AIデータセンターが液冷とコールドプレートの需要を促進するのはなぜか？

AIデータセンターはどのようにして液冷（Liquid Cooling）とコールドプレート（Cold Plate）の需要を促進するのか？

AIデータセンターでは、同じシステム内でGPUと高性能プロセッサの使用が増加しています。演算能力が増加すると、単位空間あたりに除去する必要がある熱量も増加します。高電力密度のラックでは、空気流量とファンの出力を増やすだけでは、効果的に放熱要件を満たすことがますます困難になっています。液冷（Liquid Cooling）は、冷却材を熱源に近づけることでこの問題を解決します。ダイレクト・ツー・チップ冷却（Direct-to-Chip Cooling）では、コールドプレートがGPU、CPU、または大きな発熱チップに直接配置されます。コールドプレート内を循環する冷却材が熱を受け取り、サーバーから熱を運び出します。したがって、AIデータセンターの発展は、新しい冷却システムへの需要を生み出すだけでなく、液冷コールドプレート（Liquid Cold Plate）のような部品への需要も開拓し、同時に精密加工技術、冷却材流路の作成、接合、製品の品質管理に対する新たな要件を提起しています。

なぜAIデータセンターはより困難な冷却課題を生み出すのか？

多くの従来のサーバーシステムが主にCPUに依存しているのとは異なり、AIインフラストラクチャは、AIモデルのトレーニングと運用を目的とした並列計算を実行するために、大量のGPUとアクセラレータを使用します。複数の高出力プロセッサが同じラックに統合されると、2つの要素が同時に増加します。演算密度が増加→ ラックあたりの電力が増加→ 発生する熱量が増加→ 処理すべき熱密度が増加。その一方で、ラックの物理的なサイズや空気の流れのためのスペースは、それに応じて増加させることはできません。これが、AIインフラストラクチャを設計する際に、冷却の問題がますます重要な要素となる理由です。引用：NVIDIAは、100%液冷を使用するラック構成のVera CPU Rackシステムを発表し、Vera Rubinプラットフォームもラックレベルでの液冷アーキテクチャで設計されています。
(*) NVIDIA（世界有数のGPUおよびAIコンピューティングプラットフォーム開発企業）は、次世代AIシステムに液冷をますます深く統合しています。

なぜファンと空気の流れを増やすだけでは不十分なのか？

空冷システムでは、GPUまたはCPUからの熱は通常、複数の段階を経て伝達されます。GPU / CPU→ 熱接触材料→ ヒートシンク→ 空気→ データセンターの冷却システム。熱量が増加すると、一つの対処法としてヒートシンクを通過する空気の量を増やすことが挙げられます。しかし、空気流量は無限に増やすことはできません。サーバーには、GPU、CPU、メモリ、電源、ネットワークコンポーネント、ヒートシンク、ファン、その他の部品を配置するための限られたスペースしかありません。部品の密度が増加すると、空気の流れの経路もより制限されます。より多くの熱を除去するには、ファンの流量と圧力を増やす必要があり、これは追加の電力消費とエアフロー設計の課題をより複雑にすることを意味します。したがって、高電力密度のAIラックにとって、問題はもはや単に「ファンを追加する」ことではなく、チップから熱をより効率的に除去する方法です。

液冷（Liquid Cooling）はAIサーバーの熱問題をどのように解決するのか？

液冷の重要な違いは、冷却媒体を熱源により近づけることです。ダイレクト・ツー・チップ液冷では：GPU / CPU / スイッチチップ↓コールドプレート↓冷却材↓マニホールド↓CDU – 冷却材分配ユニット↓外部放熱システムコールドプレート（冷却板）は、GPU、CPU、またはスイッチチップ（Switch Chip）などの大きな発熱部品に直接接触して配置されます。冷却材（Coolant）がコールドプレート内を循環し、チップからの熱を吸収し、その後、循環および放熱システムを通じて熱を外部に運び出します。空冷（Air Cooling）と比較して、ダイレクト・ツー・チップ液冷（Direct-to-Chip Liquid Cooling）は、冷却媒体を発熱源により近づけることができます。これにより、熱伝達プロセスは主に「チップ → ヒートシンク（放熱器） → 空気（Air）」を介して熱を伝達する代わりに、「チップ → コールドプレート → 冷却材（Coolant）」の方向で進行することができます。熱伝達経路を短縮し、液体を使用して熱を輸送することは、高電力密度のAIデータセンター（AI Data Center）において液冷がますます注目される理由の一つです。

コールドプレートとは何か？

コールドプレートは、発熱源に接触して配置される熱交換部品であり、内部には冷却材が循環して部品から熱を運び出すための流路があります。AIサーバーでは、コールドプレートはGPU、CPU、スイッチチップ、その他の高出力電子部品に使用できます。コールドプレートは単に熱伝導性が良いだけでなく、内部に液体が循環するため、製品は以下の多くの要件を満たす必要があります。

• 密閉性；
• 平坦度；
• 寸法精度；
• 冷却材流路；
• 動作条件への耐性；
• 製品間の安定性。

したがって、液冷の需要が増加するにつれて、コールドプレート製造技術に対する要件も増加します。

なぜAIデータセンターとともにコールドプレートの需要が増加するのか？

ラックあたりの処理すべき熱出力が増加

AIデータセンターは、同じシステム内に多くの高性能GPUを集中させています。ラックの総電力が増加すると、冷却システムはより大量の熱を収集し、輸送する必要があります。コールドプレートは、発熱チップと液冷システム間の最も重要なインターフェースの一つとなります。

より多くの部品が直接冷却を必要とする可能性

液冷は当初、GPUやCPUのような最も大きな発熱部品に焦点を当てていました。しかし、電力密度が引き続き増加するにつれて、冷却アーキテクチャは熱収集の範囲を拡大する傾向にあります。引用：NVIDIAは、Rubin世代が個々のチップに焦点を当てるだけでなく、コンピューティングおよびネットワークコンポーネントを含む100%液冷アーキテクチャを目指していると述べています。=> これは、AIデータセンターにおける熱管理のニーズが、チップレベルからサーバーおよびラックレベルへと拡大していることを示しています。

冷却流路はコールドプレート設計のますます重要な部分となる

コールドプレート内部では、冷却材は熱を除去する必要がある領域に分配される必要があります。したがって、コールドプレートの効率は材料だけでなく、設計にも関連します。

• 冷却流路の位置；
• 流路の形状；
• 流れの断面積；
• 熱交換面積；
• 冷却材の経路。

ここで精密CNC加工が重要な役割を果たすことができます。冷却流路は、カバーで密閉される前に、コールドプレートのベース部分に直接加工することができます。

コールドプレートはどのように製造されるのか？

構造と製造方法に応じて、プロセスは異なります。冷却流路を持つベースとカバープレートを使用するタイプのコールドプレートの場合、製造方法の一つとして以下が挙げられます。

1. ベースプレートの加工
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2. CNCによる冷却流路の作成
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3. カバープレートの準備
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4. カバーとベースの接合
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5. 必要に応じた仕上げ加工
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6. 製品検査

アルミニウム製ベースにカバーを接合するために使用できる技術の一つに、摩擦攪拌接合（Friction Stir Welding – FSW）があります。液冷コールドプレートの商用FSWアプリケーションでも、冷却流路を持つ本体とFSWで接合されたカバーからなる構造が使用されています。

摩擦攪拌接合（FSW）はコールドプレート製造においてどのような役割を果たすのか？

FSWは固相接合方法です。専用のツールが高速で回転し、接合部に接触して摩擦熱を発生させます。この領域の材料は軟化しますが、完全に溶融する必要はありません。ツールの動きにより材料が移動・攪拌され、接合部が形成されます。これは、アルミニウム製コールドプレートの注目すべき製造方向を生み出します：CNC加工による冷却流路の作成+カバープレートを密閉するためのFSW。ここで、CNCとFSWは異なるが相互補完的な2つの役割を担います。

• CNC加工：形状と冷却材流路の作成；
• FSW：ベースとカバー間の接合の作成。

したがって、コールドプレートは、熱管理部品が精密加工と接合技術の両方を組み合わせる必要がある典型的な例です。

なぜFSWはアルミニウム製コールドプレートに可能性を秘めているのか？

冷却材流路の密閉性

冷却材はコールドプレート内部の流路を通過します。したがって、カバーとベース間の接合部は、漏洩のリスクを制限するために管理される必要があります。FSWは、母材を完全に溶融させることなく接合を形成します。アルミニウムの場合、これが液冷コールドプレートや熱交換器のアプリケーションでこの技術が使用される理由の一つです。

変形と平坦度の制御

コールドプレートは冷却が必要な部品に接触する必要があります。したがって、機能表面の平坦度は、設計および製造プロセスにおいて考慮すべき要素です。製品に熱や力を加えるあらゆる工程は、部品の状態に影響を与える可能性があります。したがって、FSWは単に「溶接部を作成する」という問題だけでなく、以下を最適化する必要があります。

• ツールの回転速度；
• 送り速度；
• 作用力；
• ツールの深さ；
• 治具の固定方法；
• 溶接経路；
• 材料特性。

CNC加工との組み合わせ可能性

これは、コールドプレートを完成品として見た場合の重要な利点です。CNCは冷却設計に適した形状の流路を作成でき、その後FSWがカバーで流路部分を密閉します。これにより、精密加工 + FSWを組み合わせる能力を持つ企業は、単一の工程を提供するだけでなく、コールドプレートの生産チェーンにより深く関与することができます。

AIデータセンターから精密加工業界への機会

AIデータセンターの発展は、新たな需要の連鎖を生み出しています。AIワークロードの増加
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電力密度の増加
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放熱需要の増加
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液冷の発展
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コールドプレート需要の増加
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冷却流路の加工
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FSWのような接合技術
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仕上げ加工と検査これは、サーバーメーカーや冷却装置メーカーだけでなく、機会があることを示しています。以下の能力を持つ機械加工企業：

• 精密加工；
• アルミニウム加工；
• 冷却流路；
• FSW；
• 測定・検査；
• プロセスモニタリング（工程監視）

将来のAIシステム向け熱管理サプライチェーンの一部に参入することも可能です。

大野精工ベトナム：熱管理アプリケーションに向けたFSWの開発

AIデータセンターは、主に空冷システムから、液冷を組み合わせた、または使用するアーキテクチャへの移行を推進しています。その中で、コールドプレートは、冷却材をGPU、CPU、および大きな発熱源に近づけるための重要な部品の一つです。この変化は同時に、冷却流路の精密加工からカバープレートの接合、変形制御、生産プロセスの監視に至るまで、コールドプレート製造技術に対する新たな要件を開拓しています。CNC加工の基盤と摩擦攪拌接合（Friction Stir Welding – FSW）技術を活かし、大野精工ベトナムはコールドプレートのような熱管理（thermal management）製品に応用できる可能性のある能力を開発しています。特に、FSWとリアルタイムでの温度および主軸負荷監視を組み合わせるアプローチは、同社の溶接条件の研究と最適化プロセスにおいて注目すべき点です。大野精工ベトナムのFSW技術紹介資料をダウンロードして、原理、応用、実際の加工サンプルについて詳細をご覧ください。