データセンター/ サーバ室技術ガイドブック【特集】②

【第2部:コンテンツの一例 冷却編その1】

今回はコンテンツの一部ダイジェストとして、冷却編その1を掲載します。第1部はこちらからご覧ください。

都市伝説「サーバは冷やす」

サーバは冷やさないといけないという認識をお持ちの人も多いと思います。しかし、実際には冷蔵庫のように「冷やす」のではなく、ICT機器で発生した発熱を空気(風量)により「熱を抜く」といった処理が正しい理解です。それを「冷却」と言います。

ICT機器発熱に対する風量の計算式は以下のようになります。

F = Q/(Cp× ρ×ΔT×1/(60×60))

F :風量[㎥/h]
Q :発熱量[W]
Cp:比熱[J/(kg·K)]
ρ :密度[kg/㎥]
⊿T:温度差[℃](「サーバの排気温度」-「サーバの吸気温度」)

送風によるICからの抜熱イメージ – JDCC

※ 例えば吸排気温度差(ΔT : 「デルタティー」と読みます)が10℃の場合、ICT機器の消費電⼒1kWの発熱に対し、1時間当たり約300㎥の風量を吸気することで適切な冷却が⾏える計算となります。

必要風量(㎥/s)=1,000(W)/(1.205(kg/㎥)x1,006(J/kg・K)x10(℃)))=0.0825(㎥/s)≒300(㎥/h)
・密度ρ︓1.205 kg/㎥(20℃時)
・⽐熱Cp︓1,006 J/kg・K(1J=1W・s)
・ΔT︓(「サーバの排気温度」-「サーバの吸い込み温度」)※ 通常、サーバのΔTは10〜15℃程度

空冷方式の適用範囲

現在のデータセンターで主に利用されている空調方式には、近年の電力密度の上昇に合わせ、より効率的な冷却を行えるよう様々なアプローチが出てきています。基本的な 床吹出し方式 から局所空調方式に至るまで、それぞれ異なる冷却能力や特徴を持っています。施設の電力密度や環境に応じて適切な方式を選択します。

床吹出し方式では、ラック当たりおおよそ5kWまでの環境に対応します。ラック当たり5kWを超えると、ICT機器に対しより効率的に送風を呼び込む必要が出てきます。そこでICT機器が吸気する側(コールドアイル)と排気側(ホットアイル)を分ける「アイル分離」という設計を行うことで、より効率的な冷却が行えます。

空冷方式の適用範囲 – JDCC

アイル分離の考えを押し進めた アイルコンテイメント 方式は、単にラック列(アイル)を分けるだけではなく、それを物理的な壁などで区画分離することで、無駄な空気の漏れを防ぎ、冷却効率をより高めます。アイルコンテイメント方式には、ホットアイル側を封じ込める「 ホットアイルコンテイメント 」、コールドアイル側を封じ込める「 コールドアイルコンテイメント 」があります。

アイルコンテイメント方式による冷却は一般的にラック当たりおおよそ15kWが限界といわれており、それ以上の高密度実装環境になると、より冷却する範囲を狭める局所空調方式が必要になってきます。

局所空調方式にも様々なアプローチがあり、それぞれ冷却能力は異なります。ラック架列に空調装置を配置する架列配置局所空調方式( In-Row冷却 )、ラック上部にファンを設置する方式、あるいはラック背面ドア自体を空調装置とする リアドア冷却 方式など様々です。これらはラック当たり10kW以上の高電力密度環境に適用されます。

サーバラックの基本仕様

サーバラックは、サーバ等のICT機器を適切に稼働させるために機能面や運用面を考慮して選択し設置する必要があります。以下にそのサーバラックの基本仕様の一例をあげます。

  1. 前面、背面扉の適正な開口率の確保
    • ICT機器などの吸排気を考慮し、前面、背面扉のパンチング開口率は、単位面積当り70%以上を推奨
  2. 奥行き寸法の選択
    • 電源・配線の煩雑化を防止するためにコンセントバーおよび配線スペースも考慮した奥行寸法のサーバラックを選択
  3. 安全確保
    • 地震発生時における人の安全確保が重要であることから、フロアへの固定ができ、耐震性能が明確にされた ラック を使用する。耐震評価基準としては、兵庫県南部地震波、 NEBS規格にて評価されている。
  4. 情報セキュリティ対策
    • 必要レベルに応じ、ラック扉に施錠
      • キー付ハンドル
      • ダイヤル錠ハンドル
      • 電気錠による管理
サーバラックの選定 – JDCC

【おまけ】データセンター周りで使われる用語について

データセンター周りで使われる用語は、各業界、団体、メーカーなど人それぞれで様々な表現がなされます。 プロジェクトなどでの各担当者同士でのコミュニケーションの際には誤解を生まないよう気を付けるようにしましょう。

共通言語(用語の統一、商標)

  • エアフロー:対流 / 空流 / 気流 / 熱流体
  • 開口パネル:ガラリパネル / 吹出口 / フロアパネル / 通気用フロアグリル
  • アイルキャッピング (※NTTファシリティーズ社) / コンテインメント、などなど

立場の違いで異なる意味合い

  • 給気(空調)、吸気(ICT機器)
  • 負荷率 (ファシリティ) vs 使用効率(IT)
  • PDU  ※以下で解説

PDU

例えば「 PDU 」という用語は、担当者の立場によって意味合いが異なる典型的な例です。

A. 電気設備関係者:分電盤
UPS から供給される電源を分岐するための分電盤で、近年大型データセンターで用いられる400V出力の電圧を、200Vまたは100Vに降圧する変圧器を搭載することが多い。200V出力を100Vに降圧するものもある。
B. IT関係者:ICT機器に配電するための機器
最近でコンセント口単位での電流値などが監視できるような インテリジェントPDU などもある。
電気設備のPDU(分電盤)からサーバに配電する間に、サーバラック内に設置されるコンセントバーなどを指すことが多い。ブレーカを装備するものもある。
C. PDF【PowerDistribution Frame】
UPS出力分岐盤から直接にサーバラック列ごとの分電盤に給電され、変圧器も内蔵されていることも少なくない。これをPDUと呼ぶデータセンターもある。

サーバラックのインテリジェントPDU – DC ASIA

2019年6月10日の JDCC総会に併せ、JDCC10周年記念出版

【総監修】

JDCC運営委員長/GUTP 代表
東京大学大学院 教授 江崎 浩

【監修】

JDCC運営委員(サーバ室技術ガイドブックWG リーダ)
尾西 弘之
株式会社大谷技術士事務所 大谷 淳一

次回はデータセンター、サーバ室内のエアフローについてのコンテンツを掲載しますので、引き続きお楽しみください。

詳しくは、「データセンター サーバ室技術ガイドブック」をご覧ください。


JDCC/GUTP共同ワーキンググループ / サーバ室技術ガイドブックWG

補足解説記載:DC ASIA