データセンター

ARSATデータセンター（2014年）

データセンターは、コンピュータシステムと、通信システムやストレージシステムなどの関連コンポーネントを収容するために使用される施設です。[ 1 ] [ 2 ]

IT 運用は事業継続にとって極めて重要であるため、データセンターには通常、電源、データ通信接続、環境制御 (冷却、消火など)、さまざまなセキュリティデバイス用の冗長またはバックアップコンポーネントとインフラストラクチャが含まれます。データセンターは、クラウドサービス、ビデオストリーミング、ブロックチェーンと暗号通貨のマイニング、機械学習、仮想現実に対する集合的なコンピューティング需要を集約し、現代経済を動かすデジタルインフラストラクチャの基盤です。[ 3 ]大規模データセンターは産業規模で稼働し、多大なエネルギーを必要とします。2024年の世界のデータセンターの推定電力消費量は約415 テラワット時 (TWh)で、世界の電力需要の約1.5% に相当します。[ 4 ] IEAは、データセンターの電力消費量が2030年までに倍増する可能性があると予測しています。 [ 4 ]人工知能 (AI)と機械学習のワークロードに牽引された高い需要によって、高性能サーバーの導入が加速しており、電力密度の増加と電力網への負担の増大につながっています。[ 5 ] [ 4

データセンターは、規模、電力要件、冗長性、および全体的な構造の点で多岐にわたります。データセンターの種類を分類する一般的な4つのカテゴリは、オンサイトデータセンター、コロケーション施設、ハイパースケールデータセンター、およびエッジデータセンターです。[ 6 ]特に、コロケーションセンターは、顧客、インターネットトランジットプロバイダー、クラウドプロバイダー、[ 7 ] [ 8 ]顧客同士を接続するミートミールーム[ 9 ]インターネットエクスチェンジポイント[ 10 ] [ 11 ]光ファイバー海底通信ケーブルの着陸地点と端末機器[ 12 ]間のプライベートピアリング接続をホストすることがよくあります。これらはインターネット接続に不可欠です。[ 13 ]

歴史

NASA ミッションコントロールコンピュータ室、1962 年頃

データセンターの起源は、データセンターの最も初期の例の1つであるENIACに代表される1940年代の巨大なコンピュータ室にあります。 [ 14 ] [注 1 ]初期のコンピュータシステムは、操作と保守が複雑で、特別な運用環境が必要でした。すべてのコンポーネントを接続するために多くのケーブルが必要であり、機器を取り付ける標準ラック、上げ床、ケーブルトレイ（頭上または上げ床の下に設置）など、これらを収容および整理する方法が考案されました。1つのメインフレームで大量の電力が必要になり、過熱を避けるために冷却する必要がありました。セキュリティが重要になりました。コンピュータは高価であり、軍事目的で使用されることが多かったためです。[ 14 ] [注 2 ]そのため、コンピュータ室へのアクセスを制御するための基本的な設計ガイドラインが考案されました。

1980年代のマイクロコンピュータ産業の隆盛期には、ユーザーはコンピュータをあらゆる場所に導入し始めましたが、多くの場合、運用要件をほとんど、あるいは全く気にしていませんでした。しかし、情報技術（IT）運用が複雑化するにつれて、組織はITリソースを管理する必要性を認識するようになりました。安価なネットワーク機器の利用可能性と、ネットワーク構造化配線の新しい標準が相まって、サーバーを社内の特定の部屋に配置する階層型設計が可能になりました。特別に設計されたコンピュータルームを指す「データセンター」という用語が、この頃から広く認知され始めました。 [ 14 ] [注3 ]

データセンターのブームは、 1997年から2000年のドットコムバブル期に起こりました。[ 15 ] [注4 ]企業はシステムを展開し、インターネット上でのプレゼンスを確立するために、高速インターネット接続とノンストップ運用を必要としていました。しかし、多くの中小企業にとって、そのような設備の導入は現実的ではありませんでした。多くの企業が、インターネットデータセンター（IDC）と呼ばれる大規模な施設の建設を開始しました。 [ 16 ]クロスオーバーバックアップなどの高度な機能を提供するIDCは、「ベルアトランティックの回線が切断された場合、…に転送することで、停止時間を最小限に抑えることができます。」[ 16 ]

クラウドデータセンター（CDC）という用語が使われてきました。[ 17 ]これらの用語の区別はほぼなくなり、データセンターという用語に統合されつつあります。[ 18 ]

世界のデータセンター市場は2010年代に着実な成長を遂げ、2010年代後半には顕著な加速を見せました。ガートナーによると、2021年の世界のデータセンターインフラ支出は2,000億ドルに達し、 COVID-19パンデミックによる経済的困難にもかかわらず、2020年から6%増加しました。[ 19 ]

2010年代後半から2020年代初頭にかけて、AIと機械学習アプリケーションへの大きなシフトが見られ、より強力で効率的なデータセンターインフラを求める世界的なブームが起こりました。2021年3月時点で、世界のデータ生成量は2020年の64.2ゼタバイトから2025年には180ゼタバイト以上に増加すると予測されています。[ 20 ]

米国は現在、データセンターインフラの最前線に立っており、2024年3月時点で5,381のデータセンターを保有しており、これは世界で最も多い数である。[ 21 ]世界的なコンサルタント会社マッキンゼー・アンド・カンパニーによると、米国の市場需要は2022年の17ギガワット（GW）から2030年までに35ギガワットに倍増すると予想されている。[ 22 ] 2023年時点で、米国は世界市場の約40％を占めている。[ 22 ] 2025年には、人工知能向けデータセンターへの投資がなければ、米国のGDP成長率はわずか0.1％になると推定されている。[ 23 ]

電力研究所（EPRI）が2024年5月に発表した調査によると、米国のデータセンターの電力消費量は2030年までに国内総生産量の4.6%から9.1%に達すると推定されている。[ 24 ] 2023年時点で、米国のデータセンター負荷の約80%は、バージニア州とテキサス州を筆頭に15州に集中している。[ 24 ]

現代のデータセンターの要件

データセンターの一部にある通信機器のラック

近代化とデータセンターの変革により、パフォーマンスとエネルギー効率が向上します。[ 25 ]

情報セキュリティも重要な懸念事項であり、そのためデータセンターはセキュリティ侵害の可能性を最小限に抑える安全な環境を提供する必要があります。そのため、データセンターは、ホストされているコンピュータ環境の整合性と機能性を保証するために、高い基準を維持する必要があります。

業界調査会社International Data Corporation（IDC）は、データセンターの平均築年数を9年としています。[ 25 ]別の調査会社Gartnerは、7年以上経過したデータセンターは時代遅れであると述べています。[ 26 ]データの増加（2025年までに163ゼタバイト[ 27 ]）は、データセンターの近代化の必要性を推進する1つの要因です。

近代化への焦点は新しいものではありません。2007年には老朽化した機器への懸念が非難され、[ 28 ]、2011年にはアップタ​​イム研究所が機器の老朽化を懸念しました。[注5 ] 2018年までに懸念は再び移り、今度はスタッフの年齢になりました。「データセンターのスタッフは機器よりも早く高齢化しています。」[ 29 ]

データセンターの基準を満たす

米国電気通信工業会（TIA）のデータセンター向け電気通信インフラ標準[ 30 ]は、シングルテナント型エンタープライズデータセンターやマルチテナント型インターネットホスティングデータセンターを含む、データセンターおよびコンピュータルームの電気通信インフラに関する最低要件を規定しています。この文書で提案されているトポロジーは、あらゆる規模のデータセンターに適用できるように設計されています。[ 31 ]

Telcordia GR-3160 「電気通信データセンター機器および空間に関するNEBS要件」[ 32 ]は、電気通信ネットワーク内のデータセンター空間に関するガイドラインと、それらの空間に設置される機器の環境要件を規定しています。これらの基準は、Telcordiaと業界関係者によって共同で策定されました。これらの基準は、データ処理機器または情報技術（IT）機器を収容するデータセンター空間に適用できます。機器は、以下の用途に使用できます。

  • 通信事業者の通信ネットワークの運用と管理
  • データセンターベースのアプリケーションを通信事業者の顧客に直接提供する
  • サードパーティが顧客にサービスを提供できるようにホストされたアプリケーションを提供する
  • これらと類似のデータセンターアプリケーションの組み合わせを提供する

データセンターの変革

データセンター変革は、段階的なアプローチで統合プロジェクトを段階的に実施します。これは、従来のデータセンターアップグレードにおける、逐次的かつサイロ化されたアプローチとは異なります。[ 33 ]データセンター変革イニシアチブにおける典型的なプロジェクトには、標準化／統合、仮想化、自動化、セキュリティなどがあります。

データセンターの統合は、データセンターの数を減らすこと[ 34 ] [ 35 ]とサーバーの無秩序な増加（物理サーバーと仮想サーバーの両方）を避けることから成り、[ 36 ]老朽化したデータセンター機器の交換を含むことが多い。同様に、このプロセスは、簡素化と効率性の向上のために、これらのシステムが均一な構成セットに従うようにする標準化によって促進される。[ 35 ]一方、仮想化は、資本経費と運用経費を削減し、[ 37 ]エネルギー消費も削減する。[ 38 ]仮想化されたデスクトップは、データセンターでホストし、サブスクリプションベースでレンタルすることができる。[ 39 ]投資銀行のラザード・キャピタル・マーケッツは、2008年に、企業業務の48％が2012年までに仮想化されると予測した。ガートナーは、仮想化を近代化の触媒と見ている。[ 40 ]プロビジョニング、構成、パッチ適用、リリース管理、コンプライアンスなどのタスクの自動化も、データセンターをアップグレードする方法の一つです。これらの変更は、熟練したIT労働者が不足しているときだけでなく、他の場面でも必要です。[ 41 ]最後に、セキュリティ対策では、仮想システムの保護と既存の物理インフラストラクチャのセキュリティを統合します。[ 42 ]

上げ床

穴あき冷却床タイル

エリクソンの子会社であるテルコルディア・テクノロジーズによって、GR-2930と呼ばれる上げ床基準ガイドが開発された。[ 43 ]

最初の高床式コンピュータ室は1956年にIBMによって作られました。 [ 44 ]そしてそれは「1960年代から存在していました」[ 45 ] 。 1970年代には、冷気をより効率的に循環させるためにコンピュータセンターで高床式コンピュータ室がより一般的になりました。[ 46 ] [ 47 ]

上げ床の最初の目的は配線へのアクセスを可能にすることでした。[ 44 ]

消灯

ライトアウト[ 48 ]データセンターは、特別な状況を除き、理想的には人員による直接アクセスがほぼ不要になったデータセンターです。スタッフがデータセンター内に入る必要がないため、照明なしで運用できます。すべてのデバイスはリモートシステムによってアクセスおよび管理され、自動化プログラムによって無人操作が実行されます。ライトアウトデータセンターを導入することで、エネルギーの節約、人員コストの削減、人口密集地から離れた場所に拠点を設置できることに加え、インフラストラクチャに対する悪意のある攻撃の脅威も軽減されます。[ 49 ] [ 50 ]

騒音レベル

一般的に、地方自治体はデータセンターの騒音レベルが「最寄りの住宅の夜間背景騒音レベルより10dB低いこと」を望んでいます。[ 51 ]

OSHA規制では、データセンター内の騒音が85デシベルを超える場合、騒音レベルを監視することが義務付けられています。[ 52 ]データセンターのサーバーエリアの平均騒音レベルは、92～96dB(A)に達することがあります。[ 53 ]

データセンターの近くに住む住民は、その音を「24時間365日、甲高いヒューという音」と表現し、「飛行機のエンジンが常に動いている滑走路にいるようなものだ…ただし、飛行機はアイドリングのまま、決して離陸しない」と述べている。[ 54 ] [ 55 ] [ 56 ] [ 57 ]

外部騒音源としては、空調設備や発電機などが挙げられる。[ 58 ] [ 59 ]

データセンター設計

データ センター設計の分野は、大規模および小規模の新規建設のほか、廃墟となった小売スペース、古い塩鉱山、戦時中の掩蔽壕など、既存施設の創造的な再利用など、さまざまな方向で数十年にわたって成長してきました。

  • 65階建てのデータセンターがすでに提案されている[ 60 ]
  • 2016年時点で、データセンターの数は全米で300万を超え、世界全体ではその3倍以上に増加した[ 15 ]

最低天井高やその他のパラメータは、地域の建築基準法によって規定される場合があります。データセンターの設計において考慮すべき事項には、以下のようなものがあります。

コロケーションでよく見られる典型的なサーバーラック
  • 規模 – 建物の 1 つの部屋、1 つ以上のフロア、または建物全体。
  • 容量 – 最大1,000台以上のサーバーを収容可能。[ 61 ]
  • その他の考慮事項 – データセンターのスペース、電力、冷却、コスト。[ 62 ]
  • 機械工学インフラストラクチャ – 暖房、換気、空調（HVAC）、加湿および除湿装置、加圧; [ 63 ]
  • 電気工学インフラ設計 - ユーティリティサービス計画、電源からの配電、スイッチング、バイパス、無停電電源（UPS）システムなど。[ 63 ] [ 64 ]
  • 許可申請中の設計認識を改善するためのスクリーニング[ 65 ]
CRACエアハンドラー

設計基準とトレードオフ

  • 可用性の期待：ダウンタイムを回避するためのコストは、ダウンタイム自体のコストを超えてはならない[ 66 ]
  • 立地選定：立地要因としては、電力網、通信インフラ、ネットワークサービス、交通網、緊急サービスへの近接性などが挙げられます。その他、飛行経路、近隣の電力供給源、地質学的リスク、気候（冷却コストに関連する）なども考慮すべきです。[ 67 ]
    • 多くの場合、電力の可用性を変更するのが最も困難です。

高可用性

データセンターの稼働率が95%を超えることで得られるデータ可用性を測定するためのさまざまな指標が存在し、その尺度の最高値は99%の後にいくつの9が続くかである。[ 68 ]

モジュール性と柔軟性

モジュール性と柔軟性は、データセンターが時間の経過とともに成長し、変化していく上で重要な要素です。データセンターモジュールは、事前に設計された標準化されたビルディングブロックであり、必要に応じて簡単に構成および移動できます。[ 69 ]

モジュラーデータセンターは、輸送用コンテナや同様の持ち運び可能なコンテナ内に収納されたデータセンター機器で構成される場合があります。[ 70 ]データセンターのコンポーネントはプレハブ化され標準化されているため、必要に応じて移動が容易になります。[ 71 ]

電力

ディーゼル発電機が始動するまで電力を供給するために使われる、大規模データセンター内のバッテリーバンク
病院データセンターのディーゼル発電機

電源は、バックアップまたは継続的なオンサイト電源のいずれかで、1つまたは複数の無停電電源装置、バッテリーバンク、ディーゼル、ガスタービン、ガスエンジン発電セットで構成されています。[ 72 ]コージェネレーション技術を使用して、オンサイトで電気を生成し、暖房と冷房を行うことで、一次燃料のエネルギー効率を向上させることができます。[ 73 ]

単一障害点（SPOF）を防ぐため、バックアップシステムを含む電気システムのすべての要素には通常、冗長構成が設けられ、重要なサーバーはA側とB側の両方の電源供給に接続されます。この構成は、システムでN+1冗長性を実現するためによく採​​用されます。停電時に一方の電源からもう一方の電源へ瞬時に切り替えられるように、静的切替スイッチが使用されることもあります。

低電圧ケーブル配線

低電圧ケーブル配線のオプションには、次のようなものがあります。頭上のケーブルトレイを通って配線されるデータケーブル、[ 74 ]セキュリティ上の理由とラック上の冷却システムの追加コストを回避するための上げ床配線。小規模/安価なデータセンターでは、床面の代わりに静電気防止タイルが使用される場合があります。

気流と環境制御

エアフロー管理とは、高温の排気の再循環を防ぎ、バイパス気流を減らすことでデータセンターの冷却効率を高める手法です。一般的なアプローチとしては、ホットアイル／コールドアイルのコンテインメントや、サーバーラック間に冷却装置を直接配置して排気熱を室内空気と混ざる前に遮断するインロー冷却ユニットの導入などが挙げられます。[ 75 ]

適切な温度と湿度を維持することは、過熱による機器の損傷を防ぐために不可欠です。過熱は、配線や回路を構成するシリコンや銅などの部品の溶解を引き起こし、接続部の緩みや火災の危険につながる可能性があります。一般的な制御方法には以下のものがあります。

湿度制御は湿気関連の問題を防ぐだけでなく、湿度が高すぎるとファンブレードやヒートシンクにほこりが付着しやすくなり、空気の冷却が妨げられて温度が上昇する可能性があるため、重要な点です。[ 78 ]

通路の封じ込め

コールドアイルのコンテインメントは、機器ラックの背面を露出させ、サーバーの前面をドアやカバーで囲むことで実現されます。これは、大規模な食品会社が製品を冷蔵・保管する方法に似ています。

サーバーラックの前面が互いに向かい合って配置され、冷気が上げ床を通して分配される典型的なコールドアイル構成

コンピューターキャビネット／サーバーファームは、多くの場合、ホットアイルとコールドアイルを密閉するように配置されています。適切なエアダクトの配置は、冷気と温気が混ざるのを防ぎます。キャビネットの列は互いに向かい合うように配置することで、冷気と温気の吸気口と排気口が混ざり合うのを防ぎ、冷却効率を著しく低下させません。

あるいは、床下パネルを複数設置することで、効率的な冷気経路を作り、上げ床の通気口タイルへと導くことができます。コールドアイルまたはホットアイルのいずれかを封じ込めることができます。[ 79 ]

もう一つの選択肢は、キャビネットに垂直排気ダクトの煙突を取り付けることです。[ 80 ]高温の排気管／通気口／ダクトは、吊り天井上部のプレナム空間に空気を導き、そこから冷却ユニットまたは屋外の通気口へと空気を送ります。この構成では、従来のホットアイル／コールドアイル構成は不要です。[ 81 ]

防火

FM200消火タンク

データセンターには、パッシブ設計要素とアクティブ設計要素を含む防火システムに加え、運用段階における防火プログラムの実施が備えられています。火災の初期段階における早期警報を提供するために、通常 、煙検知器が設置されています。

メインルームでは、回路基板の壊れやすい性質上、ウェットパイプベースのシステムは通常許可されませんが、施設の残りの部分や、閉鎖系である冷気/暖気通路の空気循環システムでは、次のようなシステムを使用することができます。[ 82 ]

しかし、特に敏感な地域では、火災を消すための他の手段も存在し、通常はガス消火剤を使用します。その中で最も普及していたのはハロンガスでしたが、その製造と使用の悪影響が発見されました。[2]

安全

物理的なアクセスは通常制限されています。多層的なセキュリティは、フェンス、ボラード、マントラップなどから始まることがよくあります。[ 83 ]データセンターが大規模であったり、機密情報が保管されている場合は、ビデオカメラによる監視と常駐の警備員がほぼ必ず配置されています。指紋認証によるマントラップも一般的になりつつあります。

一部のデータ保護規制ではアクセスログの記録が義務付けられており、一部の組織ではこれをアクセス制御システムと密接に連携させています。正面玄関、内部の部屋への入口、機器キャビネットでは、複数のログエントリが発生する可能性があります。キャビネットのアクセス制御はインテリジェント配電ユニットと統合することができ、これにより、ロックを同じ機器を介してネットワーク化することができます。[ 84 ]

エネルギー使用

人工知能の成長に支えられ、2020年代にはデータセンターの電力需要が増加しました。[ 85 ]
Google データセンター、オレゴン州ザ・ダレス

エネルギー消費はデータセンターにとって重要な課題です。消費電力は、小規模なサーバーラックでは数キロワット（kW）から、大規模施設では数十メガワット（MW）に及びます。現代のハイパースケールデータセンターは、継続的なデジタルワークロードの管理に必要なサーバーと冷却システムの高密度化により、従来のオフィスビルの100倍を超える電力密度を示すことがあります。[ 86 ]電力密度の高い施設では、電気代が運用コストの大部分を占め、データセンターの総所有コスト（TCO）の10%以上を占めます。[ 87 ]

温室効果ガスの排出

米国環境保護庁（EPA）によると、2024年にはデータセンターが世界の電力消費量の約1.5%（約415 TWh）を占め、温室効果ガス排出量の約1%を占めると推定されている。[ 88 ]しかし、急速な拡大により予測値は急上昇している。AIによる需要の加速により、IEAのベースケースシナリオでは、データセンターの世界の電力消費量は2030年までに2倍以上の約945 TWhに達すると予測されており、これは2030年の世界の総電力消費量の3%弱に相当する。[ 4 ]この増加する電力需要は、依然として化石燃料によって発電されているものが多く、環境への影響を増大させる可能性がある。[ 89 ]また、建物などに埋め込まれた排出物を含め、ライフサイクル排出量も考慮する必要があると述べている。 [ 90 ]

世界のデータセンターからの二酸化炭素排出量は、2024年の推定2億2000万トンから、2035年までに3億～3億2000万トンに増加すると予測されています。 [ 91 ] GoogleとMicrosoftは現在、それぞれ比較的大きな国の消費電力を上回る電力を消費しており、100カ国以上の消費量を上回っています。[ 92 ]その結果、脱炭素化を求める業界の圧力が高まっています。企業は直接的なクリーンエネルギー契約を追求しており、例えばテンセントは2030年までにカーボンニュートラルになることを誓約し、[ 93 ] Microsoftは2024年にスリーマイル島原子力発電所を再開し、 AIデータセンターの電力の100%を20年間供給するという契約を締結しました。[ 94 ]

エネルギー使用の経済分析

エネルギー効率とオーバーヘッド

データ センターで最も一般的に使用されるエネルギー効率の指標は電力使用効率(PUE) です。これは、データ センターに供給される総電力を IT 機器が使用する電力で割った比率として計算されます。

PあなたE＝施設全体の電力IT機器の電源{\displaystyle \mathrm {PUE} ={{\mbox{施設総電力}} \over {\mbox{IT機器電力}}}}

PUEは、天井機器（冷却、照明など）の消費電力の割合を示す。米国の平均的なデータセンターのPUEは2.0である[ 95 ]。これは、IT機器に供給される1ワットに対して、天井機器とIT機器の合計電力が2ワット消費されていることを意味する。最先端のデータセンターのPUEは約1.2と推定されている[ 96 ]。Googleは、稼働中のデータセンターの効率指標を四半期ごとに公開している[ 97 ] 。二相浸漬冷却では、PUEが1.01まで低下した[ 98 ] 。

米国環境保護庁（EPA）は、独立型および大規模データセンターを対象としたEnergy Star評価制度を設けています。このエコラベルの認定を受けるには、データセンターは報告された全施設の中でエネルギー効率が上位4分の1以内である必要があります。 [ 99 ] 2015年エネルギー効率改善法（米国）は、データセンターを含む連邦政府施設の効率的な運用を義務付けています。カリフォルニア州規則集第24編（2014年）は、新たに建設されるすべてのデータセンターに、エネルギー効率を最適化するための何らかの気流封じ込め措置を講じることを義務付けています。

欧州連合も同様の取り組みを行っている。EUデータセンター行動規範である。[ 100 ]

効率性の向上と再生可能エネルギーの統合は、排出量の一部を相殺するのに役立っていますが、化石燃料は依然として世界中のデータセンター運営の主要な電力源です。[ 101 ]

2011年、データセンターのサーバーラックは25kW以上を想定して設計され、典型的なサーバーは消費した電力の約30%を無駄にしていると推定されていました。情報ストレージシステムのエネルギー需要も増加しています。高可用性データセンターは1MWの需要があり、その寿命を通じて20,000,000ドルの電力を消費すると推定されており、冷却はデータセンターの総所有コストの35%から45%を占めています。計算によると、2年後にはサーバーの電源と冷却のコストが、サーバーハードウェアの購入コストに匹敵する可能性があります。[ 102 ] 2018年の研究では、ITリフレッシュレートを最適化し、サーバーの使用率を高めることで、かなりの量のエネルギーを節約できることが示されています。[ 103 ]タスクスケジューリングの最適化の研究も進行中で、研究者はエネルギー消費を6%から44%削減できるエネルギー効率の高いスケジューリングアルゴリズムの実装を目指しています。 [ 104 ]

2011年、Facebook、Rackspaceなどが、より環境に優しいデータセンターコンピューティング技術のオープンスタンダードを開発・公開するために、Open Compute Project （OCP）を設立した。プロジェクトの一環として、Facebookは、プラインビルの最初の専用データセンター用に構築したサーバーの設計を公開した。サーバーを高くすることで、より効果的なヒートシンクのためのスペースが生まれ、より少ないエネルギーでより多くの空気を動かすファンの使用が可能になった。市販の既製サーバーを購入しないことで、マザーボード上の不要な拡張スロットやグラフィックカードなどの不要なコンポーネントによるエネルギー消費も削減された。[ 105 ] 2016年にGoogleがこのプロジェクトに参加し、48V DCの浅いデータセンターラックの設計を公開した。この設計は、長らくGoogleデータセンターの一部であった。データセンターに通常配備される複数の変圧器を排除することで、Googleはエネルギー効率を30％向上させた。[ 106 ] 2017年には、OCP設計に基づいて構築されたデータセンターハードウェアの売上高は12億ドルを超え、2021年までに60億ドルに達すると予想されています。[ 105 ]

電力と冷却の分析

CERNのデータセンター（2010年）

電力はデータセンターのユーザーにとって最も大きな経常コストです。[ 107 ] 70°F（21°C）以下で冷却すると、お金とエネルギーが無駄になります。[ 107 ]さらに、相対湿度の高い環境で機器を過度に冷却すると、機器が大量の水分にさらされ、回路内の導電性フィラメントに塩分が堆積しやすくなります。[ 108 ]

電力および冷却分析は熱評価とも呼ばれ、特定のエリアの相対温度と、特定の周囲温度を処理する冷却システムの能力を測定します。[ 109 ]電力および冷却分析は、ホットスポット、より高い電力使用密度を処理できる過剰冷却エリア、機器負荷のブレークポイント、上げ床戦略の有効性、およびデータセンター全体の温度のバランスをとるための機器（ACユニットなど）の最適な配置を特定するのに役立ちます。電力冷却密度は、センターが最大容量で冷却できる平方フィートの面積の尺度です。[ 110 ]データセンターの冷却は、サーバーに次いで2番目に多くの電力を消費します。冷却エネルギーは、最も効率的なデータセンターで総エネルギー消費量の10％から、標準的な空冷式データセンターで最大45％まで変化します。

エネルギー効率分析

エネルギー効率分析は、データセンターのIT機器および設備のエネルギー使用量を測定します。典型的なエネルギー効率分析では、データセンターの電力使用効率（PUE）などの要素を業界標準と比較し、機械的および電気的に非効率な要因を特定し、空調管理指標を特定します。[ 111 ]しかし、現在のほとんどの指標やアプローチには、ITが分析に含まれていないという限界があります。ケーススタディでは、データセンターのエネルギー効率を総合的に改善することで、他の方法では実現できない大幅な効率向上が達成できることが示されています。[ 112 ]

数値流体力学（CFD）解析

この種の解析では、高度なツールと技術を使用して各データセンターに存在する固有の熱条件を理解し、数値モデルを使用してデータセンターの温度、気流、圧力の挙動を予測し、パフォーマンスとエネルギー消費を評価します。 [ 113 ]これらの環境条件の影響を予測することにより、データセンターのCFD解析を使用して、高密度ラックと低密度ラックが混在した場合の影響[ 114 ]や、冷却リソース、不適切なインフラストラクチャ管理方法、定期メンテナンスのためのAC障害またはACシャットダウンへのその後の影響を予測できます。

温度ゾーンマッピング

サーマルゾーンマッピングは、センサーとコンピュータモデリングを使用して、データセンター内のホットゾーンとクールゾーンの3次元画像を作成します。[ 115 ]

この情報は、データセンター機器の最適な配置を特定するのに役立ちます。例えば、重要なサーバーは、冗長化された空調ユニットで冷房されている冷房ゾーンに配置するなどです。

グリーンデータセンター

フランスのストラスブール港にあるこの水冷式データセンターは、環境に優しいと主張しています。

データセンターは大量の電力を消費しますが、その主な用途は2つあります。1つは機器の稼働に必要な電力、もう1つは機器の冷却に必要な電力です。電力効率は、前者のカテゴリーの電力を削減します。

自然な方法による冷却コストの削減には、立地の決定も含まれます。光ファイバー接続、電力網への接続、そして機器管理のための人員集中を避けることを重視する場合、データセンターはユーザーから数マイル離れた場所に設置できます。GoogleやFacebookのような大規模データセンターは、人口密集地の近くに設置する必要はありません。外気を利用して冷却できる北極圏の地域は、ますます人気が高まっています。[ 116 ]

再生可能エネルギー源ももう一つのプラス要因です。そのため、カナダ[ 117 ] 、 [ 118 ]、[ 119 ]、[ 120 ]、[ 121 ]といった好条件の国々は、クラウドコンピューティング・データセンターの誘致に取り組んでいます。

シンガポールは2022年4月、3年間続いたデータセンターの新規建設禁止を解除した。アジア太平洋地域の主要なデータセンターハブであるシンガポールは、[ 122 ] 2022年にデータセンターの新規建設プロジェクトのモラトリアムを解除し、4つの新規プロジェクトを承認したが、20件を超える新規データセンターの申請のうち16件以上を却下した。シンガポールの新しいデータセンターは、「水使用効率（WUE）2.0/MWh、電力使用効率（PUE）1.3未満」など、非常に厳格なグリーン技術基準を満たす必要があり、「シンガポールBCA-IMDA新データセンターグリーンマークのプラチナ認証」を取得している必要がある。この基準では、脱炭素化と水素電池または太陽光パネルの使用が明確に規定されている。[ 123 ] [ 124 ] [ 125 ] [ 126 ]

エネルギーの再利用

空冷式データセンターから発生する熱を再利用することは非常に困難です。そのため、データセンターのインフラにはヒートポンプが設置されることが多くなっています。[ 127 ]

電気料金への影響

2020年代の暗号通貨マイニングと人工知能のブームも電力需要の増加につながっており、 [ 128 ] [ 129 ] IEAは、2022年から2026年の間に世界のデータセンターの電力需要が倍増すると予想しています。[ 130 ] Open Energy Outlookが作成した2025年のエネルギーモデルによると、米国では2030年までに全国のエネルギー価格が8％上昇する可能性があります。[ 130 ]ビットコインは2023年に米国の電力の2％を消費しました。[ 131 ]これにより、一部の地域、[ 132 ]特にカリフォルニア州サンタクララ、[ 133 ]やニューヨーク州北部の一部など、多くのデータセンターがある地域で電気料金が上昇しています。[ 134 ] [ 131 ]また、ロンドンでの住宅開発も困難になっています。[ 135 ]バンク・オブ・アメリカ研究所が2024年7月に発表した報告書によると、AIの導入も一因となって電力需要が増加し、それが電気料金の上昇に繋がっており、電力インフレの大きな要因となっていることがわかりました。[ 136 ] [ 137 ] [ 138 ]ハーバード大学ロースクールが2025年3月に発表した報告書によると、電力会社は大手ハイテク企業からデータセンターの契約を獲得するために競争が激化しているため、アメリカの消費者の負担を増やすことで、これらの1兆ドル企業への補助金を電気料金の中に隠している可能性が高いことがわかりました。[ 139 ]

社会と環境への影響

水の使用

AIデータセンターの急速な拡大は、特に干ばつが発生しやすい地域において、その水消費量に関する重大な懸念を引き起こしている。国際エネルギー機関（IEA）によると、100メガワットのデータセンター1つは、1日あたり最大200万リットル（53万米ガロン）の水を使用する可能性があり、これは6,500世帯の1日あたりの消費量に相当します。[ 140 ] [ 141 ]水の使用量は、オンサイト（データセンターからの直接使用）、オフサイト（電力からの間接使用）、サプライチェーン（製造プロセスからの水使用）の3つのカテゴリーに分けられます。[ 142 ]

オンサイト水使用量とは、データセンターが機器の冷却のために直接消費する水を指します。[ 142 ]水は、具体的には、空間加湿（空気に水分を加える）、蒸発冷却システム（サーバー室に入る前に空気を冷却する）、[ 140 ]および冷却塔（施設から熱を除去するために水を使用する）に使用されます。[ 143 ]

オフサイト水使用量とは、データセンターで発電された電力から間接的に消費される水使用量のことです。米国のデータセンターの電力の56%は、水蒸気を利用して発電する火力発電所の化石燃料から供給されていると推定されています。 [ 144 ]

最後に、データセンターはAIチップとサーバーの製造プロセスで水を消費します。特にこれらのチップは、半導体工場の製造と冷却のために大量の超純水を消費します。[ 142 ]この範囲の水使用量は、オンサイトおよびオフサイトの水使用量ほど大きくはありませんが、それでも一因となっています。

水使用の影響

2022年以降、新規データセンターの3分の2以上が、水不足が既に深刻な問題となっているテキサス州、アリゾナ州、サウジアラビア、インドなど、水ストレス地域に建設されています。データセンターの世界的なウォーターフットプリントは年間5,600億リットル（150 × 10 9米ガロン）と推定されており、 AI需要の 増加により2030年までに倍増すると予測されています。[ 145 ] [ 146 ]^

スペインのアラゴン州などの地域では、アマゾンが計画しているデータセンターは年間75万5,720立方メートル（612.67エーカー・フィート）の水を取水する許可を得ており、同じく枯渇しつつある水資源に依存している農家との対立を引き起こしている。チリ、オランダ、ウルグアイでも同様の緊張が生じており、技術インフラへの水の転用に対して地域社会が抗議している。[ 145 ] [ 147 ]

マイクロソフト、グーグル、アマゾンなどのテクノロジー企業は、2030年までに消費量を上回る水を補給することを目指し、「ウォーター・ポジティブ」になることを誓約している。しかし、批評家は、こうした取り組みはしばしば水のオフセットに依存しており、深刻な地域的な水不足には対処できないと指摘している。[ 145 ] [ 147 ]

2028年までに少なくとも59の追加データセンターが、水不足に悩む米国の地域に建設される予定であり、AIの世界の水需要は2027年までに66億立方メートル（1,700 × 10 9 米ガロン）に達すると予測されている。アリゾナ州立大学の水政策専門家、キャサリン・ソレンセン氏は、データセンターの建設に疑問を呈し、「税収の増加と比較的わずかな雇用数は、水に見合う価値があるのか​​？」と問いかけた。[ 148 ] [ 149 ] [ 146 ]^

電子廃棄物

データセンターは、デジタルトランスフォーメーションと人工知能の需要を満たすために、サーバー、GPU、CPU、メモリ、ストレージデバイスなどのハードウェアを2〜5年ごとに頻繁に交換するため、大量の電子廃棄物（ e-waste）を生成します。 [ 150 ]世界的に、e-wasteは2022年に6,200万トンに達し、生成AIは2030年までに年間120万〜500万トンになると予測されており、銅や金などの貴金属や鉛や水銀などの有害物質が含まれます。[ 150 ]米国では、データセンターは廃棄されたe-wasteの価値で年間100億ドルの損失に貢献しており、これには40億ドル相当の貴金属が含まれます。世界のe-wasteのうち、正式に収集されリサイクルされているのはわずか22％で、輸出された廃棄物が処理されることが多い開発途上国の非公式な処理施設で環境汚染と健康リスクを悪化させています。[ 150 ] [ 151 ]政治生態学の観点 から見ると、データセンターの電子廃棄物は、資源管理と環境正義における力関係の不均衡を浮き彫りにしています。テクノロジー企業は税制優遇措置の恩恵を受ける一方で、有害物質の輸出や埋め立てによる負担を通じて、社会的弱者コミュニティにコストを負わせているからです。[ 152 ]これは、金属などの共有資源が公平なガバナンスなしに枯渇するという、コモンズに関する議論と結びついています。緩和戦略としては、モジュール式ハードウェア設計、再利用のための安全なデータ消去、そして最適化されたシナリオでは廃棄物を最大86%削減できる生産者責任政策の拡大などが挙げられます。[ 150 ]

政治生態学では

データセンターは、技術インフラにおける権力、政治、環境変化の交差点を探る政治生態学の観点から分析されることが増えている。 [ 153 ]学者たちは、これらの施設が、疎外された地域や脱工業化地域に位置することで都市部や農村部の景観を再形成し、多くの場合放棄された場所を再利用しながら、雇用創出と税収による経済再活性化を約束していると主張している。[ 153 ]たとえば、オレゴン州プリネビルやスウェーデンのルレオなどの田舎町のハイパースケールデータセンターは、従来の中核周辺のダイナミクスに挑戦するだけでなく、デジタルアクセスとリソース配分における世界的な不平等を悪化させる可能性がある。[ 153 ]デジタル変革 の文脈では、データセンターはクラウドコンピューティング、人工知能、機械学習の拡張を可能にするが、大きな生態学的および社会的コストを伴っている。[ 154 ]科学技術研究（STS）の批評家は、マイクロソフトやグーグルのような企業によるカーボンニュートラル目標などの企業の持続可能性の誓約が、利益を私有化し環境への害を社会化するようなオフセットや再生可能エネルギーの補助金に依存していることが多いと指摘している。[ 154 ]これはコモンズに関する議論と結びついており、データセンターによる公共資源（電力網や水道など）の集中的な使用は囲い込みを意味し、テクノロジー企業は地域社会を犠牲にして税制優遇や優先アクセスを受けている。[ 154 ]

特に2020年以降のAIブームの中で、騒音公害、水不足、公共料金の高騰、土地の無秩序な拡大を理由に住民が新しい施設に反対するなど、コミュニティの抵抗が高まっている。[ 155 ] [ 156 ]例としては、ジョージア州カウエタ郡での超党派によるモラトリアム（2025年）、バージニア州プリンスウィリアム郡での大規模プロジェクト停止をめぐる訴訟、オランダでの抗議活動による2022年のメガセンターの新設の一時的な全国禁止などが挙げられる。[ 155 ] [ 156 ]これらの対立は、データセンターがインフラのアップグレードのために「自力で支払う」ことを保証する政策など、公平なガバナンスを求める声を強調している。[ 156 ]

ダイナミックなインフラストラクチャ

ダイナミックインフラストラクチャ[ 157 ]は、データセンター[ 158 ]内で、いつでもどこでも、ワークロードをインテリジェントかつ自動的かつ安全に移動する機能を提供します。これは、移行、プロビジョニング[ 159 ] 、パフォーマンス向上、またはコロケーション施設の構築などに役立ちます。また、物理システムまたは仮想システムの定期メンテナンスを中断を最小限に抑えながら実行することも可能です。関連する概念として、コンポーザブルインフラストラクチャがあります。これは、利用可能なリソースを必要なときにのみ、ニーズに合わせて動的に再構成することを可能にします。[ 160 ]

副次的なメリットとしては

ネットワークインフラストラクチャ

データセンターのネットワーク運用制御室を監視する運用エンジニア（2006年）
データセンターのネットワークインフラストラクチャの例

今日のデータセンターにおける通信は、ほとんどの場合、インターネットプロトコルスイートを実行するネットワークに基づいています。データセンターには、サーバー間および外部とのトラフィックを転送するルーターとスイッチのセットが含まれており、これらはデータセンターネットワークアーキテクチャに従って接続されています[ 162 ]。インターネット接続の冗長性は、多くの場合、2つ以上の上流サービスプロバイダーを使用することで提供されます（マルチホーミングを参照）。

データ センターの一部のサーバーは、電子メール サーバー、プロキシ サーバー、DNSサーバーなど、組織内の内部ユーザーが必要とする基本的なインターネット サービスとイントラネットサービスを実行するために使用されます。

ネットワークセキュリティ要素も通常導入されています。ファイアウォール、VPNゲートウェイ、侵入検知システムなどです。ネットワークと一部のアプリケーションの監視システムも一般的です。データセンター内の通信障害に備えて、オフサイト監視システムも追加で導入されるのが一般的です。

ソフトウェア/データのバックアップ

データ バックアップの相互に排他的ではないオプションは次のとおりです。

  • 現場で
  • オフサイト

オンサイトは伝統的であり[ 163 ]、その大きな利点の1つは即時に利用できることです。

オフサイトバックアップストレージ

データのバックアップ技術には、データの暗号化されたコピーをオフサイトに保管することが含まれる。データの転送には以下の方法がある。 [ 164 ]

  • 顧客に磁気テープなどの物理媒体にデータを書き込ませ、そのテープを別の場所に輸送する。[ 165 ]
  • 適切なリンクを使用して、バックアップ中にデータを別のサイトに直接転送します。
  • データを「クラウドに」アップロードする。[ 166 ]

モジュラーデータセンター

40フィートのポータブルモジュラーデータセンター

迅速な導入やIT 災害復旧のために、いくつかの大手ハードウェア ベンダーは、非常に短時間でインストールして運用できるモバイル/モジュラー ソリューションを開発しました。

マイクロデータセンター

マイクロデータセンター（MDC）は、従来のデータセンターよりも規模が小さいながらも、同じ機能を提供するアクセスレベルのデータセンターです。[ 167 ]通常はデータソースの近くに設置され、通信遅延を減らします。規模が小さいため、広いエリアに複数のMDCを分散させることができます。[ 168 ] [ 169 ] MDCは、ユーザー向けのフロントエンドアプリケーションに適しています。[ 170 ]エッジコンピューティングや、低遅延のデータ処理が必要なその他の分野でよく使用されます。 [ 171 ]

宇宙のデータセンター

太陽同期軌道データセンターの設計。惑星の夜明け/夕暮れの移行期間の上空を周回します。
AIスーパーコンピューティング衛星の太陽同期軌道アニメーション

宇宙データセンターとは、低軌道上の宇宙空間にデータセンターを設置するという提案です。理論的な利点としては、宇宙太陽光発電に加え、気象衛星からの気象予報や気象予測計算への貢献[ 172 ]、そして自由なスケールアップが可能なことが挙げられます[ 173 ]。

課題としては、気温変動、宇宙線、微小隕石などが挙げられる。[ 172 ]

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参照

注記

  1. ^ 1960年（1945年）以前に開発された米軍のENIACなどのマシンを収容していた古い大型コンピュータ室は、現在ではデータセンターと呼ばれています。
  2. ^ 1960 年代初頭までは、コンピューターを使用していたのは主に政府であり、それは今日データ センターと呼ばれる部屋に設置された大型のメインフレームでした。
  3. ^ 1990年代には、入力装置や表示装置を備えずに動作する、ネットワーク接続されたミニコンピュータ（サーバー）が旧式のコンピュータ室に設置されていました。これらの新しい「データセンター」または「サーバー室」は社内に構築され、低コストのネットワーク機器と共存していました。
  4. ^ 2000年代初頭、ドットコムビジネスが拡大していた時期に、データセンターの建設が盛んに行われました。
  5. ^ 2011年5月、データセンター調査機関Uptime Instituteは、調査対象となった大企業の36%が今後18ヶ月以内にITキャパシティの枯渇を予想していると報告しました。James Niccolai 、「データセンター、キャパシティニーズを満たすためにアウトソーシングへ」CIOマガジン。 2011年11月15日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2011年9月9日閲覧。
  6. ^間接システムにより、機械式チラーや従来のエアコンの必要性が減ったり、不要になったりするため、エネルギーを節約できます。
ウィキメディア コモンズには、データ センターに関連するメディアがあります。
ウィキブックスには、 「データセンターの設計と組織」に関する書籍があります。
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