回路保護 – サーバー熱管理

古いものが再び新しくなる

コンピューティングの性質は、登場以来大きく変化してきました。当初、適切な処理能力を備えたコンピューターは高価でかさばっていたため、複数のユーザーが端末を使用して1台のコンピューターを操作し、共有していました。コンピュータ技術が進歩するにつれて、ユーザーマシン (家庭用PCなど) は、モデリング、シミュレーション、開発などのタスクを含むほとんどのアプリケーションを実行できるほど強力になりました。その結果、大型メインフレーム コンピュータは日常的なアプリケーションにおいて重要性が低下しました。

インターネットの導入により、ウェブサイトとユーザーが急増し、膨大な量のトラフィックと接続を処理できる専用のコンピューターが求められるようになりました。この時点でサーバー ファームが誕生しましたが、当時でもこれらのファームはWebホスティング専用でした。モノのインターネットと機械学習の台頭により、サーバー ファームの用途が拡大し、信じられないかもしれませんが、大型メインフレーム マシンが再び重要になってきました。

ホットな話題

感覚読み取りや基本的なタスクを実行できる小型デバイスには、通常、人工知能や機械学習アルゴリズムを実行する処理能力がないため、このようなシナリオでは、データをクラウドに送信して処理することができます。ただし、クラウド コンピューティングはIoTデバイスだけに限定されるものではなく、かつてはローカル マシンで実行されていた多くのアプリケーションがサーバー側で実行されるようになり始めています (Googleドキュメントなど)。サーバー側のブラウザベースのアプリケーションを使用すると、より広範囲のデバイスで同じサービスを使用できるようになりますが、サーバー要件が高くなります。

サーバーに対する需要が高まると、より多くの処理能力が必要になり、その結果、通常はより多くの熱が発生します。サーバーの稼働時間は収益につながるため、サーバーのダウンタイムが発生しないことが重要です。そのため、熱監視による回路保護は業界で大きな懸念事項となっています。

サーバーを冷却する方法の1つは、アイスランドのような寒い国を利用することです。アイスランドでは、外気は十分に冷たいため、エアコンにお金をかけずにサーバーを冷却できます。これは単純なアプリケーション (Webサイトやファイルのホスティングなど) には実用的ですが、他のアプリケーション、特に低遅延のデータ処理を伴うアプリケーションには実用的ではありません。たとえば、金融会社には、サーバーと株式市場間の低遅延を必要とするサーバーがあるかもしれませんが、アイスランドのサーバー ファームは、株式市場から近いサーバー ファームよりもはるかに遅くなります (株式市場では、利益は数ミリ秒で決まります)。

したがって、顧客や情報リソースの近くに配置する必要があるサーバーは、サーバー自体を保護するだけでなく、運用コストを削減するためにも、複雑な熱管理ソリューションを採用する必要があります。

熱管理の重要性を理解する

熱管理は多次元の問題であるため、さまざまな角度から問題が発生する可能性があります。まず、最も明白なことは、熱によって電子機器が破壊されたり、劣化したりする可能性があるということです。集積回路、コンポーネント、さらには回路基板には定格温度範囲が定められており、設計者はこの範囲を超えないようにすることが重要です。熱管理が不十分だと、熱スロットリングを実行するコンポーネントのパフォーマンスが低下する可能性もあります (最近のCPUの多くはこれを実行します)。デバイスが過熱していることを検出すると、発生する熱を減らすためにクロック速度を下げて（したがって処理するデータ量を減らして）デバイスもあれば、突然シャットダウンするデバイスもあります。

熱管理は温度範囲だけの問題ではなく、熱サイクルも考慮することが非常に重要です。温度範囲内に保たれているPCBでも、PCBが広範囲の熱サイクル (非常に低い温度から非常に高い温度、再び非常に低い温度になるなど) を何度も経験すると、熱活動によって損傷を受ける可能性があります。PCBの温度が上昇すると、熱膨張により基板が反ることがあります。この影響は旧式のスルーホール ボードではほとんど目立ちませんが、BGA ICを使用するボードでは特に影響を受けやすくなります。したがって、処理負荷に関係なく、PCBを一定の温度に保つことをお勧めします。

熱管理ソリューションの現状

通常、熱領域における回路保護は、実際の回路ではなく、コンポーネントの配置と製品の設置に関係します (ただし、ここでは、サーマル ヒューズなどの一部のコンポーネントが熱保護のために存在していることは明白であることを述べる価値があります)。サーバーのPCBと周辺機器を設計する場合、ユニットをどのように冷却するか、その冷却がボード全体にどのような影響を与えるかを判断することが重要です。

たとえば、空冷式のボードでは、空気がボード上を流れるときにボードが熱くなり、その結果、ラインのさらに下にあるコンポーネントを冷却する空気の能力が低下するという事実を考慮する必要があります。このように空気を使用すると、熱勾配が発生し、PCBが変形してコンポーネントの接続が損傷する可能性があります。問題のPCBが空冷には大きすぎる場合 (熱勾配が大きすぎる場合)、液体冷却を検討できますが、これにはコストと複雑さの大幅な増加が伴います。液体冷却のもう1つの欠点は、パイプ接続の障害により回路が損傷する可能性があることです (建物の水などの導電性液体が使用されている場合)。

熱管理におけるAIソリューション

サーバーから熱を積極的に除去することはサーバーの動作にとって重要ですが、現代の電子機器では、はるかに複雑な熱管理ソリューションが可能になります。産業用IoTはまだ初期段階ですが、機械や設備を監視することでパフォーマンスを向上させるだけでなく、潜在的な損傷から保護する方法がすでに実証されています。温度を監視する小型のエッジコンピューティングIoTセンサーを備えたサーバー ファームを使用すると、どのサーバー ラックが過熱による損傷のリスクがあるかを監視するだけでなく、熱の問題が発生するサーバー ラックを予測することもできます。IoTセンサーのネットワークから得られるデータは、サーバーの負荷をより効率的にすることにも役立ちます。これにより、1つのサーバー ラックのワークロードを、アイドル状態 (つまり冷却状態) にある可能性のある他のサーバー ラックに送信できるようになります。

エネルギーハーベスティングソリューションの探求

よりエネルギー効率の高いデバイスの必要性が高まる中、熱管理の将来はエネルギー収集モジュールの形をとることになるかもしれません。サーバーは大きな熱源であり、十分に大きな熱勾配と組み合わせると潜在的なエネルギー源になる可能性があります。廃熱を利用して発電する方法の一例は、ペルチェ冷却器の使用です。ペルチェ冷却器に適切な温度差を加えると、電気が生成されます。ペルチェ冷却器の冷却側に冷気を当て、加熱側を発熱部品に直接取り付けると、発生した電気をシステムに送り返すことができ、適用された操作の全体的な効率が向上します。

エネルギー収集のもう1つの例としては、スターリング エンジンの使用が挙げられます。スターリング エンジンは、温度勾配を利用してピストンを動かし、そのピストンを利用して電気を生成したり、高温の部品から熱を取り除く流体ポンプを作動させたりすることができます。このようなシステムから生成されるエネルギーはサーバーに投入されるエネルギーを超えることはありませんが、全体的なエネルギー消費を削減するのに役立ちます。

結論

サーバーにおける熱管理は、今ほど重要になったことはありません。現在、多くのサービスがクラウドベースのコンピューティングに移行しており、まもなく世界中のIoTデバイスが220億台を超えると予想されているため、サーバーの需要は引き続き増加します。熱特性を注意深く監視することでダウンタイムを削減でき、人工知能などの最新ソリューションを熱管理システムに統合することが、この分野における次のステップとなる可能性が高いと思われます。