Wybór struktury płyty chłodzącej cieczą w centrum danych

W miarę jak rośnie znaczenie sztucznej inteligencji (AI), usług w chmurze, obliczeń o wysokiej wydajności i przetwarzania danych na dużą skalę, centra danych zmagają się ze znacznie większymi obciążeniami termicznymi niż kiedykolwiek wcześniej. Nowoczesne procesory, procesory graficzne, akceleratory AI i moduły serwerowe o wysokiej gęstości generują skoncentrowane ciepło, z którym tradycyjne systemy chłodzenia powietrzem nie są już w stanie sobie poradzić.

Z tego powodu chłodzenie cieczą centrów danych stało się ważnym rozwiązaniem w zakresie zarządzania temperaturą nowej generacji. Spośród różnych technologii chłodzenia cieczą, płyta chłodząca cieczą, znana również jako płyta chłodząca cieczą lub płyta chłodząca wodą, odgrywa kluczową rolę w przenoszeniu ciepła z układów dużej mocy do obiegu chłodziwa.

Jednak wybór odpowiedniej struktury płyty chłodzącej cieczą nie polega jedynie na wyborze miedzi lub aluminium. Inżynierowie muszą znaleźć równowagę między wydajnością cieplną, spadkiem ciśnienia, szybkością przepływu, kosztami produkcji, kompatybilnością materiałów, niezawodnością i wydajnością chłodzenia na poziomie szafy.

w przypadku centrów danych wykorzystujących procesory, karty graficzne i układy sztucznej inteligencji o dużej mocy, odpowiednia konstrukcja płyty chłodzącej może mieć bezpośredni wpływ na temperaturę układu, stabilność systemu, moc pompowania, efektywność energetyczną i długoterminowe koszty eksploatacji.

Dlaczego płyty chłodzące cieczą stają się niezbędne w centrach danych

Tradycyjne chłodzenie powietrzem opiera się na wentylatorach i radiatorach, które odprowadzają ciepło z serwerów. Ta metoda sprawdza się w przypadku umiarkowanych obciążeń cieplnych, ale wraz ze wzrostem mocy układów scalonych chłodzenie powietrzem napotyka na szereg ograniczeń:

• wyższe zużycie energii przez wentylator

• ograniczona zdolność odprowadzania ciepła

• większa różnica temperatur na wlocie i wylocie serwera

• gorące punkty wokół procesorów, procesorów graficznych i akceleratorów AI

• trudności z chłodzeniem gęstych konfiguracji stojaków

• wyższy poziom hałasu i niższa efektywność energetyczna

• ograniczona skaNiskialność klastrów AI i HPC

Płyta chłodząca cieczą do centrów danych rozwiązuje te problemy poprzez umieszczenie kanału chłodzącego blisko źródła ciepła. Ciepło jest przenoszone z układu scalonego do podstawy płyty chłodzącej, a następnie usuwane przez krążący płyn chłodzący.

w porównaniu z chłodzeniem powietrzem, chłodzenie cieczą zapewnia znacznie wyższą wydajność wymiany ciepła, ponieważ ciecz ma lepszą nośność cieplną niż powietrze. Dzięki temu płyty chłodzące cieczą są szczególnie przydatne w przypadku:

• chłodzenie serwera AI

• chłodzenie GPU

• chłodzenie procesora

• chłodzenie klastra HPC

• chłodzenie szaf o dużej gęstości

• chłodzenie centrum danych brzegowych

• infrastruktura przetwarzania w chmurze

• elektronika mocy wewnątrz systemów centrów danych

W przypadku centrów danych zmierzających w kierunku większej gęstości mocy chłodzenie cieczą nie jest już wyłącznie zaawansowaną opcją. Staje się niezbędną strategią zarządzania temperaturą.

kluczowe czynniki przy wyborze struktury płyty chłodzącej cieczą

„Najlepsza” konstrukcja płyty chłodzącej cieczą zależy od rzeczywistych warunków pracy. Płyta chłodząca o najniższym oporze termicznym nie zawsze jest najlepszym wyborem, jeśli powoduje zbyt duży spadek ciśnienia lub jej produkcja jest zbyt kosztowna.

Przed wyborem specjalnej płyty chłodzącej cieczą inżynierowie powinni wziąć pod uwagę następujące czynniki.

1. obciążenie cieplne i strumień ciepła

Pierwszym krokiem jest określenie całkowitego obciążenia cieplnego komponentu. Zazwyczaj jest ono mierzone w watach. Na przykład, procesor graficzny lub akcelerator AI o dużej mocy może generować kilkaset watów lub więcej, podczas gdy wiele układów na jednej płycie może generować znacznie większe łączne obciążenie cieplne.

Oprócz całkowitej mocy, istotny jest także strumień ciepła. Strumień ciepła opisuje, ile ciepła jest skoncentrowane w określonym obszarze. Układ scalony o dużym strumieniu ciepła wymaga szybszego rozprowadzania ciepła i bardziej wydajnej struktury wewnętrznej płyty chłodzącej.

w przypadku układów GPU i AI o dużej mocy natężenie przepływu może często mieścić się w zakresie od 1 do 3 lpm na płytę chłodzącą, w zależności od mocy układu, rodzaju chłodziwa, doceNiskiego spadku ciśnienia i wymaganej odporności termicznej.

2. opór cieplny

Opór cieplny jest jednym z najważniejszych wskaźników wydajności płyty chłodzącej. Niższy opór cieplny oznacza, że płyta chłodząca może efektywniej odprowadzać ciepło z układu scalonego do chłodziwa.

Jednak na opór cieplny wpływa wiele czynników:

• materiał na płytę chłodzącą

• grubość podstawy

• wewnętrzna struktura kanału

• natężenie przepływu chłodziwa

• płaskość powierzchni styku

• materiał termoprzewodzący

• rozmiar chipa i rozkład ciepła

• jakość produkcji

• temperatura wlotowa płynu chłodzącego

Wysokowydajna płyta chłodząca z mikrokanalikami może zapewniać bardzo niski opór cieplny, ale może również zwiększać spadek ciśnienia i złożoność produkcji.

3. spadek ciśnienia i moc pompowania

Spadek ciśnienia to kolejny kluczowy czynnik w projektowaniu płyt chłodzących cieczą. Jeśli kanał wewnętrzny jest zbyt wąski lub zbyt skomplikowany, czynnik chłodzący może napotkać duży opór przepływu. Wymaga to użycia mocniejszych pomp i zwiększa zużycie energii.

W przypadku pojedynczej płyty chłodzącej spadek ciśnienia może wydawać się możliwy do opanowania. Jednak w pełnej szafie centrum danych z wieloma serwerami i wieloma płytami chłodzącymi spadek ciśnienia staje się problemem na poziomie systemu.

Dobra płyta chłodząca cieczą w centrum danych powinna nie tylko skutecznie odprowadzać ciepło, ale także utrzymywać odpowiednią wydajność hydrauliczną. Pomaga to zmniejszyć moc pompowania i poprawić ogólną wydajność systemu chłodzenia.

4. rozkład przepływu

W przypadku modułów wieloprocesorowych, dużych procesorów, kart graficznych lub płyt akceleracyjnych bardzo ważne jest równomierne rozprowadzenie chłodziwa. Niewłaściwe rozprowadzenie przepływu może sprawić, że niektóre obszary otrzymają mniej chłodziwa, co doprowadzi do powstania lokalnych punktów zapalnych.

Wewnętrzna struktura płytki chłodzącej powinna równomiernie rozprowadzać chłodziwo po obszarze źródła ciepła. Jest to szczególnie ważne w przypadku chłodzenia układów AI i układów GPU o dużej gęstości, gdzie ciepło jest skoncentrowane, a marginesy termiczne są niewielkie.

5. dobór materiałów

Wybór materiału ma wpływ na wydajność cieplną, koszt, wagę, odporność na korozję i proces produkcji.

Dwoma najczęściej stosowanymi materiałami do produkcji płyt chłodzących cieczą są aluminium i miedź.

W przypadku centrów danych aluminiowe płyty chłodzące są często atrakcyjne ze względu na niższe koszty i niższą wagę. Miedziane płyty chłodzące są preferowane, gdy strumień ciepła układu scalonego jest bardzo wysoki, a wydajność cieplna jest priorytetem.

6. metoda produkcji

różne metody produkcji skutkują różnymi strukturami płyt chłodzących, kosztami i poziomami wydajności.

do powszechnych metod produkcji należą:

• obróbka CNC

• mosiężnictwo

• spawanie tarciowe

• lutowanie próżniowe

• produkcja płetw ciętych

• przetwarzanie mikrokanałowe

• wiązanie miedzi i aluminium

• tłoczenie i formowanie niektórych projektów o dużej objętości

Dla producenta niestandardowych płyt do chłodzenia cieczą kluczowe jest nie tylko zaprojektowanie kanału o wysokiej wydajności, ale także zapewnienie, że konstrukcja może być niezawodnie produkowana na dużą skalę.

typowe konstrukcje płyt chłodzących cieczą dla centrów danych

Różne struktury wewnętrznych płyt chłodzących nadają się do różnych obciążeń centrów danych. Główne typy obejmują płyty chłodzące z żebrami skośnymi, płyty chłodzące mikrokanalikowe, płyty chłodzące o zoptymalizowanej topologii i inne zaawansowane, wysokowydajne struktury.

1. Płytka chłodząca z płynem i żebrami

Płyta chłodząca z cienkimi żebrami wykorzystuje cienkie żebra wewnątrz kanału z cieczą, co zwiększa powierzchnię wymiany ciepła. Płyn chłodzący przepływa przez strukturę żeber i odprowadza ciepło z podstawy.

jest to stosunkowo tradycyjna i szeroko stosowana struktura. Zapewnia stabilną wydajność i nadaje się do ogólnych zastosowań w centrach danych.

zalety płyt chłodzących z żebrami łuskowanymi

• dojrzały proces produkcyjny

• dobra powierzchnia wymiany ciepła

• nadaje się do komponentów o średniej i dużej mocy

• opłacalne w porównaniu z bardziej złożonymi strukturami

• łatwiejsze dostosowywanie do różnych rozmiarów

ograniczenia

• opór cieplny może być wyższy niż w przypadku zaawansowanych konstrukcji mikrokanalików

• spadek ciśnienia w dużym stopniu zależy od gęstości żeber i ścieżki przepływu

• nie zawsze jest to najlepsza opcja dla układów AI o ekstremalnie dużym strumieniu ciepła

Płyty chłodzące z żebrami o skośnym kształcie nadają się do ogólnego chłodzenia serwerów, chłodzenia procesorów i zastosowań w centrach danych, gdzie koszty, niezawodność i łatwość produkcji mają znaczenie.

2. mikrokanałowa płytka chłodząca cieczą

Płyta chłodząca z mikrokanalikami wykorzystuje bardzo małe kanały wewnętrzne, aby zwiększyć powierzchnię kontaktu z chłodziwem i poprawić wydajność wymiany ciepła. Ta struktura działa jak wysoce wydajny radiator chłodzony cieczą wewnątrz płyty chłodzącej.

Konstrukcje mikrokanałowe są szczególnie przydatne w przypadku źródeł ciepła o dużej gęstości, takich jak procesory GPU, akceleratory AI i procesory HPC.

zalety płyt chłodzących mikrokanalikowych

• bardzo niski opór cieplny

• wysoka wydajność wymiany ciepła

• wysoka wydajność w przypadku skoncentrowanych źródeł ciepła

• nadaje się do chłodzenia układów AI i chłodzenia procesorów graficznych

• kompaktowa konstrukcja do zastosowań o dużej gęstości mocy

ograniczenia

• większy spadek ciśnienia niż w przypadku prostych konstrukcji kanałowych

• bardziej wrażliwe na czystość płynu chłodzącego

• trudniejsze do wytworzenia

• wyższy koszt w porównaniu ze standardowymi płytami chłodzącymi

• wymaga starannego zaprojektowania rozkładu przepływu

W przypadku nowoczesnych centrów danych AI mikrokanalikowe płyty chłodzące cieczą stają się coraz ważniejsze, ponieważ moc chipów i strumień ciepła szybko rosną.

3. płyta chłodząca zoptymalizowana pod kątem topologii

Zoptymalizowana pod kątem topologii płyta chłodząca wykorzystuje zaawansowane metody projektowania w celu optymalizacji wewnętrznych ścieżek przepływu. Celem jest zmniejszenie spadku ciśnienia przy jednoczesnym zachowaniu dobrych właściwości termicznych.

W niektórych projektach optymalizacja topologii pozwala na redukcję spadku ciśnienia o ponad 20%. Może to być przydatne w systemach, w których moc pompowania stanowi poważne ograniczenie.

zalety

• niższy spadek ciśnienia

• lepsza wydajność hydrauliczna

• można zoptymalizować pod kątem konkretnych układów chipów

• przydatne do optymalizacji energetycznej na poziomie szafy

ograniczenia

• bardziej złożony proces projektowania

• wyższe koszty produkcji

• wzrost wydajności nie zawsze uzasadnia koszty

• wymaga symulacji i walidacji

Struktury zoptymalizowane pod kątem topologii nadają się do centrów danych, w których pętla chłodzenia musi obsługiwać wiele płyt chłodzących, a moc pompowania jest kwestią kluczową.

4. zaawansowane struktury płyt chłodzących o dużej mocy

W przypadku układów lub modułów o wyjątkowo dużej mocy konieczne mogą być zaawansowane struktury. Struktury te są projektowane z myślą o obsłudze bardzo wysokich wartości Tdps, czasami przekraczających kilka tysięcy watów na poziomie systemu.

takie projekty mogą łączyć:

• mikrokanały

• rozdział przepływu kolektora

• zoptymalizowany układ wlotu i wylotu

• wieNiskiarstwowe struktury kanałowe

• miedziane bazy o wysokiej przewodności

• geometria wewnętrzna o niskim spadku ciśnienia

• niestandardowe procesy uszczelniania i spawania

Tego rodzaju płyty chłodzące są zazwyczaj stosowane w klastrach AI, systemach HPC, modułach akceleratorów dużej mocy i gęstych rozwiązaniach chłodzenia na poziomie szaf.

porównanie wydajności konstrukcji płytowych do chłodzenia cieczą

W poniższej tabeli podsumowano typowe charakterystyki wydajności różnych struktur płyt chłodzących cieczą.

właściwy wybór zależy od tego, czy klientowi zależy na najniższej temperaturze układu scalonego, najniższym spadku ciśnienia, najniższych kosztach, najłatwiejszej produkcji czy najlepszej całkowitej wydajności systemu.

opór cieplny kontra spadek ciśnienia: kluczowy kompromis

W przypadku konstrukcji płyt chłodzących cieczą, opór cieplny i spadek ciśnienia są często ze sobą powiązane.

Gęstsza struktura żeber lub mniejsze mikrokanaliki mogą zmniejszyć opór cieplny, ponieważ zwiększają powierzchnię wymiany ciepła. Mogą jednak również zwiększyć opór przepływu, co powoduje większy spadek ciśnienia.

z drugiej strony szerszy kanał może zmniejszyć spadek ciśnienia, ale może nie zapewnić wystarczającej wydajności transferu ciepła dla układów o dużej mocy.

prowadzi to do powszechnego kompromisu inżynieryjnego:

w przypadku zastosowań w centrach danych celem nie jest zaprojektowanie najwydajniejszej płyty chłodzącej w izolacji. Celem jest zaprojektowanie najlepszej płyty chłodzącej dla całego obiegu chłodzenia, w tym pomp, kolektorów, szybkozłączy, jednostek dystrybucji chłodziwa i wymagań termicznych na poziomie szafy.

Jak wybrać odpowiednią konstrukcję płyty chłodzącej do różnych zastosowań w centrach danych

różne obciążenia centrów danych wymagają różnych struktur płyt chłodzących.

serwery centrów danych ogólnych

W przypadku standardowych serwerów procesorowych i umiarkowanych obciążeń cieplnych, aluminiowe lub miedziane płyty chłodzące z żebrami o skośnym przekroju mogą zapewnić dobry balans między wydajnością, ceną i niezawodnością.

zalecana struktura:

• aluminiowa lub miedziana płyta chłodząca

• prosta struktura kanałowa lub żebrowana

• umiarkowana szybkość przepływu

• niski do średniego spadek ciśnienia

• opłacalna metoda produkcji

serwery szkoleniowe AI

Serwery szkoleniowe AI zwykle korzystają z wydajnych procesorów graficznych i akceleratorów. Układy te generują duży strumień ciepła i często wymagają bardziej zaawansowanych struktur chłodzenia.

zalecana struktura:

• płyta chłodząca z miedzianą podstawą

• struktura mikrokanałowa

• zoptymalizowany rozkład przepływu

• wyższa zdolność przepływu

• konstrukcja o niskim oporze cieplnym

klastry HPC

Systemy HPC często wymagają stabilnej, długoterminowej pracy i wysokiej wydajności chłodzenia. Zarówno opór cieplny, jak i spadek ciśnienia muszą być starannie kontroNiskiane.

zalecana struktura:

• płyta chłodząca miedziana lub miedziano-aluminiowa

• projekt przepływu mikrokanałowego lub kolektorowego

• optymalizacja niskiego spadku ciśnienia

• niezawodne uszczelnianie i spawanie

• walidacja na poziomie systemu

centra danych brzegowych

Centra danych brzegowych mogą mieć ograniczoną przestrzeń i być wdrażane w mniej kontroNiskianych środowiskach. Bardzo ważne są niezawodność i kompaktowa konstrukcja.

zalecana struktura:

• aluminiowa płyta chłodząca o lekkiej konstrukcji

• zwarta konstrukcja kanału

• obróbka powierzchni odporna na korozję

• niezawodne testy szczelności

• łatwa instalacja i konserwacja

lista kontrolna projektu płyt chłodzących cieczą do centrów danych

Zanim inżynierowie opracują niestandardową płytę chłodzącą cieczą, powinni potwierdzić kluczowe parametry na wczesnym etapie projektowania.

Lista kontrolna pomaga ograniczyć błędy projektowe i umożliwia klientowi i producentowi skuteczniejszą komunikację.

rozważania dotyczące produkcji płyt chłodzących do centrów danych

Wysokowydajna płyta chłodząca musi nie tylko dobrze wypadać w symulacjach. Musi również nadawać się do produkcji, być niezawodna i odpowiednia do długotrwałej eksploatacji w centrum danych.

1. niezawodność uszczelnienia

Centra danych wymagają wyjątkowo wysokiej niezawodności. Każdy wyciek chłodziwa może spowodować poważne uszkodzenia serwerów i systemów elektrycznych. Dlatego płyty chłodzące muszą przejść rygorystyczne testy szczelności i ciśnienia.

2. kontrola korozji

W przypadku stosowania aluminiowych płyt chłodzących należy dokładnie rozważyć kompatybilność chłodziwa i ochronę przed korozją. Obróbka powierzchni i skład chemiczny chłodziwa mają istotne znaczenie dla długoterminowej niezawodności.

3. płaskość i wykończenie powierzchni

Powierzchnia styku układu scalonego z płytą chłodzącą musi być płaska i wystarczająco gładka, aby zmniejszyć opór cieplny interfejsu. Niewłaściwa płaskość może powodować nierównomierny nacisk styku i powstawanie gorących punktów.

4. czystość wewnętrzna

W przypadku płyt chłodzących z mikrokanalikami bardzo ważna jest czystość wewnętrzna. Małe cząsteczki mogą blokować mikrokanaliki i wpływać na wydajność chłodzenia. Podczas produkcji wymagane jest odpowiednie czyszczenie i kontrola.

5. skaNiskialna produkcja

Projekty centrów danych często wymagają produkcji seryjnej. Konstrukcja płyty chłodzącej powinna być zoptymalizowana nie tylko pod kątem wydajności, ale także powtarzalności produkcji, kontroli jakości i stabilności kosztów.

Jak Kingka wspiera projekty płyt chłodzących cieczą w centrach danych

Firma kingka dostarcza dostosowane do indywidualnych potrzeb płyty chłodzące cieczą, płyty chłodzące wodą, płyty chłodzące cieczą FSW, płyty chłodzące obrabiane CNC, aluminiowe płyty chłodzące, miedziane płyty chłodzące oraz kompletne rozwiązania do zarządzania temperaturą dla zastosowań w elektronice dużej mocy i centrach danych.

w przypadku projektów chłodzenia centrów danych kingka może wesprzeć:

• projekt konstrukcyjny płyty chłodzącej

• dobór materiałów

• wewnętrzna optymalizacja kanału

• rozwój mikrokanałowej płyty chłodzącej

• produkcja płyt żebrowanych na zimno

• obróbka CNC

• spawanie tarciowe

• lutowanie i lutowanie miękkie

• obróbka powierzchni

• badanie szczelności

• ocena spadku ciśnienia

• projekt niestandardowy na podstawie rysunków klienta

Wsparcie inżynieryjne firmy kingka koncentruje się na praktycznej wydajności, możliwościach produkcyjnych, kontroli kosztów i długoterminowej niezawodności. Zamiast po prostu wybierać jedną konstrukcję płyty chłodzącej, pomagamy klientom ocenić cały system termiczny i wybrać najbardziej odpowiednie rozwiązanie do ich zastosowania.

podsumowanie wyboru struktury zimnej płyty

Wybór odpowiedniej konstrukcji płyty chłodzącej cieczą dla centrum danych wymaga znalezienia równowagi między wydajnością cieplną, spadkiem ciśnienia, kosztami produkcji, doborem materiałów i niezawodnością całego systemu.

W przypadku serwerów centrów danych, płyty chłodzące z żebrami skośnymi lub prostymi kanałami mogą stanowić praktyczne i ekonomiczne rozwiązanie. W przypadku układów AI o dużej gęstości, procesorów GPU i HPC, w celu uzyskania niższego oporu termicznego mogą być wymagane płyty chłodzące z mikrokanałami lub zaawansowane konstrukcje kolektorów. W przypadku systemów, w których najważniejsza jest moc pompowania, płyty chłodzące o zoptymalizowanej topologii mogą pomóc zmniejszyć spadek ciśnienia i poprawić wydajność hydrauliczną.

Najlepsza płyta chłodząca cieczą nie zawsze jest najbardziej skomplikowana. Ważne jest, aby konstrukcja odpowiadała rzeczywistemu obciążeniu cieplnemu, szybkości przepływu, dopuszczalnemu spadkowi ciśnienia, wymaganiom materiałowym, budżetowi produkcji i architekturze chłodzenia na poziomie szafy.

Firma kingka dostarcza dostosowane do potrzeb klienta płyty chłodzące cieczą, płyty chłodzące cieczą, płyty chłodzące wodą, radiatory i kompletne rozwiązania z zakresu zarządzania temperaturą dla centrów danych, serwerów AI, systemów HPC i elektroniki dużej mocy. Łącząc wiedzę specjalistyczną z zakresu materiałów, projektowania konstrukcji, precyzyjnej produkcji i testowania niezawodności, kingka pomaga klientom tworzyć wydajne, stabilne i skaNiskialne rozwiązania chłodzące dla centrów danych nowej generacji.