Facebookプロモーション計画（AIの爆発的な普及により、放熱の需要が急増。QihongやFrondaなどの高品質放熱メーカーが大きな勝者になる可能性あり）

AIの爆発的な増加により、放熱に対する大きな需要が生まれました。 QihongやFrondaなどの高品質放熱メーカーが大きな勝者になるかもしれない

生成型 AI の波に牽引されて、コンピューティング能力に対する需要は引き続き高まり、大規模データセンターなどのコンピューティング能力インフラストラクチャの継続的な拡張が促進されます。中国情報通信研究院は、世界のコンピューティング能力は2024年から2028年にかけて50%以上の割合で成長すると予測しています。2025年までに、世界のコンピューティングデバイスの総コンピューティング能力は3 ZFlopsを超え、2030年までに20 ZFlopsを超えるでしょう。

しかし、データセンターにおけるコンピューティング能力の需要が高まるにつれ、高いエネルギー消費によって生じる放熱の問題が深刻化しています。サーバーが動作しているとき、CPU、GPU、メモリ、ストレージなどのデバイスは大量の熱を発生し、チップの動作温度が急激に上昇して、デバイスの動作パフォーマンスに影響を与え、電子機器に損傷を与えることもあります。 DeepTechのデータによると、電子機器の温度が高すぎると、その動作性能は大幅に低下します。チップの動作温度が 70 ～ 80℃ に近づくと、温度が 2℃ 上昇するごとにチップの性能は約 10% 低下します。電子機器の故障の 55% 以上は過度の温度が原因です。

機器の安定した動作を維持し、エネルギー消費を削減するために、データセンターやサーバー機器には冷却用の高性能な放熱装置を装備する必要があります。したがって、データセンターやサーバーの計算能力の向上は、CPU や GPU などのコアコンポーネントの継続的なアップグレードだけでなく、放熱技術の継続的な進歩にも依存します。 AIの急速な発展によってもたらされたコンピューティング能力に対する需要の高まりは、必然的に放熱製品に対する大きな需要を生み出すでしょう。

現在、データセンターの冷却製品は、チップレベル、サーバーレベル、キャビネットレベル、コンピュータールームレベルの 4 つのレベルに分けられます。 4 つのレベルの冷却コンポーネントまたは装置は連携して動作し、相互に協力して、全体的に最高の冷却効果を実現します。

高いコンピューティングパワーの需要がAIサーバーのボリューム増加を牽引し、チップレベルの放熱の大幅な増加が見込まれます。

チップレベルの冷却は、チップまたはプロセッサの表面から直接熱を除去することで、デバイスのパフォーマンスを最適化し、耐用年数を延ばす冷却方法です。 「データセンターサーバーの電力消費モデルに関する研究進捗」によると、一般的なサーバーにおけるCPU、メモリ、ストレージなどのデバイスの電力消費は、それぞれ32%、14%、5%を占めています。しかし、AI サーバーの登場により、CPU がサーバーにおける熱放散の主な消費源となりました。従来のサーバーとは異なり、AI サーバーは「CPU + GPU」の異種構造を使用します。トレーニングと推論の計算能力に対する需要が急速に高まったことにより、AI チップの単一カードの計算能力が大幅に向上しました。例えば、NVIDIA の H100 GPU は最大 700W の電力を消費し、最新の B200 GPU は 1000W の電力を消費し、CPU の消費電力をはるかに上回ります。公開情報によると、AI サーバーは人工知能の発展にとって重要な計算能力の基盤です。 CPUとGPUの合計消費電力はAIサーバーの総消費電力の約80%を占め、そのうちGPUの消費電力はサーバーの総消費電力の約55%を占めています。

サーバーチップの消費電力が増加し続けるにつれて、サーバーチップレベルの冷却製品も進化を続けており、初期の1次元ヒートパイプ線形温度平均化から2次元VC平面温度平均化へと進み、徐々に3DVCの3次元冷却技術へと進化しています。近年、AIサーバーで使用されるGPUの消費電力が大幅に増加するにつれて、空冷技術は徐々に放熱能力のボトルネックに達し、コールドプレート液体冷却が空冷に取って代わり、サーバーチップレベルの冷却製品の主流になり始めました。

その中でも、ヒートパイプ冷却は、内部の作動流体の相変化プロセスを通じて、一方の端からもう一方の端へ熱を素早く伝達します。主に、サーバー、ノートパソコン、ゲーム機、VR/AR、通信機器などの高出力チップや放熱スペースが小さい製品に使用されます。 VCベイパーチャンバーの放熱原理はヒートパイプと似ていますが、ヒートパイプの一次元放熱モードを破り、形状に制限がありません。チップのレイアウトに合わせて任意の形状に設計でき、高さの異なる複数の熱源の放熱にも対応できます。ヒートパイプよりも先進的で効率的な熱伝導素子です。 3D VCは、ヒートパイプとベイパーチャンバーを貫通して熱を逃がす放熱技術です。第2段に組み立てられた複数のヒートパイプ/蒸気チャンバーに熱を伝達します。 3次元構造の接続により、内部の液体の相変化と熱拡散が行われ、チップの熱が直接かつ効率的に歯板の遠端に伝達されて放熱されるため、高出力デバイスの放熱と高熱流束密度領域の温度均一化のボトルネックニーズを満たすことができます。

業界では、ヒートパイプ、VC、3DVC はファンと組み合わせて使用​​することができ、すべて空冷式に分類されます。 NVIDIA の DGX A100 サーバーは、ファン + 3D VC 空冷冷却方式を採用しています。しかし、ヒートパイプ/VCなどの製品は放熱範囲が限られているため、主流のサーバー冷却製品のランクから徐々に撤退していきました。 3D VC は放熱性能を大幅に向上させましたが、サーバー チップの消費電力が増加し続けているため、空冷から液冷への移行製品としてしか機能しません。コールドプレート液体冷却は、サーバーチップレベルの放熱の未来です。

コールドプレート液体冷却は、マイクロ流体技術に基づいた液体冷却システムです。ラジエーターの表面にマイクロチャネルの層を形成し、パイプを通してラジエーターの表面に液体を噴霧し、蒸発と凝縮によって熱を吸収・放散します。効率的な熱伝達と正確な温度制御を実現できるのが利点です。高性能コンピューティングや高精度な冷却が求められるサーバーなどの高電力分野に適しています。コールドプレート液冷の冷媒はサーバーコンポーネントに直接接触しないため、間接液冷とも呼ばれます。

冷却プレート内で冷媒が相変化するかどうかによって、冷却プレート液冷は単相冷却プレート液冷と二相冷却プレート液冷に分けられます。このうち、単相コールドプレート液体冷却は、ポンプを使用して冷却剤を駆動し、チップの背面にあるコールドプレートチャネルに流します。冷却剤はチャネル内のプレート壁を通してチップと熱交換し、チップの熱を除去します。熱交換後の冷媒は熱交換モジュール内で放熱・冷却され、冷媒は相変化を起こさない。 2 相コールド プレート液体冷却では、液体ポンプを使用して冷却剤をコールド プレートに送り込み、冷却剤が熱を吸収した後に気体に蒸発し、その後凝縮システムによって捕捉されます。次に、凝縮システムによりガスが液体に凝縮されます。二相冷媒は液体と気体の両方の状態を生成できるため、二相コールドプレート液体冷却と呼ばれます。

ヒートパイプ、VC、3DVCなどの空冷技術と比較すると、コールドプレート液体冷却は、熱伝達、信頼性、電力密度などの点でより多くの利点があり、放熱効率が高く、放熱範囲の上限は1000Wを超えることができます。それだけでなく、空冷と比較すると、コールドプレート液冷の初期構築コストは現時点では高いものの、PUE は低くなります。完全な液体冷却により、空冷に比べて 90% 以上のエネルギーを節約でき、電気コストも低くなります。さらに、コールドプレート液体冷却では変換コストも低くなります。長期的には、コールドプレート液体冷却の方が長期的な経済的利益が大きくなります。

液体冷却は空冷に比べて大きな利点があるため、NVIDIA の最新世代 GPU B200 では、従来の空冷ソリューションに代わって液体冷却テクノロジーを採用しています。 Nvidiaの創設者兼CEOであるJensen Huang氏は、液体冷却技術が将来の開発トレンドとなり、冷却市場全体の変革をリードすると期待していると述べています。 B200 以降、今後のすべての Nvidia 製品には液体冷却技術が採用される予定です。この分野のリーダーであるNVIDIAの推進により、サーバーチップレベルの放熱分野でコールドプレート液体冷却がより広く使用されるようになると考えています。

AIビッグモデルの開発が加速するにつれ、AIサーバーの市場規模は拡大し続けており、サーバーチップの出荷量の大幅な増加は必然的に促進されるでしょう。 Precedenceの予測によると、世界のAIチップ市場規模は2026年に477億米ドルに達し、2024年から2026年までの年平均成長率は29.72%となる見込みです。アナリストは、AIサーバーとチップの市場規模が拡大し、チップの消費電力の増加により放熱要件が増加すると考えています。チップレベルの放熱市場規模の成長率は今後も増加し続けると予想されます。コールドプレート液体冷却は、サーバーチップレベルの放熱の将来の方向性であるため、高い市場成長が期待できます。

サーバー、キャビネット、コンピュータルームの冷却要件が同時に増大

データセンターの温度制御システムには、チップレベルの放熱に加えて、サーバーレベル、キャビネットレベル、コンピュータールームレベルの 3 つのレベルの放熱も含まれます。 4 つのレベルの放熱コンポーネントまたは機器が連携して動作し、相互に連携して、完全なデータ センターの温度制御システムを形成します。生成 AI によってコンピューティング能力に対する需要が継続的に高まるにつれ、サーバー、キャビネット、コンピューター ルーム レベルでの冷却に対する需要も同時に高まります。

図: データセンター温度制御システムのフレームワーク

画像出典: 国海証券調査レポート

サーバーレベルの冷却には、空冷と液冷も含まれます。サーバーレベルの空冷では、主にファン＋ヒートパイプ/VC/3D VCを組み合わせた冷却ソリューションを採用しています。その主な特徴は、シンプルさ、成熟度、および比較的低コストであることです。通常、電力密度が低いデータセンター環境で使用されます。しかし、サーバーの電力密度が増加し、エネルギー効率の要件が改善されるにつれて、空冷システムの限界が現れ始めます。これは、高電力密度環境では、空気の熱伝導率が熱を効率的に放散するのに十分でない場合があり、システム効率が低下し、運用コストが増加する可能性があるためです。

サーバーレベルの液体冷却は、コールドプレート液体冷却と浸漬液体冷却に分けられます。コールドプレート サーバーは、通常、空冷と液冷を組み合わせたものです。冷媒はコールドプレートを通過して約50%～80%の熱を取り除き、残りの熱は空冷によって取り除かれます。現時点では、コールドプレート液冷サーバーの平均価格は空冷サーバーよりも高いかもしれませんが、普及率が上がるにつれて、サーバーメーカーは数量と価格の両方の増加と収益性の向上を達成することが期待されます。 IDCのレポートによると、中国の液冷サーバー市場の約90％をコールドプレート型が占めている。

浸漬冷却は、サーバー全体またはそのコンポーネントを液体の冷却剤に直接浸す冷却方法です。浸漬液冷式サーバーは、シェルの設計、マザーボードの変更、冷却システムのアップグレード、シーリングなど、複数の変更が行われ、液体がサーバー コンポーネントを完全に取り囲み、より効率的に熱を吸収および放散します。長期的には、放熱効率、単一キャビネット電力、およびスペース利用の点で、浸漬型はコールドプレート型よりも大きな利点があります。

サーバーと同様に、キャビネット レベルの冷却には空冷と液冷も含まれます。このうち空冷キャビネットは、主にキャビネット内部のファン/ヒートパイプシステムを通じて熱を放散し、キャビネット内部に冷気と温気の循環を形成して、サーバーなどのICT機器の動作温度を下げます。コールドプレート液体冷却キャビネットシステムは、CDUなどの放熱設備を備えており、空冷+液体冷却の混合モードも採用しています。たとえば、NVIDIA の GB200 NVL72 液体冷却ラック システムでは、熱放散にコールド プレート液体冷却を使用します。コールドプレート液体冷却キャビネットに加えて、単相浸漬キャビネットと二相浸漬キャビネットもキャビネットレベルの液体冷却の重要な方向性です。

コンピュータ室レベルの放熱には、空冷式コンピュータ室と液冷式コンピュータ室が含まれます。このうち、空冷式コンピュータ室は、主に空調システムを利用してコンピュータ室内を冷却し、コンピュータ室の温度を下げます。液冷式コンピュータ室には、コールドプレート液冷式コンピュータ室と浸漬液冷式コンピュータ室も含まれます。コールドプレート液体冷却室の技術は現在より成熟していますが、浸漬液体冷却室はより高い市場性を示しています。 CCIDデータによると、液浸液冷却データセンター市場規模の複合年間成長率は2023年から2025年にかけて38%に達すると予想されており、コールドプレートタイプの26%を上回っています。

省エネ・炭素削減政策が液体冷却の推進を加速

中国エネルギーニュースによると、2022年の全国のデータセンターの電力消費量は2,700億キロワット時に達し、社会全体の電力消費量の約3％を占める。生成AIによって社会の計算能力が継続的に向上するにつれ、社会全体の電力消費量に占めるデータセンターの電力消費量の割合は増加し続けると予想されます。データセンターは、世界経済の発展において主要なエネルギー消費源となっています。エネルギーの節約と炭素の削減は差し迫っており、グリーンコンピューティングパワーの創出は将来のコンピューティングパワー開発における最優先事項です。

関連統計によると、2022年に私の国で使用されているデータセンターの平均PUEは1.52であり、かなりの数のデータセンターでは依然としてPUEが1.8を超え、さらには2.0を超えていました。政策要求によれば、全国で新設される大型・超大型データセンターの平均PUEは1.3以下に削減され、クラスター内のPUEは東部では1.25以下、西部では1.2以下に削減される必要がある。政策が徐々に実施されるにつれて、下流産業の液体冷却技術に対する認識が高まり、液体冷却の普及率は引き続き増加すると予想されます。

公開情報によると、従来の空冷技術には、密度が低い、放熱能力が低い、局所的なホットスポットが形成されやすい、機械的エネルギー消費量が高いなどの欠陥があります。比較すると、液体冷却では熱放散の媒体として液体を使用します。液体の体積比熱容量は空気の1000～3500倍、液体の対流熱伝達係数は空気の10～40倍であるため、同じ空間では、液体冷却の冷却能力は空気冷却よりもはるかに高くなります。

CCIDコンサルティングの統計によると、中国のデータセンターにおける主要機器のエネルギー消費量のうち、冷却電力消費量（約43％）はIT機器自体のエネルギー消費量（約45％）に次いで2位となっている。液体冷却技術を使用してほとんどの空調システム、ファン、その他の高エネルギー消費機器を置き換えると、20%～30% を超えるエネルギー節約を実現できます。さらに、冷却システム自体のエネルギー消費を削減することに加えて、液体冷却技術の使用はチップ温度をさらに下げることにも役立ちます。チップ温度が低いほど信頼性が高くなり、エネルギー消費も少なくなります。機械全体のエネルギー消費量は約5％削減されると予想されます。

一般的に、液体冷却技術は省エネ効果が高く、液体冷却データセンターの PUE を 1.2 未満に低減できるため、毎年の電気代を大幅に節約でき、データセンターの運用コストを大幅に削減できます。従来の空冷と比較して、液体冷却技術を適用すると初期投資はある程度増加しますが、運用コストを削減することで投資を回収できます。

液体冷却は省エネと炭素削減に明らかな利点があるため、2023年に中国の3大事業者が共同で発表した液体冷却技術白書では、2025年までにデータセンタープロジェクトの50％以上に液体冷却技術を適用し、統一された基準、完全なエコロジー、最適なコスト、大規模なアプリケーションを備えた高品質の開発パターンの形成を共同で推進することを提案しました。

Inspur Information の推定によると、2025 年までに液冷式データセンターの普及率は 20% を超えると予想されています。同社によると、基本的にすべての通信事業者と銀行が新設データセンターに液体冷却を導入する計画を立てており、実際の建設は2024年初頭に大量に開始される予定だという。

志宏、フロンダなどの高品質冷却メーカーが大きな勝者となることが期待される

AIとデジタル経済の急速な発展を背景に、わが国のサーバーとデータセンターの規模は近年拡大し続けており、関連する冷却製品の市場もますます大きくなり、多くの企業がこの分野に参入しています。しかし、サーバーやデータセンターの冷却分野で優れた実績を上げているのは、依然としてQihong Technology、Shuanghong Technology、Fronda、Vertiv Technology、Invkeなどの老舗の専門冷却メーカーであり、これらの企業が将来大きな勝者となることが期待されています。

Chih-Hung Technology: 台湾に本社を置く Chih-Hung Technology は、統合熱ソリューションを提供する世界有数の企業です。主な製品には、ラジエーター、ヒートシンク、ファン、3DVC、コールドプレート液体冷却などがあり、NVIDIA 向け冷却製品の主要サプライヤーの 1 つです。 Nvidia GB200 は初めて液体冷却を採用しており、これによりサプライチェーンにおける製品の平均販売価格が上昇することになります。 Qihong Technology が最大の受益者の一つになると予想されています。

Shuanghong Technology: Shuanghong Technology も世界をリードする冷却ソリューション プロバイダーです。同社の冷却製品およびソリューションは、民生用電子機器、PC、サーバーなどの分野で広く使用されています。サーバー冷却の分野では、双紅テクノロジーが2023年にコールドプレート液体冷却製品の量産に成功し、CDUも同年に小ロット出荷を完了した。双紅テクノロジーは、新世代のAI GPUの推進により、2024年第2四半期までにサーバー冷却分野における液体冷却の需要が空冷よりも高くなると考えています。

Feirongda: 中国深圳に拠点を置く Feirongda は、約 30 年にわたり、放熱と電磁シールドの分野に深く携わってきました。業界をリードする放熱および電磁シールドプロバイダーです。 2023年、同社の放熱製品は17.3億元の収益に貢献し、同社の総収益の40％を占めた。これまで、Feirongda の冷却製品とソリューションは、民生用電子機器、サーバー、AIPC、新エネルギーなどの分野で広く使用されてきました。顧客には、Huawei、Samsung、Apple、Honor、Xiaomi などが含まれます。サーバー冷却の分野では、Feirongda はチップレベル、サーバーレベル、キャビネットレベルなど、さまざまなタイプの液体冷却または空冷製品を提供できます。中でも、新たに開発された液体冷却モジュールは大手顧客から高い評価を得ています。これまで、Feirongdaは、Huawei、ZTE、Microsoft、Cisco、Inspur、H3C、Super Fusion、Shenzhou Kuntai、Facebook、Googleなど、サーバー分野で多数の顧客リソースを蓄積してきました。

上記の企業に加えて、Vertiv Technologies、Modine Manufacturing、Invair、Sugon Digital、Golan Technology も、サーバーまたはデータセンターの冷却分野における強力な競争相手です。

画像出典: エンタープライズ提出