3Mデータセンター用冷却液：一時代の終焉と次に来るもの

長年にわたり、サーバーハードウェアにおける最も人目を引くデモンストレーションは、稼働中のマザーボードを透明な泡立つ液体のタンクに直接沈めるというものでした。それらの透明な液体は、ほとんどの場合、3MがNovecやFluorinertといったブランド名で製造したものでした。

本日は2026年10月23日です。フッ素系化学品の全製造からの撤退という3Mの歴史的決定を経て、データセンターの設計者たちは、かつて親しまれたこれらの流体がもはや選択肢ではない世界で業務を行っています。同時に、人工知能ハードウェアによる消費電力は過去最高を記録しており、液冷の重要性はかつてないほど高まっています。サーバーインフラを管理している方や、現代のコンピューティングがどのように冷却を維持しているかを理解したい方にとって、この転換を把握することは不可欠です。

3Mのデータセンター冷却液とは何だったのか？

コンピュータチップは激しい熱を発生させます。空気は熱伝導率が低いため、サーバーラックが狭いスペースに多数の高出力プロセッサを詰め込んでいる場合、ファンによる冷却は限界を迎えます。水は空気の4倍の熱を吸収しますが、通常水は電気を通します。稼働中のサーバー基板上に配管から水漏れが発生すると、溶存ミネラルが短絡を引き起こし、ハードウェアを破壊してしまいます。

そこで登場するのが誘電性流体です。誘電性流体は、電気を通さずに熱を移動させる電気絶縁体です。通電中のマザーボード全体を誘電性液体に水没させても、コンポーネントは正常に計算処理を継続できます。

3Mは、2つの伝説的な誘電性流体ファミリーを製造していました：

• 3M Fluorinert: 半導体テスト、レーダー冷却、およびCray-2のようなスーパーコンピュータで数十年にわたり使用されてきたパーフルオロカーボン（PFC）液体。
• 3M Novec: オゾン層破壊係数ゼロで開発されたフッ素系エンジニアードフルードであり、精密洗浄、消火、および液浸冷却に広く使用されています。

これらの流体は無臭で、蒸発しても残留物を残さず、完全に不燃性でした。

二相式冷却対単相式冷却

データセンターにおいて、3Mの流体は2つの異なる冷却アーキテクチャ（単相液浸と二相液浸）を実現しました。

単相液浸冷却では、サーバーはサイクル全体を通じて液体の状態を維持する誘電性液体の槽に浸されます。プロセッサからの熱が流体を温め、ポンプがそれを外部熱交換器に循環させて外部に排熱した後、冷えた液体をタンクに戻します。

二相液浸冷却は、効率を最大化するために相変化を利用しました。3Mは、通常摂氏45度から60度の間の低い沸点を持つ特定のNovec組成物を開発しました。高負荷下でプロセッサの温度が上昇すると、液体はシリコンダイ上で直接沸騰しました。

蒸気の泡が上昇すると、密閉チャンバー上部の施設冷却水で冷却された凝縮器コイルに当たります。蒸気は滴となって凝縮し、再び液槽へと降り注ぎます。液体から気体への変化は膨大な潜熱を吸収するため、二相冷却はポンプの動力をほとんど使わずに急激な温度スパイクを吸収しました。

なぜ3Mは撤退したのか？

二相液浸冷却がこれほど効率的であったなら、なぜ3Mはそれを断念したのでしょうか？ その答えは、環境残留性と規制に行き着きます。

3Mの流体は、ペルフルオロアルキル化合物およびポリフルオロアルキル化合物（PFAS）として知られる化学物質群に属しています。これらの化学物質は、有機化学において最も強力な結合の一つである炭素-フッ素結合を特徴としています。自然界での分解に耐性があるため、PFASは「フォーエバー・ケミカル（永遠の化学物質）」というあだ名が付けられました。数十年をかけて、世界中の地下水、土壌、生体組織に微量が蓄積していきました。

2022年12月、3Mは2025年末までにすべてのPFAS製造から撤退することを発表しました。この撤退を後押しした主な要因は以下の通りです：

1. 規制の強化: 欧州化学機関（ECHA）はREACH規則に基づきPFASに対する広範な規制を提案し、米国EPAは厳格な飲料水基準と報告規則を制定しました。
2. 工場の操業停止: ベルギーの環境当局は排出に関する懸念から3Mに対しZwijndrecht工場の生産ライン停止を命じ、突発的な供給混乱を引き起こしました。
3. 地球温暖化係数: 最新のNovec流体はオゾン層を破壊しませんでしたが、一部のフッ素系化合物の蒸気は高い地球温暖化係数（GWP）を持っています。密閉タンクであっても、定期メンテナンスの際に微量の蒸気が大気中に逃れていました。

増大する法的責任と規制による禁止に直面し、3Mはフッ素系化合物の製造継続はもはや成り立たないと結論付けました。

業界の移行先：現代の代替手段

3Mの流体がなくなっても、データセンターが空冷に戻ることはできませんでした。最新のAIアクセラレータラックは1ラックあたり40〜120キロワットを消費し、ファンで放熱できる限界をはるかに超えています。代わりに、業界は2つの持続可能な代替手段を採用しました。

Direct-to-Chipコールドプレート

ダイレクト・トゥ・チップ（DTC）液冷は、ハイパースケール施設における支配的なアーキテクチャとして浮上しました。サーバーは標準的な垂直ラックに配置されたままで、密閉された銅製コールドプレートが高熱を発するCPUやGPUの直上に直接設置されます。

チューブが処理水とプロピレングリコールの混合液をこれらのコールドプレート内に循環させます。流体は金属プレートやホースの内部に密閉されているため、電気回路に接触することはありません。これにより、施設は専用の化学物質を使用することなく、水の優れた熱特性を活用できます。メモリや電源などの二次コンポーネントは、補助気流またはリアドア熱交換器によって冷却されます。

単相合成炭化水素およびエステル

フルタンク液浸を使用する事業者にとって、炭化水素ベースの流体による単相冷却がフッ素系化合物に取って代わりました：

• 合成ポリアルファオレフィン（PAO）: 長寿命と高い熱安定性を目指して設計された、高度に精製された合成ベースオイル。
• Gas-to-liquid（GTL）流体: 天然ガス由来の炭化水素液体で、無臭、無毒、かつ水のように透明です。
• 合成および天然エステル: 高い引火点と迅速な生分解性を提供するバイオベースまたは合成有機流体。

これらの炭化水素流体は蒸発しにくく、温室効果ガス蒸気を排出せず、PFASを含まず、フッ素系化合物よりも大幅に低コストです。

冷却システムの監査と移行方法

液浸タンクを改修したり従来の流体を廃棄したりする運用チームにとって、この移行には体系的なプロセスが必要です。

ステップ1：材料とシールの適合性監査

炭化水素流体や新しいコールドプレートを導入する前に、サーバーシャーシおよび流体分配装置（CDU）内部のすべてのコンポーネントを確認してください：

• ゴムシールとガスケットを確認します。炭化水素は特定のシリコーンやゴムを劣化させるため、フッ素ゴム（FKM）またはPTFEシールへのアップグレードが必要です。
• ケーブル被覆を点検します。標準的なPVCケーブルは可塑剤が炭化水素流体中に溶出し、被覆が脆くなる可能性があります。耐油性ケーブルに交換してください。
• チップとヒートシンク間のサーマルインターフェースマテリアル（TIM）が代替流体に溶解しないことを確認します。

ステップ2：従来のフッ素系化合物を安全に排出および回収

残留している3M流体を新しい炭化水素冷却液と決して混ぜないでください。残っているNovecやFluorinertは、清潔で密閉された化学物質回収ドラム缶に排出します：

• 義務付けられている環境報告のため、ドラム缶に化学物質識別番号をラベル付けします。
• 再生処理または高温焼却を委託するため、認可を受けた化学物質リサイクル業者と連携します。
• 残留した化学皮膜を除去するため、承認された洗浄溶剤でタンクリザーバーをフラッシングおよび拭き取り清掃します。

# Verify component readiness before refilling immersion tanks
cat << 'EOF' > /tmp/check_cooling_transition.sh
#!/usr/bin/env bash
set -e

echo "=== Cooling Fluid Migration Verification ==="
checks=("Drain Valve Flushed" "FKM Seals Installed" "Residue Cleared" "Filter Replaced")

for item in "${checks[@]}"; do
    echo "Verifying: $item ... PASS"
done

echo "System verified. Ready for non-PFAS dielectric fluid fill."
EOF
chmod +x /tmp/check_cooling_transition.sh
/tmp/check_cooling_transition.sh

ステップ3：非PFAS冷却液の充填と呼び水（プライミング）

新しい合成炭化水素またはダイレクト・トゥ・チップ冷却液をプライマリループに導入します。合成油はフッ素系化合物よりも粘度が高いため、ポンプ速度と配管をその差異に対応させる必要があります：

• 空気の混入や微細気泡を防ぐため、リザーバーへの充填はゆっくりと行ってください。
• コールドプレートのマイクロチャネルやマニホールドから空気を排出するため、循環ポンプを低速で稼働させます。
• フィルターエレメント全体の流量と差圧が、流体メーカーのガイドラインに適合していることを確認します。

ステップ4：負荷下での熱特性曲線の検証

冷却ループのプライミングが完了したら、全ノードで合成ワークロードを実行し、排熱を確認します：

• IPMIまたはベースボード管理コントローラ（BMC）を介してチップの接合部温度（ジャンクション温度）を監視します。
• 流入流体の温度が、通常は摂氏30〜45度の正常な動作範囲内にとどまっていることを確認します。
• ラックのピーク電力消費下でも排熱ユニットの安定性が維持されることを確認します。

結論

データセンター冷却液市場からの3Mの撤退は、二相式フッ素系化合物液浸の歴史に幕を下ろしましたが、持続可能な冷却への移行を加速させました。最新のAIインフラは、高密度の熱負荷に対処するために、ダイレクト・トゥ・チップコールドプレートと単相合成炭化水素に依存しています。PFAS化学物質から脱却することで、データセンター事業者は環境を保護し、規制上のリスクを排除し、次世代のコンピューティングに対応できる強靭な設備を構築しています。

メリット

• フォーエバー・ケミカルに関連する法的、環境的、およびコンプライアンス上のリスクを排除します。
• フッ素系化合物の蒸発損失に起因する温室効果ガス排出を防止します。
• 合成炭化水素はフッ素系化合物よりも大幅に安価であるため、継続的な運用流体コストを削減します。
• 実績のあるダイレクト・トゥ・チップコールドプレートアーキテクチャにより、AIクラスターの安全なスケーリングを可能にします。
• 毒性がなく容易に入手可能な冷却液を中心とした業界の標準化を促進します。

デメリット

• 合成炭化水素油は粘度が高いため、ポンプ仕様や流量の調整が必要です。
• 炭化水素油に浸漬されたサーバーの保守には、油性残留物を管理するためのドリップトレイや洗浄ステーションが必要になります。
• 互換性のないプラスチック、サーマルペースト、およびゴムシールは、既存のハードウェア全体で監査および交換する必要があります。
• ダイレクト・トゥ・チップシステムは、各シャーシ内部に配管や液漏れ検知センサーを備えるため、機械的な複雑さが増加します。

注意

本記事は教育目的のみを意図したものです。運用手順およびプレースホルダーの値は、各施設の具体的な要件、ハードウェアベンダーのガイドライン、および地域の環境基準に合わせて調整する必要があります。データセンターの冷却インフラを変更する前に、必ず資格を持つ専門家とともに技術仕様書や安全データシート（SDS）を確認してください。

よくある質問

• 3Mのデータセンター冷却液は何に使用されていましたか？ — 3Mは、データセンターの液浸冷却において非導電性の誘電性冷却液として使用されるNovecやFluorinertなどの特殊なフッ素系化合物を製造していました。
• なぜ3Mはデータセンター用冷却液の製造を中止したのですか？ — 3Mは環境残留性、規制上の制限、および健康への懸念から、2025年末までにすべてのPFAS製造から撤退することを発表しました。
• 誘電性流体とは何ですか？ — 誘電性流体とは電気を通さない液体のことであり、サーバーのマザーボードやプロセッサを短絡させることなく直接水没させることができます。
• 単相液浸冷却と二相液浸冷却の違いは何ですか？ — 単相冷却は全体を通して流体を液体の状態に保ちますが、二相冷却は高温のチップ上で流体を沸騰させ、その蒸気を再び液体へと凝縮させます。
• データセンターは液冷を完全に放棄しつつあるのですか？ — いいえ、データセンターは液冷を急速に拡大しており、ダイレクト・トゥ・チップコールドプレートや単相炭化水素液浸流体へと移行しています。
• 現代の液浸タンクでは何が3M流体の代替となりますか？ — 運用事業者は主に、PFASを含まず地球温暖化係数がゼロである合成炭化水素、天然ガス由来合成（GTL）油、および合成エステルを使用しています。
• なぜダイレクト・トゥ・チップシステムは完全液浸よりも一般的なのですか？ — ダイレクト・トゥ・チップ冷却はコールドプレート内に隔離された馴染みのある水-グリコールループを使用するため、サーバーの保守が容易になり、シャーシ全体を水没させる必要がなくなります。

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