Selectarea structurii plăcii de răcire cu lichid pentru centrele de date

Pe măsură ce tehnologia de calcul cu inteligență artificială (IA), serviciile cloud, calculul de înaltă performanță și procesarea datelor la scară largă continuă să crească, centrele de date se confruntă cu sarcini termice mult mai mari decât înainte. CPU-urile și GPU-urile moderne, acceleratoarele IA și modulele server de înaltă densitate generează căldură concentrată pe care sistemele tradiționale de răcire cu aer nu o mai pot gestiona eficient.

Din acest motiv, răcirea cu lichid pentru centrele de date a devenit o soluție importantă pentru managementul termic de generație următoare. Printre diferitele tehnologii de răcire cu lichid, placa de răcire cu lichid, cunoscută și sub denumirea de placă rece cu lichid sau placă de răcire cu apă, joacă un rol esențial în transferul căldurii de la cipurile de mare putere la bucla de răcire.

Totuși, alegerea structurii potrivite a plăcii de răcire cu lichid nu este pur și simplu o chestiune de alegere a cuprului sau aluminiului. Inginerii trebuie să echilibreze performanța termică, căderea de presiune, debitul, costul de fabricație, compatibilitatea materialelor, fiabilitatea și eficiența răcirii la nivel de rack.

Pentru centrele de date care utilizează procesoare, GPU-uri și cipuri de inteligență artificială de mare putere, designul potrivit al plăcii de răcire poate afecta direct temperatura cipului, stabilitatea sistemului, puterea de pompare, eficiența energetică și costul de funcționare pe termen lung.

De ce plăcile de răcire cu lichid devin esențiale în centrele de date

Răcirea tradițională cu aer se bazează pe ventilatoare și radiatoare pentru a elimina căldura de pe servere. Această metodă funcționează pentru sarcini termice moderate, dar pe măsură ce puterea cipurilor continuă să crească, răcirea cu aer se confruntă cu mai multe limitări:

• consum mai mare de energie al ventilatorului

• capacitate limitată de eliminare a căldurii

• diferență mai mare de temperatură la intrarea și ieșirea serverului

• puncte fierbinți în jurul procesoarelor, GPU-urilor și acceleratoarelor de inteligență artificială

• dificultăți în răcirea configurațiilor de rafturi dense

• zgomot mai mare și eficiență energetică mai mică

• scalabilitate limitată pentru clustere de inteligență artificială și HPC

O placă de răcire cu lichid pentru centre de date rezolvă aceste probleme prin plasarea unui canal de răcire aproape de sursa de căldură. Căldura este transferată de la cip la baza plăcii reci, apoi eliminată prin circulația agentului de răcire.

Comparativ cu răcirea cu aer, răcirea cu lichid oferă o eficiență mult mai mare a transferului de căldură, deoarece lichidul are o capacitate de transport al căldurii mai bună decât aerul. Acest lucru face ca plăcile reci cu lichid să fie deosebit de potrivite pentru:

• răcire server AI

• răcire GPU

• răcire procesor

• răcire cluster HPC

• răcire cu rack de înaltă densitate

• răcire pentru centre de date de la margine

• infrastructură de cloud computing

• electronică de putere în sistemele centrelor de date

Pentru centrele de date care se îndreaptă spre o densitate de putere mai mare, răcirea cu lichid nu mai este doar o opțiune avansată. Devine o strategie necesară de gestionare termică.

Factori cheie în alegerea structurii plăcii de răcire cu lichid

Cea mai bună structură a plăcii de răcire cu lichid depinde de condițiile reale de funcționare. O placă rece cu cea mai mică rezistență termică nu este întotdeauna cea mai bună alegere dacă creează o cădere de presiune prea mare sau este prea scumpă de fabricat.

Înainte de a selecta o placă de răcire cu lichid personalizată, inginerii ar trebui să evalueze următorii factori.

1. sarcina termică și fluxul de căldură

Primul pas este definirea sarcinii termice totale a componentei. Aceasta se măsoară de obicei în wați. De exemplu, o placă grafică de mare putere sau un accelerator de inteligență artificială poate genera câteva sute de wați sau mai mult, în timp ce mai multe cipuri de pe o singură placă de bază pot crea o sarcină termică combinată mult mai mare.

Pe lângă puterea totală, fluxul de căldură este, de asemenea, important. Fluxul de căldură descrie câtă căldură este concentrată într-o anumită zonă. Un cip cu flux de căldură ridicat necesită o răspândire mai rapidă a căldurii și o structură internă a plăcii reci mai eficientă.

Pentru GPU-uri și cipuri de inteligență artificială de mare putere, debitul poate fi adesea cuprins între 1 și 3 lpm per placă rece, în funcție de puterea cipului, tipul de lichid de răcire, ținta de cădere de presiune și cerința de rezistență termică.

2. rezistență termică

Rezistența termică este unul dintre cei mai importanți indicatori ai performanței plăcii reci. O rezistență termică mai mică înseamnă că placa rece poate transfera căldura mai eficient de la cip la lichidul de răcire.

Totuși, rezistența termică este afectată de mai mulți factori:

• materialul plăcii reci

• grosimea bazei

• structura canalului intern

• debitul lichidului de răcire

• planeitatea suprafeței de contact

• material de interfață termică

• dimensiunea așchiilor și distribuția căldurii

• calitatea fabricației

• temperatura de admisie a lichidului de răcire

O placă rece cu microcanal de înaltă performanță poate oferi o rezistență termică foarte scăzută, dar poate crește și căderea de presiune și complexitatea fabricației.

3. căderea de presiune și puterea de pompare

Căderea de presiune este un alt factor cheie în proiectarea plăcilor de răcire cu lichid. Dacă canalul intern este prea îngust sau prea complex, lichidul de răcire poate întâmpina o rezistență mare la curgere. Acest lucru necesită pompe mai puternice și crește consumul de energie.

Într-o singură placă rece, scăderea de presiune poate părea gestionabilă, dar într-un rack complet pentru un centru de date cu mai multe servere și mai multe plăci reci, scăderea de presiune devine o problemă la nivel de sistem.

O placă bună de răcire cu lichid pentru un centru de date nu ar trebui doar să elimine căldura eficient, ci și să mențină o performanță hidraulică rezonabilă. Acest lucru ajută la reducerea puterii de pompare și îmbunătățește eficiența totală a sistemului de răcire.

4. distribuția fluxului

Pentru modulele multi-cip, procesoarele mari, plăcile grafice sau plăcile de accelerare, distribuția uniformă a lichidului de răcire este foarte importantă. O distribuție deficitară a fluxului poate face ca anumite zone să primească mai puțin lichid de răcire, creând puncte fierbinți locale.

Structura internă a plăcii reci ar trebui să ghideze uniform lichidul de răcire pe zona sursei de căldură. Acest lucru este important în special pentru răcirea cipurilor de inteligență artificială și răcirea GPU-urilor de înaltă densitate, unde căldura este concentrată, iar marginile termice sunt înguste.

5. selecția materialelor

Alegerea materialelor afectează performanța termică, costul, greutatea, rezistența la coroziune și procesul de fabricație.

Cele două materiale cele mai comune pentru plăcile reci cu lichid sunt aluminiul și cuprul.

Pentru centrele de date, plăcile reci din aluminiu sunt adesea atractive datorită avantajelor de cost și greutate. Plăcile reci din cupru sunt preferate atunci când fluxul de căldură al cipului este foarte mare, iar performanța termică este prioritatea principală.

6. metoda de fabricație

Diferite metode de fabricație duc la structuri, costuri și niveluri de performanță diferite ale plăcilor reci.

Metodele comune de fabricație includ:

• prelucrare CNC

• lipire

• sudare prin frecare prin amestecare

• lipire în vid

• fabricarea aripioarelor șanțuite

• procesare microcanal

• lipire cupru-aluminiu

• ștanțare și formare pentru unele modele de volum mare

Pentru un producător personalizat de plăci reci lichide, cheia nu este doar să proiecteze un canal de înaltă performanță, ci și să se asigure că structura poate fi fabricată în mod fiabil la scară largă.

structuri comune cu plăci de răcire cu lichid pentru centrele de date

Diferite structuri interne de plăci reci sunt potrivite pentru diferite sarcini de lucru ale centrelor de date. Principalele tipuri includ plăci reci cu aripioare șlefuite, plăci reci cu microcanal, plăci reci optimizate pentru topologie și alte structuri avansate de înaltă performanță.

1. placă rece cu lichid cu aripioare șlefuite

O placă rece cu aripioare șlefuite folosește aripioare subțiri în interiorul canalului de lichid pentru a mări suprafața de transfer de căldură. Lichidul de răcire curge prin structura aripioarelor și elimină căldura de la bază.

Aceasta este o structură relativ tradițională și utilizată pe scară largă. Oferă performanțe stabile și este potrivită pentru sarcini de lucru generale din centrele de date.

avantajele plăcilor reci cu aripioare șlefuite

• proces de fabricație matur

• suprafață bună de transfer termic

• potrivit pentru componente de putere medie spre mare

• rentabil în comparație cu structurile mai complexe

• mai ușor de personalizat pentru diferite dimensiuni

limitări

• rezistența termică poate fi mai mare decât modelele avansate cu microcanaluri

• scăderea de presiune depinde în mare măsură de densitatea aripioarelor și de calea de curgere

• nu este întotdeauna cea mai bună opțiune pentru cipuri de inteligență artificială cu flux termic extrem de ridicat

Plăcile de răcire cu lichid cu aripioare șanțuite sunt potrivite pentru răcirea generală a serverelor, răcirea procesoarelor și aplicațiile din centrele de date unde costul, fiabilitatea și fabricabilitatea sunt importante.

2. placă rece cu lichid cu microcanal

O placă rece cu microcanal folosește canale interne foarte mici pentru a mări suprafața de contact cu agentul de răcire și a îmbunătăți performanța transferului de căldură. Această structură funcționează ca un radiator răcit cu lichid de înaltă eficiență în interiorul plăcii reci.

Designurile cu microcanal sunt utile în special pentru sursele de căldură de mare densitate, cum ar fi GPU-urile, acceleratoarele de inteligență artificială și procesoarele HPC.

avantajele plăcilor reci cu microcanal

• rezistență termică foarte scăzută

• eficiență ridicată a transferului de căldură

• performanță puternică pentru surse de căldură concentrate

• potrivit pentru răcirea cipurilor AI și a GPU-urilor

• structură compactă pentru aplicații cu densitate mare de putere

limitări

• cădere de presiune mai mare decât în cazul unor modele simple de canale

• mai sensibil la curățenia lichidului de răcire

• mai dificil de fabricat

• cost mai mare în comparație cu plăcile reci standard

• necesită o proiectare atentă a distribuției fluxului

Pentru centrele de date moderne cu inteligență artificială, plăcile reci lichide cu microcanal devin din ce în ce mai importante, deoarece puterea cipurilor și fluxul de căldură cresc rapid.

3. placă rece optimizată topologic

O placă rece optimizată topologic folosește metode avansate de proiectare pentru a optimiza căile de curgere interne. Scopul este de a reduce căderea de presiune, menținând în același timp o performanță termică bună.

În unele proiecte, optimizarea topologiei poate reduce căderea de presiune cu peste 20%. Acest lucru poate fi valoros în sistemele în care puterea de pompare este o constrângere majoră.

avantaje

• scădere de presiune mai mică

• o eficiență hidraulică mai bună

• poate fi optimizat pentru anumite configurații de cipuri

• util pentru eficiența energetică la nivel de rack

limitări

• proces de proiectare mai complex

• cost de fabricație mai mare

• creșterea performanței nu justifică întotdeauna costul

• necesită simulare și validare

Structurile optimizate topologic sunt potrivite pentru centrele de date unde bucla de răcire trebuie să gestioneze multe plăci reci, iar puterea de pompare este o preocupare cheie.

4. structuri avansate de plăci reci de mare putere

Pentru cipuri sau module de putere extrem de mare, pot fi necesare structuri avansate. Aceste structuri sunt proiectate să gestioneze valori TDP foarte mari, uneori peste câteva mii de wați la nivel de sistem.

Astfel de modele pot combina:

• microcanale

• distribuția debitului în manifold

• configurație optimizată a orificiilor de intrare și ieșire

• structuri de canale multistrat

• baze de cupru cu conductivitate ridicată

• geometrie internă cu cădere de presiune redusă

• procese personalizate de etanșare și sudare

Aceste plăci reci sunt utilizate de obicei în clustere de inteligență artificială, sisteme HPC, module de accelerare de mare putere și soluții de răcire dense la nivel de rack.

compararea performanței structurilor cu plăci de răcire cu lichid

Următorul tabel rezumă caracteristicile tipice de performanță ale diferitelor structuri de plăci reci lichide.

Alegerea corectă depinde de valorile pe care clientul le acordă: cea mai mică temperatură a cipului, cea mai mică cădere de presiune, cel mai mic cost, cea mai ușoară fabricație sau cea mai bună eficiență totală a sistemului.

rezistență termică vs. cădere de presiune: compromisul cheie

În proiectarea plăcilor reci cu lichid, rezistența termică și căderea de presiune sunt adesea conectate.

O structură mai densă a aripioarelor sau un microcanal mai mic poate reduce rezistența termică deoarece mărește aria de transfer de căldură. Cu toate acestea, poate crește și rezistența la curgere, creând o cădere de presiune mai mare.

Pe de altă parte, un canal mai larg poate reduce căderea de presiune, dar este posibil să nu ofere o performanță de transfer termic suficientă pentru cipuri de mare putere.

Acest lucru creează un compromis ingineresc comun:

Pentru aplicațiile din centrele de date, obiectivul nu este de a proiecta cea mai puternică placă de răcire în mod izolat. Scopul este de a proiecta cea mai bună placă de răcire pentru întreaga buclă de răcire, inclusiv pompe, distribuitoare, conectori rapizi, unități de distribuție a lichidului de răcire și cerințe termice la nivel de rack.

Cum să alegi structura potrivită a plăcii reci pentru diferite aplicații din centrele de date

Diferite sarcini de lucru din centrele de date necesită structuri diferite de placă rece.

servere generale pentru centre de date

Pentru serverele CPU standard și sarcini termice moderate, plăcile de răcire cu aripioare șlefuite din aluminiu sau cupru pot oferi un echilibru bun între performanță, cost și fiabilitate.

structură recomandată:

• placă rece din aluminiu sau cupru

• structură simplă cu canal sau aripioare șanțuite

• debit moderat

• cădere de presiune mică spre medie

• metodă de fabricație rentabilă

servere de antrenament pentru inteligență artificială

Serverele de antrenament pentru inteligența artificială folosesc de obicei GPU-uri și acceleratoare de mare putere. Aceste cipuri generează un flux termic ridicat și necesită adesea structuri de răcire mai avansate.

structură recomandată:

• placă rece cu bază de cupru

• structura microcanalului

• distribuție optimizată a debitului

• capacitate de debit mai mare

• design cu rezistență termică redusă

clustere HPC

Sistemele HPC necesită adesea o funcționare stabilă pe termen lung și o eficiență ridicată de răcire. Atât rezistența termică, cât și căderea de presiune trebuie controlate cu atenție.

structură recomandată:

• placă rece din cupru sau cupru-aluminiu

• proiectare a fluxului cu microcanal sau cu manifold

• optimizare a căderii de presiune reduse

• etanșare și sudare fiabile

• validare la nivel de sistem

centre de date de la marginea drumului

Centrele de date de la marginea orașului pot avea spațiu limitat și pot fi implementate în medii mai puțin controlate. Fiabilitatea și structura compactă sunt foarte importante.

structură recomandată:

• Placă rece din aluminiu pentru un design ușor

• structură compactă a canalului

• tratament de suprafață rezistent la coroziune

• testare fiabilă a scurgerilor

• instalare și întreținere ușoară

Listă de verificare pentru proiectarea plăcilor de răcire cu lichid pentru centrele de date

Înainte de a dezvolta o placă de răcire cu lichid personalizată, inginerii ar trebui să confirme parametrii cheie în etapa incipientă de proiectare.

Această listă de verificare ajută la reducerea greșelilor de proiectare și permite clientului și producătorului să comunice mai eficient.

Considerații de fabricație pentru plăcile reci pentru centrele de date

O placă rece de înaltă performanță nu trebuie doar să aibă performanțe bune în simulare. Trebuie să fie și fabricabilă, fiabilă și potrivită pentru funcționarea pe termen lung a centrelor de date.

1. fiabilitatea etanșării

Centrele de date necesită o fiabilitate extrem de ridicată. Orice scurgere de agent de răcire poate provoca daune grave serverelor și sistemelor electrice. Prin urmare, plăcile de răcire trebuie să fie supuse unor teste stricte de scurgere și teste de presiune.

2. controlul coroziunii

Când se utilizează plăci reci din aluminiu, compatibilitatea cu agentul de răcire și protecția împotriva coroziunii trebuie luate în considerare cu atenție. Tratamentul suprafeței și chimia agentului de răcire sunt importante pentru fiabilitatea pe termen lung.

3. planeitate și finisaj suprafață

Suprafața de contact dintre cip și placa rece trebuie să fie suficient de plană și netedă pentru a reduce rezistența termică a interfeței. Planeitatea deficitară poate cauza o presiune de contact neuniformă și puncte fierbinți.

4. curățenie interioară

Pentru plăcile reci cu microcanale, curățenia internă este foarte importantă. Particulele mici pot bloca microcanalele și pot afecta performanța de răcire. Curățarea și inspecția corespunzătoare sunt necesare în timpul producției.

5. producție scalabilă

Proiectele de centre de date necesită adesea producție în serie. Un design al unei plăci reci ar trebui optimizat nu doar pentru performanță, ci și pentru fabricație repetată, controlul calității și stabilitatea costurilor.

Cum Kingka susține proiectele cu plăci de răcire cu lichid pentru centrele de date

kingka oferă plăci de răcire cu lichid personalizate, plăci de răcire cu apă, plăci de răcire cu lichid FSW, plăci de răcire prelucrate CNC, plăci de răcire din aluminiu, plăci de răcire din cupru și soluții complete de management termic pentru electronică de mare putere și aplicații în centre de date.

Pentru proiectele de răcire a centrelor de date, kingka poate oferi suport pentru:

• proiectare structurală cu placă rece

• selecția materialelor

• optimizarea canalului intern

• dezvoltarea plăcii reci cu microcanal

• fabricarea plăcilor reci cu aripioare șanțuite

• prelucrare CNC

• sudare prin frecare prin amestecare

• lipire și lipire prin lipire

• tratament de suprafață

• testarea scurgerilor

• evaluarea căderii de presiune

• design personalizat pe baza desenelor clientului

Suportul tehnic oferit de Kingka se concentrează pe performanța practică, fabricabilitatea, controlul costurilor și fiabilitatea pe termen lung. În loc să alegem pur și simplu o structură cu placă rece, îi ajutăm pe clienți să evalueze sistemul termic complet și să selecteze cea mai potrivită soluție pentru aplicația lor.

Rezumatul selecției structurii plăcii reci

Alegerea structurii potrivite a plăcii de răcire cu lichid pentru centrul de date necesită echilibrarea performanței termice, a căderii de presiune, a costului de fabricație, a selecției materialelor și a fiabilității la nivel de sistem.

Pentru serverele generale ale centrelor de date, plăcile reci cu aripioare șanțuite sau cu canale simple pot oferi o soluție practică și rentabilă. Pentru cipuri AI de înaltă densitate, GPU-uri și procesoare HPC, pot fi necesare plăci reci cu microcanal sau designuri avansate de distribuitoare pentru a obține o rezistență termică mai mică. Pentru sistemele în care puterea de pompare este principala preocupare, plăcile reci optimizate topologic pot ajuta la reducerea căderii de presiune și la îmbunătățirea eficienței hidraulice.

Cea mai bună placă de răcire cu lichid nu este întotdeauna cea mai complexă. Este structura care se potrivește cu sarcina termică reală, debitul, limita de cădere de presiune, necesarul de materiale, bugetul de producție și arhitectura de răcire la nivel de rack.

Kingka oferă plăci de răcire cu lichid personalizate, plăci de răcire cu lichid, plăci de răcire cu apă, radiatoare și soluții complete de management termic pentru centre de date, servere de inteligență artificială, sisteme HPC și electronică de mare putere. Prin combinarea expertizei în materiale, a designului structural, a producției de precizie și a testării fiabilității, Kingka ajută clienții să construiască soluții de răcire eficiente, stabile și scalabile pentru centre de date de generație următoare.