー消費の数字は問題の緊急性を浮き彫りにする一方、微妙なエネルギー消費の関連性により、エネルギー消費の原因を特定し、解決策を見つけることがより的確になります。

ご存知のとおり、データセンターの担い手は IT デバイスであり、すべての IT デバイスの計算能力はチップによって決まります。現在の観点から見ると、サーバー全体の主流チップの消費電力は継続的に増加しており、近年はかなり急激な増加傾向にあります。サーバーチップの電力が 100W や 200W から 350W や 400W に増加すると、サーバーの消費電力は 2 倍になり、単一のキャビネットの電力密度が元の 4KW や 6KW から 15KW や 20KW に増加します。

少し前、2022年インテル中国データセンターパートナーテクノロジーサミットで、インテルの中国データセンタープラットフォームテクノロジーおよびアーキテクチャ部門ゼネラルマネージャーである王飛氏は、インテルが2025年までに50億個のCPUコアを稼働させる予定であることを明らかにしました。これは、一方ではコンピューティングパワーの発展がデータセンター、データ経済、そして世界経済の発展を支えていることを意味します。しかしその一方で、世界経済の持続可能な発展やデータセンターの省エネ・炭素削減にもさらなる課題をもたらすことになります。同氏は、2030年までにデジタルセンターが世界の電力の3～6％を消費するだろうと述べた。

明らかに、この傾向により、従来の空冷方式ではデータセンターの放熱と冷却のニーズを満たすことができなくなります。 「現在、空冷技術は依然として大規模に使用されています。当社は空冷技術を継続的に強化し、容積や面積の拡大、ヒートパイプ技術やさまざまな先進技術、データセンターレベル、ラックレベル、ノードレベルでのさまざまな最適化を実施することで、データセンターのPUEを約1.2にまで低減できます。しかしその後、これほど多くの最適化を行っても、システムファンのエネルギー消費に加えて、データセンターの冷却とメンテナンスに最大20%のエネルギーが浪費されていることも判明しました。これは、依然として炭素削減の目標にとって理想的ではありません。」王飛は言った。

一方、データセンターはエネルギー効率を革新するために自主的に取り組んでいます。一方、二重炭素目標の制定により、高 PUE に対する制限が中央から地方レベルまでの政策に盛り込まれ、データセンターの監督がより厳しくなります。

PUEとは何ですか? PUE は、データセンターの総エネルギー消費量と IT 機器のエネルギー消費量の比率です。ベンチマークは2です。値が1に近いほど、エネルギー効率が高くなります。一般的に、データセンターの主な評価指標は、PUE（電力使用効率）、再生可能エネルギー構成の割合、二酸化炭素排出量の3つです。その中で、PUE が主要な政策ツールとなります。

6月には工業情報化部など6つの部門が共同で「産業エネルギー効率向上行動計画」を発表し、2025年までに新設される大型・超大型データセンターの電力利用効率が1.3以上になると指摘した。

かつて、データセンターは地方自治体の経済対策ツールとして広く普及していました。近年、主要な一級都市はデータセンターの省エネ指標に対して厳しい要求を課しています。

北京市は「北京市禁止・制限新産業目録（2018年版）」の中で、PUEが1.4を超えるデータセンターの建設や拡張は市内全域で禁止されると明確に規定している。上海市は「上海市のエネルギーレベルとコア競争力の向上を支援する次世代情報インフラの構築を促進する3カ年行動計画（2018～2020年）」において、新設データセンターのPUEを1.3以下に制限する必要があると指摘した。

それに比べると、深センは最も厳しいです。 「深セン市発展改革委員会によるデータセンター省エネ審査関連事項に関する通知」では、PUE が 1.25 未満のデータセンターのみが新エネルギー消費量の 40% 以上の支援を受けることができると強調されています。

地方自治体の姿勢からGDPの産出が重要であることは容易に理解できるが、より重要なのはエネルギー消費量当たりのGDPの産出量を増やすことである。この分野の企業にとって、従来の空冷ではデータセンターの放熱ニーズを徐々に満たせなくなってきており、経済的利益と開発利益のバランスをとるために適切な技術を見つける必要があります。

クラウドコンピューティングとその推進に取り組んでいたアリババクラウドは、2015年という早い時期に、将来のコンピューティングパワーの急速な成長がもたらす課題を認識していました。この課題は、チップ自体の放熱問題だけでなく、データセンターにおけるエネルギー消費量の大幅な増加という問題でもあります。

「当時、私たちは、持続可能な開発を達成しながらコンピューティングの潜在能力を最大限発揮するために、将来的に適切なテクノロジーを見つけなければならないと信じていました。」アリババクラウドサーバーの研究開発の上級技術専門家であるZhong Yangfan氏は、2022年のIntel中国データセンターパートナーテクノロジーサミットで次のように述べた。

当時は、液体冷却の概念がちょうど登場したばかりでした。そこでアリババはインテルにアプローチし、液体冷却技術の共同研究を始めました。 「当時、私たちはまだ手探りの状態でした。コールドプレート技術、2相技術、単相技術など、市場にあるあらゆる液体冷却の方向性と技術を研究し、実践しました。また、いくつかのプロトタイプと実験も行いました。」鍾楊凡氏は言う。

技術サービスプロバイダーとして、Intel は、浸漬液冷却が直面する材料の互換性、電気信号の整合性、チップの放熱特性、サーバーシステムの放熱特性、サーバーおよびキャビネットの構造設計などの問題に重点を置いています。インテルは、プロセッサのカスタマイズとサーバーシステムの開発と最適化から始めて、チップの電力消費の壁、つまりコンピューティング能力の向上に影響を与える2つの重要な問題である電力消費と冷却を突破し、液冷サーバーが実験からAlibaba Cloud Data Centerでの大規模展開へと徐々に発展することを可能にしました。 Intel の液体冷却技術の研究は CPU に限定されません。また、液体冷却条件下での FPGA などのコンポーネントの互換性検証に関する関連研究も含まれます。

2016年、Alibaba Cloudは初の浸漬液冷却システムを発売しました。 2017年から規模は継続的に拡大し、2018年にはインターネット業界初の最大規模の液浸液冷却サーバークラスターが構築され、液浸液冷却の正式な商用利用が開始されました。 2020年、Alibaba Cloudは初の5Aレベルのグリーン液冷IDCを生産開始しました。

2015年に探査が始まってから7年が経過しました。 Alibaba Cloud はなぜ多くの実験ルートの中から浸漬液冷却ルートを選択したのでしょうか?

従来の空冷サーバーと比較して、液冷技術にはエネルギー効率の利点があります。熱捕捉能力が優れているため、液浸液体冷却では 100% の熱捕捉能力を実現できます。鍾楊凡氏によると、液体冷却技術のサポートにより、Alibaba Cloud の液浸液体冷却データセンターの PUE は 1.09 程度まで低減できるとのことです。従来の空冷の年間平均 PUE は 1.5 です。それに比べて、エネルギー消費量は34.6%減少しました。

さらに、データセンター全体のエネルギー消費量の増加に伴い、エネルギーや熱のリサイクルや再利用も非常に重要なテーマとなっています。データセンターの場合、理論上は発生する熱エネルギーはすべてリサイクルして再利用できます。熱エネルギーをより効率的に捕捉できれば、それをリサイクルして再利用したり、あるいはこの熱エネルギーから変換したエネルギーを販売したりすることも可能です。液体冷却技術は、熱エネルギーの捕捉とリサイクルをより適切にサポートできます。

さらに、液体冷却の熱伝導効率は従来の空冷よりもはるかに高いため、従来の空冷冷凍能力のボトルネックを打破し、単一のキャビネットの電力密度を大幅に向上させることができます。中洋帆は、従来の空冷技術では、キャビネット 1 台の放熱能力は一般的に 10KW 程度だが、完全浸漬液冷技術を使用すれば 100KW 以上に達できると紹介しました。

さらに、液浸液冷却データセンターは地理的に「選り好み」せず、汎用性が高いため、レイアウトの難しさも軽減されます。浸漬液冷却技術により、機器はより低い温度で動作し、ファンがないため振動がなく、機器の信頼性がさらに向上し、騒音が低減されます。 Alibaba Cloud は実際の運用実験を通じて、液浸液冷却技術により機器の故障率を 50% 削減できることを発見しました。

Mordor Intelligenceのレポートによると、世界のデータセンター浸漬液冷却市場全体の規模は2020年に2億9,700万米ドルで、2026年までに7億300万米ドルに達し、年平均成長率は15.27%になると予想されています。

データセンターの液浸液冷却技術は急速に発展しており、明らかな利点があります。放熱のボトルネックを打破し、より優れたエネルギー効率を実現します。しかし、実際にそれを適用している企業は多くありません。データセンター分野に巨額の技術投資を行っているインターネット大手企業でさえ、この技術を実際に大規模に適用したことはありません。つまり、液浸液冷却技術の研究開発は「無人地帯」を歩くようなものなのです。先頭に立つリーダーは存在せず、多くの技術的な方向性を模索する必要がある。その結果、技術的な困難、高コスト、標準化の欠如、腐食、漏れなどの問題に直面します。

浸漬液冷却技術の原理は、熱交換に空気の代わりに液体を使用することです。従来の空冷技術と比較すると、その革新的な特徴は放熱方法の変更だけでなく、データセンターのエコロジー全体にも影響を及ぼします。サーバー、ネットワーク機器、監視、さらにはデータセンターの全体的な設計も変更され、再定義されます。 「例えば、非導電性液体には多くの種類があります。どの液体が長期進化と長期使用の要件を満たすことができますか？ RD機器は液体内に置かれた場合、長期間安定して動作しますか？ 操作方法やメンテナンス方法など。」鍾楊凡氏は言う。

この目的のために、Alibaba Cloud は、チップからサーバー マシン、キャビネット、データ センターに至るまでの複数のサプライヤーを含む世界中の数十のパートナーと協力しました。たとえば、Intel は重要なチップ パートナーです。第 3 世代 Intel® Xeon® スケーラブル プロセッサー、高性能プログラマブル チップ FPGA などの製品は、液浸液体冷却システムで効率的かつ確実に動作する必要があります。サプライヤーとの共同研究・開発・検証を通じて、少しずつ導入を繰り返し、問題点を発見・解決することで、大規模導入を実現します。

業界の初期段階では、サプライチェーンと生産チェーンが健全ではなく、標準が欠如しています。たとえば、液体冷却材料の互換性、液体冷却製品材料の選択、液浸液体冷却キャビネットとサーバーの構造、および光モジュールに関する業界標準はありません。 「標準、特に業界標準がなければ、規模の経済は生まれず、コスト削減は難しく、循環型経済産業チェーンの発展を支える再利用を実現することは困難になるだろう」と王飛氏は述べた。

アリババクラウドは業界標準の発展を促進するため、昨年、中国情報通信研究院クラウドコンピューティング・ビッグデータ研究所、OPPOと共同で「浸漬液冷インテリジェントコンピューティング産業発展フォーラム」を立ち上げ、今年5月に開催された第1回浸漬液冷インテリジェントコンピューティング産業発展フォーラムでは、浸漬液冷技術に関する3つの新しい技術標準と2つのホワイトペーパーを発表しました。

インテルは、ICT 業界の上流および下流のメーカー 20 社を集め、複数の分野にまたがり、データセンター業界チェーン全体を網羅するグリーン データセンター テクノロジー イノベーション フォーラムを開始しました。このフォーラムの設立は、技術革新と産業協力を通じてデータセンター運営モデルのグリーン変革を加速し、データセンターの省エネ・排出削減と持続可能な発展を推進し、デジタルインフラ構築とカーボンニュートラルコンピューティングをサポートし、カーボンピークとカーボンニュートラルの「デュアルカーボン」目標を達成することを目的としています。

さらに、新しい技術の導入、研究開発にもコストがかかります。浸漬液冷システムの導入コストには、液冷装置タンクと冷却剤の価格とその後のメンテナンスコストだけでなく、液冷システムの設計実務を満たすために使用されるポンプ、熱交換器、フィルター、センサーなどの一連の他の設備の改造とメンテナンスコストも含まれます。特に、空冷システムに基づいて構築されたデータセンターの場合、変更コストが膨大になることがよくあります。浸漬方式は従来の方式に比べて初期投資と建設コストが高いため、現在の価格差は数倍になっていると理解されています。

TomsHardware によると、高コストの問題を解決するために、Intel は液浸液冷却ソリューションの開発を継続しており、これによりデータセンターはカスタマイズされたソリューションの設計に多額の費用をかけずに液浸液冷却をさらに導入できるようになり、コストと二酸化炭素排出量が大幅に削減されるという。

あらゆる技術の開発の初期段階では、具体的な開発経路は曲がりくねっていて回りくどいものになります。データセンターにおける省エネと炭素削減の必要性、そして高密度データセンターの開発により、政策と大手企業の参加によって、データセンターにおける液浸液冷却は大規模な商業利用へと加速しています。 （この記事はTitanium Mediaアプリで最初に公開されました。著者：Han Jingxian）