世界の人工知能コンピューティング能力の急速な成長と、チップの熱設計消費電力（TDP）の継続的な上昇により、データ センター 冷却需要は前例のない課題に直面しています。同時に、世界中で省エネ減炭素政策がますます厳しくなる中、冷却技術の革新が一層促進されています。この背景の下、従来の空冷ソリューションは効率的な放熱と省エネという二重の要求を満たすことが徐々に困難になり、液体冷却技術はその優れた放熱性能と顕著な省エネメリットにより急速に台頭し、データセンター冷却ソリューションの主流選択肢となりつつあります。
サーバーはデータ処理とストレージの中核機器であり、その性能と安定性はシステム全体の運用効率に直接関わります。マザーボード、CPU、メモリ、ハードディスク、グラフィックカードなどのサーバーのコアコンポーネントは、長時間の高負荷運転で大量の熱を発生します。この熱をタイムリーかつ効果的に放散できない場合、サーバーの性能と寿命に深刻な影響を及ぼします。そのため、先進的な液体冷却システムがサーバーの放熱ソリューションに導入され、CPU や GPU などの主要な熱源に直接取り付けられることで、放熱効率が大幅に向上しています。
液冷システムの核心部品の一つは水冷ブロックで、通常は高い熱伝導性を持つ銅またはアルミニウム材料で製造され、精密な水路と放熱フィンの構造が設計されています。これらの水冷ブロックは CPU、GPU などの熱源表面に密着し、内部を流通する冷却水によって速やかに熱を吸収し、移動させます。その後、熱は放熱フィンに送られ、液冷システムの循環を通じて、最終的に周囲の空気中に放散されます。
図1: 主流チップメーカーのチップ熱消費電力の傾向
1－一般的な水冷ブロックの種類と特徴
マイクロチャネル水冷ブロック
特徴：マイクロチャネル水冷ブロックは精密な微小水路設計を採用しており、水路構造が緻密かつ複雑です。これにより、冷却液と発熱部品の接触面積を大幅に増加させ、放熱効率を大幅に向上させることができます。また、微小水路設計は冷却液の流動過程で強い乱流効果を生み出し、対流伝熱係数をさらに高め、高効率な熱移動を実現します。
応用シーン：特に高発熱の CPU や GPU に適しており、とりわけハイパフォーマンスコンピューティング、オーバークロック、データセンターなど放熱要求が極めて高いシーンにおいて優れた性能を発揮します。
Walmate-マイクロチャネル水冷ブロック
大流量水冷ブロック
特徴：大流量水冷ブロックの内部構造は比較的簡単で、通常は銅板またはエッチングされた溝構造を採用しており、製造コストが低いです。その核心的なメリットは、高速の水流によって速やかに熱を奪うことにあり、大流量の水冷システムと組み合わせて使用するのに適しています。構造が簡単ですが、高効率な放熱能力により、非常にコストパフォーマンスの高い選択肢となっています。
応用シーン：放熱効率に一定の要求があるものの予算に制約がある場面に適しており、例えば中高級の DIY パソコンシステムや中小規模のサーバークラスターなどが該当します。
噴射型水冷ブロック
特徴：噴射型水冷ブロックは整流板を通じて冷却液を狭小なノズルから微細水路の底板に高速で噴射し、強い乱流効果を形成することで、放熱効率を大幅に向上させます。この設計は冷却液とベースの接触面積を増加させるだけでなく、高速流動を通じて熱交換性能をさらに最適化します。
応用シーン：高性能の CPU や GPU に適しており、特に高い放熱要求と大流量のシーンで優れた性能を発揮します。例えばオーバークロック計算、人工知能トレーニング、グラフィックスレンダリングなどの分野が該当します。
2－水冷ブロックの一般的な構造
水冷ブロックは内部に水路が設けられた金属ブロックで、通常は銅またはアルミニウムで製造され、CPU、グラフィックカードまたはその他の発熱部品と接触します。その構造設計は放熱性能の良し悪しを直接的に左右し、典型的な水冷ブロックは通常以下のいくつかの重要な部分で構成されています：
①ベース：通常は銅やアルミニウム合金などの高熱伝導性材料で製造され、表面は精密加工が施されており、発熱部品との密着を確保します。ベース内部には複雑な流路設計が施されており、冷却液とベースの接触面積を増やすようになっています。
②カバー：ベースと共に流路の密閉空間を形成し、水冷ブロック内部の流路やシールなどの部品を保護し、ほこり、異物や外部からの物理的な損傷を防ぎます。
③入出水栓：入出水栓は冷却液が水冷ブロックに出入りするためのインターフェースです。通常は水冷ブロックの側面または上部に設計されており、冷却液がスムーズに流入・流出できるよう確保する必要があります。その位置設計には流体の流動経路を考慮する必要があり、流動抵抗を減らし、冷却液の流速を高めるようにします。
④固定具：固定具は水冷ブロックを CPU やその他の発熱部品にしっかり固定するもので、密着を確保し、高効率な熱伝導を実現します。
図2: 水冷ブロックの典型的な構造
3－放熱性能の総合的な最適化
①流路設計の最適化
流路接触面積の増加：より狭く、密集した流路を設計することで、冷却液とベースの接触面積を大幅に増やし、それによって対流伝熱係数を向上させることができます。例えば、微細水路設計はその緻密な水路構造を通じて、マイクロチャネル水冷ブロックの設計パラメータ（流路幅、高さ、間隔など）が放熱効率に決定的な影響を及ぼします。流路幅が小さくなるにつれ、伝熱係数は大幅に増加します。これは狭い流路内で冷却液の流動による乱流効果が強まるためで、それによって熱交換効率が向上します。比較的高い流路高さは冷却液の流動空間を増やすのに役立ち、それによって伝熱性能が向上します。小さい流路間隔は冷却液と熱源の接触面積を増やすことができ、それによって放熱効率が高まります。
また、流路配置の最適化と流路の曲がり部の減少によっても最適化を図ることができます。合理的な流路配置は冷却液が発熱部品の表面を均一に覆うことを確保し、局所的な温度差を減らすことができます。一方、流路内の曲がり部は水頭損失と内部流動抵抗を増加させ、それによって冷却効率が低下します。設計においては曲がり部の数をできるだけ減らすべきで、避けられない場合は曲がり部を滑らかな移行に設計し、圧力損失を低減して流動性能を最適化する必要があります。
②高熱伝導性材料：水冷ブロックのベースは通常、純銅やアルミニウム合金などの高熱伝導性材料が採用されており、これらの材料は熱源から冷却液へ効率的に熱を伝導することができ、それによって全体的な放熱性能を向上させます。
③構造パラメータの最適化、例えば：ベース基板の厚さ、フィン、乱流構造など。基板の厚さが増すと最高温度の上昇を招くため、設計においては放熱効果と構造強度の間で最適なバランスを見つける必要があります。フィンの高さ、厚さ、間隔を増やすことで放熱性能を向上させることができますが、同時に流動抵抗も増加するため、最適なフィン設計の組み合わせを見つけることで、放熱性能の最大化を実現します。また、乱流柱の形状は乱流効果を効果的に強化し、熱交換効率を向上させることができます。
サーバーの放熱/冷却に関する戦略については、次の記事をお読みください：https://www.walmate.com/JP/blog/blog2/id-12828.html