より良いデータセンター冷却 システムの開発　デジタルインダストリーズソフトウェア

デジタルインダストリーズソフトウェア より良いデータセンター冷却 システムの開発 パフォーマンスと要件の一致による可用性、信頼性、効率性の向上 エグゼクティブ・サマリー 過去数年間にわたり、データセンターの数は毎年10〜30%増加していますが、データセンターの 冷却システムを最適化して効率性を高めること、パフォーマンスを改善してエネルギー消費を削 減すること、パフォーマンスを最大化して無駄に消費されたエネルギーを再利用することに重点 が置かれています。主要なデータセンター開発企業は、Simcenter ™ソフトウェアを使用してシミュ レーションおよびテスト・ソリューションのデジタルツインを作成し、冷却の課題をより効果的にエ ンジニアリングしています。 siemens.com/simcenter

ホワイトペーパー - より良いデータセンター冷却システムの開発 はじめに データセンターはインターネットの頭脳です。世界的に 費されています。これは、37,000世帯に電力を供給する 見ると、データセンターは世界のエネルギー消費量と二 のに十分なエネルギー量です。 酸化炭素 (CO2) 排出量の1〜2%を占めています。最大 データセンターのエネルギー使用量の40〜50%は暖 規模のデータセンターには数万台のデバイスが配置さ 房・換気・空調 (HVAC) システムが占めており、58%は高 れていますが、こうした非常に大規模なデータセンター い電力使用効率 (PUE) の範囲外で消費されています。 では、年間20〜50メガワット (MW) のエネルギーが消 シーメンスデジタルインダストリーズソフトウェア 2

ホワイトペーパー - より良いデータセンター冷却システムの開発 データセンター冷却システムの課題 データセンターの冷却システムは、効率的でパフォーマ 2. 熱負荷と冷却効率: 冷却装置は、データセンター内 ンスを最大化するためのシステムであるだけでなく、信 の機器を効率的に冷却するように設計しなければな 頼性と全体的なパフォーマンスを実証するティア標準 りません。冷却効率が低下すると、機器の故障、機器 レベルにも準拠している必要があります。 の寿命の短縮、エネルギー消費量の増加につなが り、気流に障害物や漏れがあるとホットスポットが発 データセンターの冷却システムは、多くの技術的課題 生し、冷却効率が低下する可能性があります。 に直面しています。データセンター内で実行される処 理により、熱負荷が発生します。次世代のCPU (Central 3. エネルギー消費: データセンターの冷却には、大量 Processing Unit) やGPU (Graphical Processing Unit) のエネルギーが必要です。米国エネルギー省の報 の普及に伴い、プロセッサの性能レベルが上がり、熱 告によると、データセンターは米国内の総電力の2% 負荷が増加しています。新しいハードウェアや情報技術 を消費しています。冷却に必要なエネルギー消費量 (IT) オプションが導入されるにつれて、熱源も変化しま は、データセンターにおける総エネルギー消費量の す。クラウド・コンピューティングへの移行が増え続けて 最大40%を占めることもあります。 いたり、モノのインターネット (IoT) や暗号通貨マイニン 4. データセンターの冷却は、エネルギー消費と冷却装 グなどのプロセスが増加したりなど、新しいワークロー 置に必要な初期投資の両面でコストがかさむ可能 ドが発生していることも、データセンターの熱負荷が増 性があります。また、冷却装置の継続的なメンテナン 加する原因になります。 スと交換にかかるコストも高くなることがあります。 データセンターの冷却には、次のような課題がありま 5. ばらつきと拡張性: 計算のばらつきが大きいことも、 す。 データセンターの冷却における課題です。アルゴリ 1. 熱源: 現在のコンピューティング・ハードウェアは、小 ズムによって制御される冷却システムの場合、稼働 さなスペースで大量の熱を発生させます。より強力 率に応じてシステムの性能を調整する必要がありま なプロセッサとストレージ・デバイスにより、データセ す。データセンターの規模が拡大して進化していくに ンターの機器はかつてないほど密集して配置されて つれて、冷却に関する要件も変化します。そのため、 いるため、冷却が困難になっています。 データセンターのニーズの変化に合わせて拡張可 能な冷却システムを導入することが重要です。 6. 環境への影響: データセンターの冷却で消費される データセンター冷却システムの技術的な課題 エネルギーと水は、環境に大きな影響を与えます。 冷却に使用される電力は、環境に害を及ぼす可能性 のある炭素排出やその他の汚染物質の一因となりま す。 シーメンスデジタルインダストリーズソフトウェア 3

ホワイトペーパー - より良いデータセンター冷却システムの開発 データセンターの冷却インフラ向けのシミュ レーションおよびテスト・ソリューション ソフトウェア、ハードウェア、サービスのビジネス・プ 体の厳しい騒音規制や騒音放射要件を満たすため ラットフォームであるSiemens Xceleratorの一部で の試験ソリューションです。 あるシミュレーションおよびテスト・ソリューションの 認定 Simcenterポートフォリオは、データセンターの冷却最 Uptime Instituteのティア標準は、データセンターの信頼 適化に関する貴重な知見を提供します。データセンター 性と全体的なパフォーマンスに関する世界的な標準で の建設担当者と運営担当者は、シミュレーションおよび す。データセンターの仕様に基づいて、さまざまなティ テスト・ソリューションを使用して各種のシナリオをモ ア・レベルのパフォーマンスを評価します (下表を参 デル化し、さまざまな冷却方法の有効性をテストしてか 照)。 ら、その方法を導入することができます。 最も要求の厳しいデータセンターの冷却システムで最 Simcenterソリューションで対処可能なデータセンター 高レベルの認証を取得するには、機器の冗長性と複数 の冷却に関する問題は次のとおりです。 の独立した分散経路を確保し、ファン、水ポンプ、チラー 1. システム・シミュレーションは、概念設計を仮想的に 速度を調整してITの負荷に迅速に対処する必要があり 評価し、最適なアーキテクチャを特定し、サブシステ ます。 ムの相互作用を定義して、配管システム内の流れを 解析します。さらに、システムモデルを物理/仮想コン 予測シミュレーションとテスト・アプリケーションを統合 トローラーと組み合わせることで、自動化および制御 したSimcenterポートフォリオを使えば、認証要件に対 ロジックの同時開発や早期開発が可能になります。 するシステム仕様を早期に検証できます。システム・シ ミュレーション、コンピューター支援エンジニアリング 2. 数値流体力学 (CFD) シミュレーションは、3D数学的 (CAE) シミュレーション、物理試験ソリューションを統合 表現を使用して、データセンター内の3D流体流れと することにより、詳細な3Dフロー、熱解析、コンポーネン 熱挙動をシミュレーションします。これらのシミュレー トのサイズ調整、制御開発、アーキテクチャの選定、振動 ションにより、ホットスポットや空気の循環が悪い場 と音響のトラブルシューティングなど、さまざまな概念 所を特定し、冷却装置の配置を最適化します。 検証が可能です。 3. 音響モデリング機能を持つ機械シミュレーションに システム・シミュレーション より、冷却装置 (ポンプ、コンプレッサー、チラー) から システム・シミュレーションには、物理システム内の機 の騒音を評価します。音声処理によるカプセル化の 械、電気、流体、熱の各領域を表現するマルチフィジック 影響も確認できます。 ス・ライブラリが統合環境に含まれています。ソフトウェ 4. 既存の冷却装置やデータセンター施設における高 アを使用して、特定のシステムおよびサブシステム構成 騒音/振動レベルの音源を効率的に特定し、地方自治 でこれらの領域がどのように相互作用するかを評価し ます。また、ライブラリには1Dモデル、2Dモデル、3Dモ デル、詳細なジオメトリベース・モデル、準静的モデル、 動的モデルなど、さまざまなレベルの複雑なモデルが 用意されています。 シーメンスデジタルインダストリーズソフトウェア 4

ホワイトペーパー - より良いデータセンター冷却システムの開発 流体シミュレーション ります。ジオメトリベースのモデルを使用して、熱交換器 システム・シミュレーションは、あらゆる規模と複雑さの の両側の流体の冷却性能と圧力損失を予測することに 配管システムの解析をサポートします。配管シミュレー より、コンポーネントの詳細設計と革新的な製品開発が ション・モデルはCADまたは地理情報システム (GIS) 図 可能です。次に、機能モデルを使用してサブシステムの 面から簡単に作成できます。このソフトウェアは、液体、 相互作用を調査し、制御手法を早期に統合します。これ 気体、または二相流の定常状態および過渡解析のため により、システムや建物の全体的なエネルギー消費量 のツールを提供します。流体バランスも制御できるた を1年先まで評価できます。そのため、システム・シミュ め、調整バルブが突然開閉した場合などにネットワーク レーションでは、全体的な挙動の信頼性が高い高速実 内で発生する圧力ピークを簡単に特定できます。 行モデルを使用します。 冷媒と水の循環 詳細なシステムモデルにより、コンポーネントの性能を 冷媒循環エンジニアリングに対応したシステム・シミュ 予測することができます。 レーション機能には、HVACの蒸発器と凝縮器で発生す 制御アルゴリズムの開発時間を短縮 る相変化を表現するための二相流ライブラリと熱ライ システム・シミュレーションを使用して、制御アルゴリズ ブラリが用意されています。これらのライブラリには、有 ムの開発と試運転にかかる時間を短縮することもでき 効な流体プロパティと固体プロパティのデータベース ます。システム・シミュレーション・モデルをプログラマ が付属しています。熱ライブラリは、流体と壁との間の ブル・ロジック・コントローラー (PLC) とハードウェア・ 対流、異なる固体材料ジオメトリを介した伝導、物体間 イン・ザ・ループ (HiL) またはソフトウェア・イン・ザ・ の高熱レベルの放射など、さまざまな種類の熱交換に ループ (SiL) として結合することができます。例えば、 関するものが主体です。 HiLでは、PLCはシミュレーションされた周辺機器であ 前処理アプリを使用して、冷却サイクル内の流体の状態 る専用ユニット (ハードウェア) を使用して、物理シミュ を事前に確認できます。具体的には、密度レベル、ネッ レーションモデルとデータを交換できます。SiLでは、実 トワーク・タイム・プロトコル (NTP) レベル、エントロ 際のPLCをエミュレートする仮想コントローラを介して ピー、飽和度、圧力、温度を監視することができます。ま Simcenterの物理モデルのデータを交換することができ た、コンプレッサー入口の過熱状態や、膨張装置入口の ます。現在、システム・シミュレーションは、各種の通信プ 過冷却状態を適切に調整することもできます。 ロトコル (OPC UA、OPC DA、Modbus TCP) を使用し て、イーサネット経由でほぼすべての産業用コントロー システム・シミュレーションは、冷媒流体の変更による ラに接続することができます。 影響を検証し、ヒートポンプ・サイクルのサイズを事前 に設定することにより、チラー・ユニットの流体チャージ 3D CFDシミュレーションの統合 と冷却性能を最適化するための強力なエンジニアリン また、システム・シミュレーション・アプリケーションを グ・ツールです。また、チラー蒸発器を適切に冷却し、IT 3D CFDシミュレーション・ツールと組み合わせて、熱流 ルームやIT部門にある熱交換器から熱を取り除くため 体解析を局所的に精緻化することもできます。冷媒循環 に必要な電力とエネルギーを簡単に評価することがで をサポートするエンジニアリング・システム・シミュレー きます。 ション機能には、HVACシステムの蒸発器と凝縮器で発 生する相変化を表現するための二相流ライブラリと熱 システム・シミュレーションは、チラー・ユニットの冷却 ライブラリが用意されています。 性能を最適化します。単相流体ライブラリと二相流体ラ イブラリには、回路内または気液・液液熱交換器の空 システム・シミュレーションの高速計算は、全体的な冷 間内の流体を解析するためのデータが用意されていま 却性能、回路間の相互作用、ループ、総エネルギー消費 す。また、新しいアーキテクチャや冷媒の性能を解析し、 をグローバルに調査したり、可能な設計バリエーション 空気の分配を最適化することもできます。 の中から最適なアーキテクチャを選択したりするときに 適しています。 熱交換器 熱交換器は冷却システムの中核であり、システム・シミュ システム・シミュレーションとジオメトリベースのモデル レーションによって各種の複雑なモデリングが可能にな を組み合わせることで、システム内部で拡大できるた シーメンスデジタルインダストリーズソフトウェア 5

ホワイトペーパー - より良いデータセンター冷却システムの開発 め、効率目標を達成するための設計改善が容易になり 応用事例 ます。コンポーネント内部を解析する場合、システム・シ ケース1: 3 階建てのデータセンター・システムの冷却 ミュレーション・モデルの現実的な境界条件からデータ シミュレーションにより、非常に複雑なデータセンター を受け取る3D CFDツールを使用して、熱流体の挙動を であっても、リスクのない環境で早期にPLCコントロー 検証できます。 ラを試運転することができます。例えば、コンデンサー、 1. 流体モデリング: 3Dフロー・モデリングを使用して、 冷媒、冷却水から構成される、3階建てのデータセン データセンター内の冷却装置の最適な配置を確認 ターの冷却システムについて考えてみます。このデータ することにより、運用コストを大幅に削減しながら、 センターには冗長性があり、認証条件でもある独立した 電子機器の性能と安全性を向上させることができま 経路も確保されています。すべてのフロアにITルームを す。 配置し、冷却システムにはチラー (冷媒ループ) と貯蔵タ ンク付き冷却水ループを設置します。各フロアの独立し 2. 熱モデリング: 熱モデリングでは、数理モデルを使用 た冷却ループにより、ITルーム内の液体空気熱交換器 してデータセンター内の熱伝達をシミュレーションし に冷却水が供給され、その後チラーに戻されます。 ます。これにより、さまざまなコンポーネントの温度 を予測し、冷却が不十分な場所を特定することがで 最上階の冷却塔には2つの独立した可変速ファンがあ きます。 り、冷却塔ごとに4つのオン/オフ・バルブと、チラー分岐 ごとに1つの可変速コンデンサー水ポンプが設置され 3. バーチャル・リアリティ (VR) シミュレーション: VRシ ています。これらすべてをシミュレーションして、効率性 ミュレーションでデータセンターを視覚的に表現す を高めることができます。 ることにより、データセンター内の空間を調査し、ア クセスが難しい場所や気流が悪い領域を特定しま コンデンサーの水、冷媒、冷水ループの物理的な挙動 す。 は、Simcenter Amesim™ソフトウェア (システム・シミュ レーション) によって解析され、気温が目標値 (摂氏13 度) 以内に保たれます。このシミュレーションを使用し て、冷却システムで気温を適切に調整できるかどうか、 適切な気温の空気をITルームに供給できるかどうかを 確認することもできます。 シーメンスデジタルインダストリーズソフトウェア 6

ホワイトペーパー - より良いデータセンター冷却システムの開発 システム・シミュレーション・モデルを使用すると、非常 Simcenterは、システム・シミュレーションのデジタルツ に変数の多い周囲条件 (温度と湿度) とIT負荷に基づい インを使用して、冷却システムの物理的挙動に関する洞 て温度レベルを評価できます。冷却ループとITルームの 察を提供します。デジタルツインはコンカレント・エンジ 温度レベルやITの負荷は、冷却塔や調整後のフローと ニアリングを可能にし、構築前であってもシステム設計 同様にシミュレーションします。このシミュレーションに を検証することができます。オペレーターは仮想環境で は、物理的なシステムでは絶対に測定できない膨大な トレーニングを受け、リスクのない環境でwhat-ifシナリ 数の変数が含まれています。これにより、冷却システム オを実行できます。データセンターの運用開始後は、デ の電力消費量とエネルギー消費量を評価し、ITルーム ジタルツインを使用してシステム診断と予知保全を行う の目標温度を維持して消費電力を最適化することがで ことができます。 きます。 シーメンスデジタルインダストリーズソフトウェア 7

ホワイトペーパー - より良いデータセンター冷却システムの開発 ケース2: 気流と熱挙動のモデリング TCP/IPソケットを使用して2つのシミュレーション・ツー アビオニクス・ベイ内の電子カードの熱交換をモデリン ル間で変数を交換することにより、温度プロファイル、ア グすることにより、1Dシミュレーションと3Dシミュレー ビオニクス・ベイ内の気流、電子カード内の到達温度を ションを組み合わせて冷却性能を高める方法を確認す 監視することができます。こうした解析により、電子機器 ることができます。 内の潜在的なホットスポットを検出します。このシミュ レーションでは、ベイ内の複雑な気流場、筐体間の結合 3D CFD協調シミュレーションを使用して筐体への複雑 動作、筐体の位置が冷却効率に与える影響についても な気流を表現することで、各電子カードを1Dシステム・ 正確に解析できます。 シミュレーション・モデルで6つの熱質量に定量化しま す。筐体の壁面ごとに、1つの熱質量が追加で使用され 液体冷却と熱損失データの捕捉 ます。このシミュレーションでは、空気交換に伴う対流、 伝導、放射を解析できます。3D CFDモデル内では、簡略 化されたアビオニクス装置ベイの形状を使用して、空気 分配用の2つの吸気口を持つ長方形の形状が生成され ます。 1D離散化 物理モデル 各電子カードの温度 - Simcenter Amesim Simcenter Amesimによる電子カードの表現 1D離散化の表現 温度プロファイルと流線 - Simcenter STAR-CCM+ アビオニクス・ベイの簡略化パーツ シーメンスデジタルインダストリーズソフトウェア 8

ホワイトペーパー - より良いデータセンター冷却システムの開発 CPUとGPUによる放出熱データの捕捉 シミュレーションを使用することで、ポンプ液浸冷却を システム・シミュレーションとCFDシミュレーションは、 使用するラックマウント式サーバー一体型筐体に開発 サーバーの完全な液浸冷却にも使用できます。この革 において、高い信頼性を実現する最も効率的な冷却設 新的な技術により、空冷よりもはるかに効率的な方法で 計を見つけることができます。これを行うには、潜在的 ITデバイスからの熱放出を実現できます。ただし、液冷 な流量の範囲に対するシステム内の圧力損失を決定 サーバーにより、すべてのITコンポーネント、ヒートシン し、流量と電力定格に基づいて最適な設計を選択しま ク、その他の主要な熱源に冷却流を供給する必要があ す。ラックの各コンポーネントに対する流体バランスを ります。その際の課題は、システムを過剰に設計するこ 個別に (またはシステム全体として) 解析することによ となく、適切な量の冷却流を適切なコンポーネントに供 り、ラック内のすべてのユニットを適切に冷却できます。 給するということです。 これにより、建築サービスに対する要求を最小限に抑え て、温度を許容範囲内に維持します。また、システム・シ ミュレーションを使用すると、圧力スパイクを発生させ たり接合部に応力を加えたりすることなく、ラック内の サーバー筐体に冷却流を供給する配管ネットワークを 設計することができます。これにより、サーバールームか ら漏れのリスクをなくします。 KU:Lシステム・ブレードのSimcenter Simcenter Flomasterを使用す ブレード取り外しによる相対圧スパイク Flomasterシミュレーション・モデル るサーバー筐体の熱モデル をSimcenter Flomasterで予測 まとめ システム・シミュレーションは、データセンターの冷却シ シミュレーションを使用して過渡解析を行うことにより、 ステムの可用性、信頼性、効率性を最大化するための強 変動が大きいIT負荷や気象条件に適した冷却システ 力なエンジニアリング・ツールです。流体の流れ、熱力 ムの性能を検証することができます。シミュレーション・ 学、制御を考慮する際に、複雑なコンポーネントやシス ツールを使用して、効率性、動的応答性、エネルギー消 テムのさまざまな物理的挙動を表現することができま 費量、データの安全性に関して最も効果的なアーキテ す。Simcenterシミュレーション・ツールを使用すると、リ クチャをベンチマークすることにより、次のデータセン スクのない環境で試運転制御方式を早期に決定し、制 ター冷却インフラのエンジニアリングを加速させること 御を最適化してより効率的なHVACおよびエネルギー ができます。 回収システムを導入することで、エネルギー節約を調査 できます。 シーメンスデジタルインダストリーズソフトウェア 9

シーメンスデジタルインダストリーズソフトウェア シーメンスデジタルインダストリーズソフトウェアは 、S i e m e n s Xceleratorビジネス・プラットフォームのソフトウェア、ハードウェア、 北米・中南米: 1 800 498 5351 サービスを最大限に活用し、あらゆる規模の組織がデジタル・トラ ヨーロッパ・中東・アフリカ: 00 800 70002222 ンスフォーメーションを実現する支援をします。シーメンスのソフト ウェアと総合的なデジタルツインにより、企業は設計、エンジニアリ アジア・太平洋: 001 800 03061910 ング、および製造プロセスを最適化し、現在のアイデアを将来の持続 その他のお問い合わせ先はこちらをご覧ください。 可能な製品に転換できるようになります。シーメンスデジタルインダ ストリーズソフトウェアは、チップからシステム全体、そして製品から プロセスに至るまで、あらゆる産業において変革を加速させます。 Siemens Digital Industries Software – Accelerating transformation. siemens.com/software © 2025 Siemens. 関連するシーメンスの商標はこちらに記載さ れています。その他の商標はそれぞれの所有者に帰属します。 85387-D5-JA 5/25 LOC