私たちがオンラインで行うすべての行動によって新たなデータが生成されるため、データセンターはインターネットの基幹として重要な役割を果たしています。
データセンターは、2022年時点で世界の電力消費量の1～1.5%を占めており、すでに世界の炭素排出量に大きな影響を与えています。
今後、パワー半導体技術によるイノベーションは、データセンターのエネルギー収支の改善を可能にするかもしれません。
動画のストリーミング、ゲーム、生成AI（人工知能）の利用、あるいは単に電子メールを送信するなど、私たちは絶えず新たなデータを生み出しています。
2010年以降、生成されるデータ量は年々増加しており、その量は2ゼタバイトから始まりました。最新の推計によると、現在、毎日約3億2877万テラバイトのデータが作成されており、これは年間120ゼタバイトに相当します。
2025年までに、データ量は170ゼタバイトを超えると予測されており、わずか15年間で145倍以上の増加となります。
データセンターがインターネットの基幹である理由
このような膨大なデータトラフィックにより、データセンターはインターネットの基幹として重要な役割を果たしています。データセンターは、こうした膨大なデータの流れを24時間休みなく処理しなければなりません。
データに対する需要が絶えず増加しているため、シームレスな接続性、より高い帯域幅、広域カバレッジが求められており、現代のデータおよび通信インフラにとって厳しい要件となっています。
また、AI、特に生成AIは、このデータの増加を加速させ、ひいては電力需要を押し上げると考えられています。公共部門、企業、市民社会は、すでにデータセンターが世界の炭素排出量にすでに影響を与えていることを認識しており、この影響は今後さらに顕著になると理解されています。
改めて数字で示すと、2022年にはデータセンターだけで、国際エネルギー機関によると、世界の電力消費量の1～1.5%を占めました。
2022年の世界のデータセンターの電力消費量は460TWh（テラワット時、1TWh = 10⁹kWh）に達し、これは1億5300万世帯のエネルギー需要に相当します。2025年までに、データセンターの電力消費量は、総炭素排出量の最大3.2%を占めると予測されています。
こうした驚くべき数字は、データセンターのエネルギー効率への注目を自ずと集めています。データセンターは最もエネルギー集約的な建物の一つであり、一般的な商業オフィスビルと比べて、床面積あたり10～50倍のエネルギーを消費しています。
データセンターにおける電力消費の大部分は、高性能サーバーと冷却システムによるものです。サーバーは継続的な稼働中に非常に高温になるため、冷却が必要となります。
この冷却には、24時間体制でさらなるエネルギーが必要です。データセンターが消費するエネルギーのおよそ50%は、冷却とバックアップ電源に充てられています。
堅牢で、信頼性が高く、安全かつエネルギー効率に優れたデータセンターだけが、一方で高速なデータ伝送を可能にし、他方でネットゼロの目標と両立する効率的な運用を実現できます。
同時に、AI開発者がコンピューティングおよびデータストレージ資源を拡張できるよう、高い拡張性を備えた設計が求められています。
データセンターに対するAIの要求には、どのように応えることができるでしょうか。
データセンターは、さまざまな産業においてAI技術の進展と広範な普及を推進する上で極めて重要な役割を担っています。エネルギー消費は新たな技術において常に懸念事項でしたが、AI運用の複雑さにより、さらに多くの資源が必要となっています。
例えば、AIデータセンターには、深層学習モデルの訓練や複雑なアルゴリズムの実行に必要な膨大な計算処理を担える高性能サーバーが備えられています。
また、こうしたデータセットを安全かつ効率的に保存・管理するための大規模なストレージ容量も提供しています。これに対応するため、データセンターはこれらの需要に応えられるよう、継続的なアップグレードが必要です。
主要な問題は次のとおりです。データセンター内の電源に割り当てられる物理的スペースが限られている中で、急速に拡大する新興のAI環境において、高いデータ処理性能をどのように保証できるのか。
高いデータ処理性能をどのように保証するか
この課題への解決策は、データセンターに引き込まれる電力網から中核であるAIプロセッサに至るまで、システム全体に及ぶ必要があります。パワー半導体技術によるイノベーションにより、データセンターはエネルギー収支を改善することが可能になります。
その結果、効率が向上し、運用コストの削減にもつながります。先進的なパワー半導体は電源をより効率的にし、冷却の必要性を低減します。
世界的に見ると、これらの先進的なパワー半導体の各種を活用することで、約48TWhのエネルギー節約が可能と考えられています。これは、インフィニオンの分析によれば、3,500万トン以上のCO₂排出量削減に相当します。
適切なマイクロエレクトロニクスの採用にとどまらず、データセンターにおける低電圧電源アーキテクチャの変更も、そのエネルギー収支に好影響を与える可能性があります。これにより、電力損失の削減に加え、電力密度の向上も期待でき、さらなる計算能力の向上につながります。
効率向上に向けた有望な新素材
技術革新や改善は、新素材によっても実現できます。
窒化ガリウム（GaN）は、効率と電力密度の向上に寄与する、半導体技術における最新素材の一つです。GaN半導体は高い電気伝導性とスイッチング効率を備えており、サーバーやデータセンターのエネルギー消費の削減とエネルギー効率の向上に役立ちます。
クリーンエネルギーへの移行に向けて、世界経済フォーラムは何に取り組んでいるのでしょうか。
同時に、このような種類のパワー半導体は、従来のシリコン・トランジスタ方式の製品と比べて小型かつ軽量です。これは、電源に必要なスペースを削減し、データセンター全体で必要となるデバイス数を減らすことにもつながるため、重要な要素です。
こうした素材は、より高い電力密度、高い効率、そして低い複雑性を実現する道を開くため、ゲームチェンジャーとなり得ます。これらはすべて、最終的にCO2排出量の削減につながります。
最後に、これらの新素材の脱炭素化の可能性を示すため、もう一つの試算を紹介します。米国のすべてのデータセンターにGaN半導体が導入された場合、エネルギー節約量は3.85TWhに達すると見込まれます。これは毎年315万トンのCO2排出量削減に相当します。
