データセンターの熱について

世界中のデータセンターが大量のエネルギーを消費していると聞いたことがあると思いますが、実際のところ、その通りです。数値はソース（およびデータセンター）によって異なりますが、データセンター当たりの消費としては、約100MWになります。この数値は、Energy Innovation（EI）レポート How Much Energy Do Data Centers Really Use? に基づいており、冒頭のグラフは、そのレポートから抜粋しています。このレポートでは、おおざっぱな見当として、電力の半分がデータセンター機器に供給され、残りの半分が建物に電力を供給してヒートアウトしていることを示しています。

私のお気に入りの例は、オレゴン州のザ・ダルズにあるGoogleデータセンターです。そこにかつてアルミニウム製錬所がありました。アルミニウムは、大量の電力を使用してボーキサイト（鉱石）から精製されます。そのため、製錬所は常に水力発電ダムなどの大量の電力源の近くにあります。Googleは、オレゴンの製錬所は閉鎖された後に利用可能な電力が多いその場所にデータセンターを構築しました。それは、コロンビア川にあるため、冷却用に無限の冷水源が提供されます。これは、私が知るシュンペーターの創造的破壊についての最良例の1つで、20世紀のアルミニウム製錬所が21世紀のハイパースケールデータセンターに置き換えられました。

グローバルデータセンターの電力の伸びは？

世界中でますます多くのデータセンターが構築されていることは誰もが知っているので、当然のことながら、データセンターによって消費される電力量は急速に増加しています。 全世界の電力供給がデータセンターに電力を供給することを示す投機的なグラフを見てきました。 EIレポートに記載されているように：

世界のインターネットユーザー数が増えるにつれ、データセンターサービスの需要も高まり、データセンターのエネルギー使用量の増加に対する懸念が生じています。2010年から2018年の間に、グローバルIPトラフィック（インターネットを通過するデータの量）は10倍以上に増加し、グローバルデータセンターのストレージ容量は並行して25倍に増加しました。同じ期間に、世界中のサーバーで実行されているコンピューティングインスタンス数（ホストされたアプリケーション総数）は、6倍以上に増加しました。

しかし、これらの懸念は、半導体, EDA, ムーアの法則、およびチップの電力がどんどん低くなっていることを知らない人々によって表明されたことがわかりました。世界中のデータセンターで消費される総電力は、200TWh /年程度で、10年前と大差ありません。再びEIレポートから（右の棒グラフ）：

ただし、ボトムアップの観点からの新しい結果は、過去10年間で情報サービスの需要が急速に増加したにもかかわらず、世界のデータセンターのエネルギー使用量は2010年から2018年の間にわずか6％増加した可能性があることを示しています。

2018年に世界のデータセンターが、約205テラワット時（TWh）、つまり世界の電力使用量の1％を消費した可能性があるという発見は、過去10年間で急速に増加しているデータセンターのエネルギー使用量を示した以前の外挿ベースの推定とは、まったく対照的です。

ある意味で、これは非常に注目に値します。2010年から2018年（入手可能な最新の数値）の期間中、半導体プロセス技術はいくつかのノードを通過しました。2010年には、28nmはまだ導入されていなかったことを忘れないでください。2018年までには7nmになり、各ノードの電力は約30％削減されます。これは、2018年の同じ機能を2010年の電力の約15％で提供できることを意味します。これは、インターネットトラフィック、データセンター、クラウドコンピューティングで爆発的な成長を遂げることができたが、世界の電力の約1％しか使用していない1つの見方です。

電力の測定

2010年と今日の間でのもう1つの変更点は、チップを設計するときに電力を測定するための優れたツールがあることです。2010年当時は、チップ設計者、サーバー設計者、およびデータセンター全体の設計者が、ほぼ同じことを行っていました。これは、チップが熱メルトダウンするか、ラック全体が過熱する非常に悲観的な設計になる傾向がありました。

もちろん、これは「ジャックが建てた家」に少し似た階層性問題です。データセンターは、ラックの列と列で構成されています。各ラックには通常、ある種のルーターを含む多数のサーバーが含まれています。サーバーは、そのサイズと形状から 「ピザボックス」と呼ばれることがあります。その内部には、サラミの代わりにプロセッサ、GPU、や他のチップがあります。これらは、全て熱源です。したがって、ラック（およびデータセンター全体）の電力を推定する精度を向上させるアプローチは、各チップによって消費される電力を正確に計算することから始まります。

VoltusとCelsius

ケイデンスポートフォリオの熱解析向け主要ツールは、VoltusとCelsiusになります。このことについて深く掘り下げたい場合は、私の投稿 Celsius and Voltus: 2+2=5 を参照してください。Voltusは、主にチップ内のあらゆる場所のIRドロップを計算することですが、Voltus Thermal Models（VTM）も生成します。VTMには、ダイ上の材料特性、金属密度（金属は電気だけでなく熱も伝導するため）、静的および過渡電力情報、および温度依存電力が含まれています。

しかし、それは出発点にすぎません。チップは、ICパッケージ内に搭載され、ICパッケージは、基板に実装されます。そのため、ICパッケージや基板は、信号を伝導するだけでなく、熱も伝導するため、チップからの熱の一部が拡散します。また、ヒートシンク、ヒートパイプ、ファンなど、他にも熱的に重要なオブジェクトがあります。そこでCelsiusが登場します。Celsiusの詳細については、私の投稿 Celsius: Thermal and Electrical Analysis Together at Last と Under the Hood of Clarity and Celsius Solvers を参照してください。 Celsiusは、実際には2つの異なる基礎のソルバーで構成されています。 1つは、基板を介した熱伝導と、オプションで放射熱を処理するための有限要素法（FEM）です。もう1つは、計算流体力学（CFD）に基づいており、流体や気流だけでなく、いわゆる水冷に関係する流体すべてを処理します。

VoltusとCelsiusを使用すると、1つのピザボックスを非常に正確に解析できます。ラック全体やデータセンターをまとめて解析することができます。 もちろん、この解析は、ファン、バッフル、ヒートシンクなどのオブジェクトを配置する場所を検証するためにも使用されます。

Cadenceは、Cadence LIVEで この種の「ピザボックス」解析例を示しました。これについては、Thermal Analysis of Protium X1 の投稿で取り上げました。その投稿での解析画像は、次のとおりです。

ご存じの通り、Protium X1はProtium X2に置き換わっています。Palladium Z2の場合でも、同じ熱解析アプローチを使用しています。これらは両方ともデータセンターにインストールすることを目的としたラックマウントシステムです。Protium X2とPalladium Z2の詳細については、私の投稿 Dynamic Duo 2: The Sequel を参照してください。ケイデンスは、実際のサーバーを設計していません。他すべてのサーバーと同じように購入しますが、PalladiumとProtiumは、冷却の調整が必要なローカルレベルと、全負荷がかかったときにHVAC(空調システム)が建物から排出する熱量のシステム放散を測定するグローバルレベルの両方で同様の課題に直面しています。

より詳しい情報の参照

Voltusについてはこちらをご参照ください :  Voltus Power Integrity Solution Product Page

Celsiusについてはこちらをご参照ください : Celsius Thermal Solver product page

PCB解析／ICパッケージ解析ブログについて最新記事公開の通知を希望される場合は、PCB解析／ICパッケージ解析 Blogsカテゴリのページを開き、画面左上のSubscriptionsよりブログの購読登録(無料)をお願いします。

登録方法は、こちら よりご確認ください。

この記事に関するお問合せは、cdsj_info@cadence.com までお願いいたします。

Author: Paul McLellan 

Translator: Takuya Moriya

このブログの英語版は こちら より