AI データセンターが高温超伝導体を研究

AI 用のデータセンターは、発電の世界を一変させています。送電網には、建設中の数に必要なエネルギー量に近づくのに十分な電力容量がありません。また、従来の送電および配電ネットワークは、利用可能なすべての電力を最大限に活用できるほど効率的ではありません。米国エネルギー情報局 (EIA) によると、年間の送配電損失は平均約 5% です。世界の他の地域では、この割合はさらに高くなります。そのため、アマゾン ウェブ サービス、Google Cloud、Microsoft Azure などのハイパースケーラーは、より多くの能力を獲得し、効率を高めるためにあらゆる手段を研究しています。

たとえばマイクロソフトは、銅配線の代替品としての高温超電導体 (HTS) の潜在的な利点を絶賛しています。同社によれば、HTS は送電損失を削減し、送電網の回復力を高め、電力の移動に必要なスペースを削減することでデータセンターが地域社会に与える影響を制限することでエネルギー効率を向上させることができます。

「超電導体は大量の電力を移動させるのに必要なスペースが少ないため、よりクリーンでコンパクトなシステムの構築に役立つ可能性がある」とマイクロソフトのグローバルインフラストラクチャ担当ゼネラルマネージャー、アラステア・スピアーズ氏はブログ投稿で述べた。

銅は優れた導体ですが、電流が線に沿って移動するときに抵抗に遭遇します。これにより熱が発生し、効率が低下し、流せる電流が制限されます。 HTS は極低温に冷却された超電導材料で作られているため、この抵抗要因を大幅に排除します。 (その名前にもかかわらず、高温超伝導体は依然として極寒の温度に依存しています。ただし、従来の超伝導体が必要とする温度よりもかなり高温です。)

結果として得られるケーブルは、銅線よりも小さくて軽く、電流を伝達するときに電圧が低下せず、熱も発生しません。これは、小さな設置面積に大量の電気負荷を詰め込もうとする AI データセンターのニーズにうまく適合します。必要な変電所も少なくなるでしょう。スピアーズ氏によると、次世代の超電導送電線は、同じ電圧レベルで従来の送電線よりも一桁高い容量を提供します。

Microsoft は、超電導電力技術開発会社 Veir への 7,500 万米ドルの投資を含め、パートナーと協力してこの技術の進歩に取り組んでいます。 Veir の導体は HTS テープを使用しており、最も一般的には希土類酸化バリウム銅 (REBCO) として知られる種類の材料をベースとしています。 REBCO は、金属基板上に薄膜として堆積されたセラミック超電導層​​であり、電力ケーブルに組み立てることができる頑丈な導体に加工されます。

「銅やアルミニウムとの主な違いは、動作温度では、超電導層がほとんど電気抵抗なしで電流を流し、よりコンパクトなフォームファクターで非常に高い電流密度を実現できることです」と Veir の CEO 兼共同創設者の Tim Heidel は述べています。

データセンターの液体窒素冷却

Microsoft のクラウド オペレーションおよびイノベーションの主任インフラストラクチャ エンジニアである Ruslan Nagimov 氏は、世界初の HTS 搭載ラック プロトタイプの近くに立っています。マイクロソフト

HTS ケーブルは依然として極低温で動作するため、電力供給システムの設計に冷却を組み込む必要があります。 Veir は、閉ループ液体窒素システムを使用して低い動作温度を維持します。窒素はケーブル全体を循環し、遠端から出て、再冷却され、最初に再循環されます。

「液体窒素は、大量に存在し、低コストで安全な材料であり、数多くの重要な商業用途や産業用途で大規模に使用されています」とハイデル氏は言います。 「私たちは、他の業界で実証済みの液体窒素を扱う経験と基準を活用して、実験室の条件ではなく重要なインフラストラクチャの期待に適合する監視と制御を備えた、継続的な運用向けに設計された安定したデータセンター ソリューションを設計しています。」

HTS ケーブルの冷却は、データ センター内または外部で行うことができます。ハイデルは、屋内での設置面積と運用の複雑さを最小限に抑えるため、後者を支持しています。液体窒素ラインが施設に供給され、超伝導体に供給されます。必要な場所に電力を供給し、冷却システムは他の施設サブシステムと同様に管理されます。

レアアース材料、冷却ループ、極低温 – これらすべてによりコストが大幅に増加します。したがって、HTS は大部分のアプリケーションで銅に取って代わるものではありません。ハイデル氏は、電力供給がスペース、重量、電圧降下、熱によって制限される場合、経済性が最も説得力があると述べています。

「そのような場合、その価値はシステム レベルで現れます。設置面積が小さくなり、抵抗損失が減り、電力の配線方法がより柔軟になるのです」とハイデル氏は言います。 「テクノロジーが拡大するにつれて、HTS テープの生産量の増加と歩留まりの向上によってコストが改善されるはずです。また、周囲のシステム ハードウェアの標準化、設置方法、設計の複雑さと導入リスクを軽減する操作手順書によってもコストが改善されるはずです。」

AI データセンターは、このアプローチの完璧な実験場になりつつあります。ハイパースケーラーは、より効率的なシステムの開発に積極的に資金を投じています。 AI サービスを広く提供することで得られる収益と、開発への支出のバランスを取ることができます。

「HTS の製造は、特にテープ側で成熟しており、コストと供給の可用性が向上しています」と Microsoft のシステム テクノロジ担当ディレクター、Husam Alissa は述べています。 「私たちは現在、システムの設計と統合に重点を置き、パートナーと協力してこのテクノロジーを検証し、リスクを回避することに重点を置いています。」