マイクロソフト、データセンター冷却の環境影響を「ゆりかごから墓場まで」で定量化する新しい研究を発表

※本ブログは、米国で公開された “Microsoft quantifies environmental impacts of datacenter cooling from ‘cradle to grave’ in new Nature study” の抄訳を基に掲載しています。

キャサリン・ボルガー（Catherine Bolgar）

マイクロソフトの研究者たちは、データセンターの冷却技術がライフサイクル全体でどれだけのエネルギーと水を消費し、温室効果ガスを排出するかを初めて定量化した論文を『Nature』に発表しました。

このライフサイクル評価は、データセンターの運用中に消費される資源だけでなく、仮想マシン、チップ、サーバー、冷却装置などの製造に必要な資源の抽出、製造、輸送、最終的な廃棄までを評価します。このデータは、企業がデータセンターを設計する際に、炭素、エネルギー、水の使用を減らすための設計を行う上で役立ちます。

「多くの人々は、データセンターが建設された後にライフサイクル評価を行います」と、マイクロソフトのクラウドオペレーションとイノベーションのシステム技術ディレクターであり、ライフサイクル評価研究のリーダーであるフサム・アリッサは述べています。「私たちが将来を見越した設計決定を行う際には、総所有コスト、性能、持続可能性などの要素を考慮します。この論文では、ライフサイクル評価ツールを早期のエンジニアリング決定プロセスに導入することを提唱し、業界がこれを採用しやすくするためのツールを紹介しています。」

マイクロソフトは、データセンターの炭素、水、エネルギーの影響を考慮したライフサイクル評価の結果を、新しいデータセンター設計とクラウド運用に反映させ、より広範な持続可能性目標を達成するために使用する予定です。

例えば、空冷からデータセンターチップをより直接的に冷却する冷却プレートに切り替えることで、温室効果ガス排出量とエネルギー需要を約 15％、水消費量を30〜50％削減できることが研究で示されています。これには冷却に使用される水だけでなく、発電や部品製造に使用される水も含まれます。

これらの結果は設計基準に敏感であり、使用される仮定によって変わる可能性があります。詳細な数値については、Natureに発表した論文の表4を参照してください。 — これらの結果は設計基準に敏感であり、使用される仮定によって変わる可能性があります。詳細な数値については、Nature に発表した論文の表4 を参照してください。

これほどの詳細な分析は稀であり、分析を完了するのにチームは 2 年以上を費やしました。そのため、マイクロソフトは業界の他の人々が独自のライフサイクル評価を行えるように、オープンリサーチリポジトリを通じて方法論を公開しています。また、研究者たちは、Open Compute Project (OCP) Global Summit で予備結果を発表し、業界がハードウェア設計とベストプラクティスを共有する場を提供しました。この研究は、クラウドプロバイダー向けの統一されたライフサイクル評価方法とツールの構築に向けたマイクロソフトの継続的な取り組みの一環です。

この論文は、クラウド運用における冷却のライフサイクル評価を構築する方法を詳細に説明する初めてのものであり、ソフトウェア、チップ、サーバー、建物、エネルギーグリッドを考慮しています。また、環境負担の比較を行うための新しいアプローチを導入しています。オープンリサーチリポジトリを通じて、業界の誰もが独自のデータとシナリオを入力してライフサイクル評価を行うことができます。

「私たちの意図は、『これが正しい技術です』と言うことではありません。すべての技術が正しい可能性があります。状況によって技術を選択する理由が異なるのです」とアリッサは述べています。「ここで私たちが試みているのは、業界に対して、『冷却を考慮したエンドツーエンドのライフサイクル評価を構築する方法はこちらです。そして、あなたの特定のニーズに合わせてカスタマイズできるツールを提供します』と言うことです。」

Nature に発表した論文では、一般的なコンピューティング用のチップ (CPU) の冷却を対象としており、AI ワークロードを処理するために設計された特殊なチップは含まれていません。チームはAIチップのライフサイクル影響を知るためのフォローアップ調査を行っており、先進的な冷却方法で同様の改善が見られることを期待しています。

もちろん、データセンターの運用は地域のエネルギーグリッドなどの外部要因に依存します。Nature に発表した論文では、典型的なエネルギーグリッドから 100％再生可能エネルギー源に切り替えることで、冷却技術に関係なく温室効果ガス排出量を 85〜90％削減できることも定量化して示しています。

マイクロソフトは、エネルギー負荷を 100％再生可能エネルギーに置き換えることを目指しています。地域のグリッドで完全な再生可能エネルギーが利用できない場合、他の場所で利用可能な再生可能エネルギーを同等量購入しています。

4 種類の冷却技術

この研究では、チームは2年以上をかけて、空冷、冷却プレート、単相浸漬冷却、二相浸漬冷却の 4 つの冷却技術を研究しました。

空冷はデータセンターの冷却に用いられる標準的な方法ですが、業界では最近、液体を利用した冷却技術を探求しています。液体は空気よりも直接的かつ効率的に熱を分散させることができます。

冷却プレートは、サーバーラックのチップの上に直接置かれる平らな容器に冷却液を循環させるタイプの直接チップ冷却です。

単相浸漬冷却は、冷却液が循環するタンク内でサーバーを操作する方法です。二相浸漬冷却では、低温で沸騰する液体で満たされたタンク内にサーバーラックがあり、蒸気が上昇して凝縮し、冷却されてタンクに戻ります。

研究では、冷却プレートと 2 つの浸漬冷却技術がライフサイクル全体で温室効果ガス排出量を 15〜21％、エネルギー需要を 15〜20％、水消費量を 31〜52％削減することが示されました。

チームは、液体冷却方法が炭素排出量、水消費量、エネルギー消費量の面で空冷を上回ることを期待していましたが、これらの利点はこれまでライフサイクル全体で定量化されていませんでした。

二相浸漬冷却はすべての面で削減の可能性がありますが、現在は欧州連合と米国で規制の対象となっている液体ポリフルオロアルキル物質 (PFAS) を使用しており、汚染削減目標と矛盾しているため、将来的に利用できなくなる可能性があります。マイクロソフトは浸漬冷却技術を調査しましたが、現在はデータセンター運用で使用していません。

「ここで私たちが試みているのは、業界に対して、『冷却を考慮したエンドツーエンドのライフサイクル評価を構築する方法はこちらです。そして、あなたの特定のニーズに合わせてカスタマイズできるツールを提供します』と言うことです。」

マイクロソフトはすでにデータセンターに冷却プレートを設置しており、次世代の冷却技術も探求しています。例えば、マイクロソフトは最新の GPU を搭載したAIインフラストラクチャサーバーと並行して、熱交換ユニット (「サイドキック」) を使用したラックスケールの冷却プレート冷却技術を展開し始めています。

「冷却プレートが 2 つの浸漬冷却方法と同じくらい優れていることが興味深かったです」と、マイクロソフトのクラウドオペレーションとイノベーションの自然システムと持続可能性を担当するディレクターであり、Nature に発表した論文の共著者であるテレサ・ニックは述べています。

適切な方法の選択: 複雑な問題

総所有コスト、可用性、市場投入までの時間、信頼性などの設計要素の計算は比較的簡単ですが、持続可能性の影響は定義しにくく、サプライチェーン全体やデータセンターエコシステム全体で計算するのが難しいことがあります。

原材料の取得方法や製造に関わる炭素、水、エネルギーについての情報を得るのは簡単ではありません。同論文の著者たちは、サプライヤーにデータ提供を求めましたが、すべてのサプライヤーが参加したわけではありませんでした。そのため、彼らは将来的に数値を推定できるようにするための公式を作成しました。「体現された排出量が分かり、データベースで共有されることで、ライフサイクル評価の取り組みが加速されることに期待しています」とアリッサは付け加えました。

ライフサイクル評価は、データセンターの構造および機能のすべての側面を最適化し、効率化するための情報を提供するツールとして活用できます。特定の技術がある指標で優れている場合、別の技術が異なる指標で優れていることがあり、すべての面で優れている技術は存在しません。

「つまり、トレードオフを理解しようとしているのです」とニックは述べています。「自分が何をしているのか、その影響が何であるかを理解しようとしているのです。」

詳細な情報やデータと方法論については、Nature の論文を参照してください。