Выбор конструкции пластин жидкостного охлаждения для центров обработки данных

По мере роста вычислительных мощностей в области искусственного интеллекта, облачных сервисов, высокопроизводительных вычислений и обработки больших объемов данных центры обработки данных сталкиваются с гораздо более высокими тепловыми нагрузками, чем раньше. Современные процессоры, графические процессоры, ускорители ИИ и высокоплотные серверные модули генерируют концентрированное тепло, с которым традиционные системы воздушного охлаждения больше не могут эффективно справляться.

По этой причине жидкостное охлаждение центров обработки данных стало важным решением для управления тепловыми процессами следующего поколения. Среди различных технологий жидкостного охлаждения пластина жидкостного охлаждения, также известная как пластина жидкостного охлаждения или пластина водяного охлаждения, играет решающую роль в передаче тепла от мощных чипов к контуру охлаждения.

Однако выбор правильной конструкции пластины жидкостного охлаждения — это не просто вопрос выбора меди или алюминия. Инженеры должны сбалансировать тепловые характеристики, перепад давления, расход, себестоимость производства, совместимость материалов, надежность и эффективность охлаждения на уровне стойки.

Для центров обработки данных, использующих мощные процессоры, видеокарты и чипы искусственного интеллекта, правильная конструкция охлаждающей пластины может напрямую влиять на температуру чипа, стабильность системы, мощность насоса, энергоэффективность и долгосрочные эксплуатационные расходы.

Почему пластины жидкостного охлаждения становятся необходимыми в центрах обработки данных

Традиционное воздушное охлаждение использует вентиляторы и радиаторы для отвода тепла от серверов. Этот метод работает при умеренных тепловых нагрузках, но по мере роста мощности чипов воздушное охлаждение сталкивается с рядом ограничений:

• более высокое энергопотребление вентилятора

• ограниченная способность к отводу тепла

• более высокая разница температур на входе и выходе сервера

• Участки с высокой плотностью процессоров, видеокарт и ускорителей искусственного интеллекта.

• трудности с охлаждением плотных стоечных конфигураций

• более высокий уровень шума и более низкая энергоэффективность

• ограниченная масштабируемость для кластеров искусственного интеллекта и высокопроизводительных вычислений

Пластина жидкостного охлаждения для центров обработки данных решает эти проблемы, размещая канал для охлаждающей жидкости близко к источнику тепла. Тепло передается от чипа к основанию охлаждающей пластины, а затем отводится циркулирующей охлаждающей жидкостью.

По сравнению с воздушным охлаждением, жидкостное охлаждение обеспечивает гораздо более высокую эффективность теплопередачи, поскольку жидкость обладает лучшей теплоемкостью, чем воздух. Это делает жидкостные охлаждающие пластины особенно подходящими для:

• охлаждение серверов ИИ

• охлаждение графического процессора

• охлаждение процессора

• охлаждение кластера высокопроизводительных вычислений

• охлаждение стоек высокой плотности

• охлаждение периферийных центров обработки данных

• инфраструктура облачных вычислений

• силовая электроника внутри систем центров обработки данных

Для центров обработки данных, стремящихся к повышению удельной мощности, жидкостное охлаждение перестало быть просто передовым решением. Оно становится необходимой стратегией управления тепловым режимом.

Ключевые факторы при выборе конструкции пластины жидкостного охлаждения

Выбор оптимальной конструкции пластины для жидкостного охлаждения зависит от фактических условий эксплуатации. Холодильная пластина с наименьшим термическим сопротивлением не всегда является лучшим вариантом, если она создает слишком большое падение давления или слишком дорога в производстве.

Перед выбором нестандартной жидкостной охлаждающей пластины инженерам следует оценить следующие факторы.

1. Тепловая нагрузка и тепловой поток

Первый шаг — определить общую тепловую нагрузку компонента. Обычно она измеряется в ваттах. Например, мощный графический процессор или ускоритель искусственного интеллекта может генерировать несколько сотен ватт или более, в то время как несколько чипов на одной плате могут создавать гораздо большую суммарную тепловую нагрузку.

Помимо общей мощности, важен также тепловой поток. Тепловой поток описывает, сколько тепла концентрируется в определенной области. Для чипа с высоким тепловым потоком требуется более быстрое рассеивание тепла и более эффективная внутренняя структура охлаждающей пластины.

Для мощных графических процессоров и чипов искусственного интеллекта расход охлаждающей жидкости часто может составлять от 1 до 3 л/мин на одну охлаждающую пластину, в зависимости от мощности чипа, типа охлаждающей жидкости, целевого перепада давления и требований к тепловому сопротивлению.

2. термическое сопротивление

Тепловое сопротивление — один из важнейших показателей эффективности охлаждающей пластины. Более низкое тепловое сопротивление означает, что охлаждающая пластина может более эффективно передавать тепло от чипа к охлаждающей жидкости.

Однако на тепловое сопротивление влияют многие факторы:

• материал холодной пластины

• толщина основания

• внутренняя структура канала

• скорость потока охлаждающей жидкости

• плоскостность контактной поверхности

• теплопроводящий материал

• размер чипа и распределение тепла

• качество производства

• температура охлаждающей жидкости на входе

Высокоэффективная микроканальная охлаждающая пластина может обеспечивать очень низкое термическое сопротивление, но при этом увеличивать перепад давления и сложность изготовления.

3. Падение давления и мощность насоса

Падение давления — ещё один ключевой фактор в конструкции пластинчатого жидкостного охлаждения. Если внутренний канал слишком узкий или слишком сложный, охлаждающая жидкость может испытывать высокое сопротивление потоку. Это требует более мощных насосов и увеличивает энергопотребление.

В случае с одной охлаждающей пластиной падение давления может показаться управляемым. Но в стойке центра обработки данных, заполненной множеством серверов и несколькими охлаждающими пластинами, падение давления становится проблемой системного уровня.

Качественная пластина жидкостного охлаждения для центров обработки данных должна не только эффективно отводить тепло, но и поддерживать приемлемые гидравлические характеристики. Это помогает снизить потребление энергии насосом и повысить общую эффективность системы охлаждения.

4. распределение потока

Для многочиповых модулей, больших процессоров, видеокарт или плат ускорителей равномерное распределение охлаждающей жидкости имеет очень важное значение. Плохое распределение потока может привести к тому, что некоторые области будут получать меньше охлаждающей жидкости, создавая локальные перегревы.

Внутренняя структура охлаждающей пластины должна равномерно распределять охлаждающую жидкость по всей площади источника тепла. Это особенно важно для охлаждения чипов искусственного интеллекта и высокоплотных графических процессоров, где тепло концентрируется, а температурные пределы малы.

5. Выбор материалов

Выбор материала влияет на тепловые характеристики, стоимость, вес, коррозионную стойкость и технологический процесс производства.

Двумя наиболее распространенными материалами для жидкостных охлаждающих пластин являются алюминий и медь.

Для центров обработки данных алюминиевые охлаждающие пластины часто привлекательны благодаря преимуществам в стоимости и весе. Медные охлаждающие пластины предпочтительны, когда тепловой поток от чипа очень высок, а тепловые характеристики являются первостепенной задачей.

6. метод изготовления

Различные методы производства приводят к различным конструкциям охлаждающих пластин, их стоимости и уровням производительности.

К распространенным методам производства относятся:

• станки с ЧПУ

• пайка

• сварка трением с перемешиванием

• вакуумная пайка

• производство скошенных ребер

• микроканальная обработка

• медно-алюминиевая сварка

• штамповка и формовка для некоторых крупносерийных проектов.

Для производителя жидкостных охлаждающих пластин, изготавливаемых по индивидуальному заказу, ключевым моментом является не только проектирование высокоэффективного канала, но и обеспечение возможности надежного изготовления конструкции в больших масштабах.

Типичные конструкции пластин жидкостного охлаждения для центров обработки данных

Для различных нагрузок в центрах обработки данных подходят разные конструкции внутренних охлаждающих пластин. К основным типам относятся охлаждающие пластины с ребристым оребрением, микроканальные охлаждающие пластины, оптимизированные по топологии охлаждающие пластины и другие передовые высокопроизводительные конструкции.

1. пластина с жидкостным охлаждением и ребрами жесткости

Холодильная пластина с тонкими ребрами использует тонкие ребра внутри жидкостного канала для увеличения площади теплопередачи. Охлаждающая жидкость протекает через структуру ребер и отводит тепло от основания.

Это относительно традиционная и широко используемая структура. Она обеспечивает стабильную производительность и подходит для общих рабочих нагрузок центров обработки данных.

преимущества холодных пластин с ребристым оребрением

• отлаженный производственный процесс

• хорошая площадь теплопередачи

• подходит для компонентов средней и высокой мощности

• экономически выгоднее по сравнению с более сложными конструкциями.

• проще адаптировать под разные размеры

ограничения

• Тепловое сопротивление может быть выше, чем у передовых конструкций микроканалов.

• Падение давления сильно зависит от плотности ребер и пути потока.

• не всегда лучший вариант для чипов с чрезвычайно высоким тепловым потоком

Жидкостные охлаждающие пластины с ребристым оребрением подходят для общего охлаждения серверов, процессоров и центров обработки данных, где важны стоимость, надежность и технологичность производства.

2. микроканальная жидкостная охлаждающая пластина

Микроканальная охлаждающая пластина использует очень маленькие внутренние каналы для увеличения площади контакта охлаждающей жидкости и улучшения теплопередачи. Эта конструкция работает как высокоэффективный жидкостно-охлаждаемый теплоотвод внутри охлаждающей пластины.

Микроканальные конструкции особенно полезны для источников тепла высокой плотности, таких как графические процессоры, ускорители искусственного интеллекта и высокопроизводительные процессоры.

преимущества микроканальных охлаждающих пластин

• очень низкое тепловое сопротивление

• высокая эффективность теплопередачи

• высокая эффективность для концентрированных источников тепла

• подходит для охлаждения чипов искусственного интеллекта и графических процессоров.

• Компактная конструкция для применений с высокой удельной мощностью.

ограничения

• более высокое падение давления, чем в простых конструкциях каналов

• более чувствителен к чистоте охлаждающей жидкости

• сложнее производить

• более высокая стоимость по сравнению со стандартными охлаждающими пластинами

• требует тщательного проектирования системы распределения потока.

Для современных центров обработки данных с искусственным интеллектом микроканальные жидкостные охлаждающие пластины приобретают все большее значение, поскольку энергопотребление и тепловой поток чипов быстро растут.

3. Топологически оптимизированная холодная пластина

Топологически оптимизированная холодная пластина использует передовые методы проектирования для оптимизации внутренних путей потока. Цель состоит в снижении перепада давления при сохранении хороших тепловых характеристик.

В некоторых конструкциях оптимизация топологии может снизить падение давления более чем на 20%. Это может быть ценно в системах, где мощность насоса является основным ограничивающим фактором.

преимущества

• меньшее падение давления

• более высокая гидравлическая эффективность

• может быть оптимизирован для конкретных конфигураций микросхем.

• полезно для повышения энергоэффективности на уровне стойки

ограничения

• более сложный процесс проектирования

• более высокие производственные затраты

• Повышение производительности не всегда оправдывает затраты.

• требуется моделирование и проверка

Структуры с оптимизированной топологией подходят для центров обработки данных, где контур охлаждения должен справляться с большим количеством холодных пластин, а мощность насоса является ключевым фактором.

4. Усовершенствованные высокомощные конструкции холодных пластин

Для микросхем или модулей сверхвысокой мощности могут потребоваться усовершенствованные структуры. Эти структуры рассчитаны на работу с очень высокими значениями TDP, иногда превышающими несколько тысяч ватт на системном уровне.

В таких конструкциях могут сочетаться следующие элементы:

• микроканалы

• распределение потока в коллекторе

• оптимизированная компоновка входного и выходного отверстий

• многослойные канальные структуры

• высокопроводящие медные основания

• внутренняя геометрия с низким перепадом давления

• индивидуальные процессы герметизации и сварки

Эти охлаждающие пластины обычно используются в кластерах искусственного интеллекта, высокопроизводительных вычислительных системах, мощных ускорительных модулях и плотных системах охлаждения на уровне стоек.

Сравнительная оценка характеристик пластинчатых конструкций с жидкостным охлаждением

В следующей таблице приведены типичные характеристики различных конструкций жидкостных охлаждающих пластин.

Правильный выбор зависит от того, что для клиента важнее: самая низкая температура чипа, наименьшее падение давления, минимальная стоимость, простота изготовления или наилучшая общая эффективность системы.

Тепловое сопротивление против перепада давления: ключевой компромисс.

В конструкции жидкостных охлаждающих пластин часто существует взаимосвязь между тепловым сопротивлением и падением давления.

Более плотная структура ребер или меньший размер микроканалов могут снизить термическое сопротивление, поскольку увеличивают площадь теплопередачи. Однако это также может увеличить сопротивление потоку, создавая большее падение давления.

С другой стороны, более широкий канал может уменьшить перепад давления, но он может не обеспечить достаточную эффективность теплопередачи для мощных микросхем.

Это приводит к распространенному инженерному компромиссу:

В контексте применения в центрах обработки данных цель состоит не в том, чтобы спроектировать самую мощную охлаждающую пластину изолированно. Цель состоит в том, чтобы спроектировать оптимальную охлаждающую пластину для всего контура охлаждения, включая насосы, коллекторы, быстроразъемные соединения, блоки распределения охлаждающей жидкости и тепловые требования на уровне стойки.

Как выбрать подходящую конструкцию охлаждающей пластины для различных применений в центрах обработки данных

Для различных рабочих нагрузок в центрах обработки данных требуются различные конструкции охлаждающих пластин.

серверы общего центра обработки данных

Для стандартных серверов с процессорами и умеренными тепловыми нагрузками алюминиевые или медные пластины с ребристой поверхностью могут обеспечить хороший баланс производительности, стоимости и надежности.

рекомендуемая структура:

• алюминиевая или медная холодная пластина

• простая канальная или скошенная ребристая конструкция

• умеренный расход

• низкое или среднее падение давления

• экономически эффективный метод производства

серверы обучения ИИ

В серверах для обучения ИИ обычно используются мощные графические процессоры и ускорители. Эти чипы генерируют высокий тепловой поток и часто требуют более совершенных систем охлаждения.

рекомендуемая структура:

• медная опорная холодная пластина

• микроканальная структура

• оптимизированное распределение потока

• возможность увеличения скорости потока

• конструкция с низким тепловым сопротивлением

кластеры hpc

Системы высокопроизводительных вычислений часто требуют стабильной длительной работы и высокой эффективности охлаждения. При этом необходимо тщательно контролировать как тепловое сопротивление, так и перепад давления.

рекомендуемая структура:

• медная или медно-алюминиевая холодная пластина

• конструкция микроканала или коллектора для потока

• оптимизация низкого перепада давления

• надежная герметизация и сварка

• валидация на системном уровне

периферийные центры обработки данных

Периферийные центры обработки данных могут иметь ограниченное пространство и развертываться в менее контролируемых условиях. Надежность и компактная конструкция имеют очень важное значение.

рекомендуемая структура:

• Алюминиевая охлаждающая пластина для облегченной конструкции

• компактная канальная структура

• коррозионностойкая обработка поверхности

• надежное тестирование на герметичность

• Простота установки и обслуживания

Контрольный список проектирования пластин для жидкостного охлаждения центров обработки данных

Перед разработкой нестандартной пластины для жидкостного охлаждения инженерам следует подтвердить ключевые параметры на ранней стадии проектирования.

Этот контрольный список помогает сократить количество ошибок проектирования и позволяет заказчику и производителю более эффективно взаимодействовать.

Производственные аспекты изготовления охлаждающих пластин для центров обработки данных

Высокоэффективная охлаждающая пластина должна не только хорошо работать в симуляциях, но и быть технологичной, надежной и пригодной для длительной эксплуатации в центрах обработки данных.

1. Надежность герметизации

Для центров обработки данных требуется чрезвычайно высокая надежность. Любая утечка охлаждающей жидкости может привести к серьезным повреждениям серверов и электрических систем. Поэтому охлаждающие пластины должны проходить строгие испытания на герметичность и проверку под давлением.

2. Контроль коррозии

При использовании алюминиевых охлаждающих пластин необходимо тщательно учитывать совместимость с охлаждающей жидкостью и защиту от коррозии. Обработка поверхности и химический состав охлаждающей жидкости важны для обеспечения долгосрочной надежности.

3. Плоскостность и качество поверхности

Контактная поверхность между чипом и охлаждающей пластиной должна быть достаточно плоской и гладкой, чтобы снизить тепловое сопротивление на границе раздела. Недостаточная плоскость может привести к неравномерному контактному давлению и образованию зон перегрева.

4. Внутренняя чистота

Для микроканальных охлаждающих пластин внутренняя чистота имеет первостепенное значение. Мелкие частицы могут забивать микроканалы и влиять на эффективность охлаждения. В процессе производства необходима надлежащая очистка и проверка.

5. Масштабируемое производство

Проекты центров обработки данных часто требуют серийного производства. Конструкция охлаждающей пластины должна быть оптимизирована не только с точки зрения производительности, но и для обеспечения повторяемости производства, контроля качества и стабильности затрат.

Как Kingka поддерживает проекты по установке жидкостного охлаждения в центрах обработки данных

Компания Kingka предлагает изготовленные на заказ жидкостные охлаждающие пластины, пластины с водяным охлаждением, жидкостные охлаждающие пластины FSW, охлаждающие пластины, изготовленные на станках с ЧПУ, алюминиевые охлаждающие пластины, медные охлаждающие пластины, а также комплексные решения для управления тепловыми процессами в мощной электронике и центрах обработки данных.

Для проектов по охлаждению центров обработки данных Kingka может обеспечить поддержку:

• конструкция холодной пластины

• выбор материалов

• внутренняя оптимизация каналов

• разработка микроканальной холодной пластины

• производство холодных пластин с ребристым ребром

• станки с ЧПУ

• сварка трением с перемешиванием

• пайка и сварка

• обработка поверхности

• проверка на герметичность

• оценка падения давления

• Разработка индивидуального проекта на основе чертежей заказчика.

Инженерная поддержка компании Kingka ориентирована на практическую производительность, технологичность производства, контроль затрат и долгосрочную надежность. Вместо того чтобы просто выбирать одну конструкцию охлаждающей пластины, мы помогаем клиентам оценить всю тепловую систему и выбрать наиболее подходящее решение для их задачи.

Краткое описание выбора конструкции холодной пластины.

Для выбора оптимальной конструкции пластины жидкостного охлаждения для центра обработки данных необходимо сбалансировать тепловые характеристики, перепад давления, стоимость производства, выбор материалов и надежность системы в целом.

Для обычных серверов центров обработки данных практичным и экономически эффективным решением могут стать охлаждающие пластины с ребрами или простыми каналами. Для высокопроизводительных процессоров, графических процессоров и высокопроизводительных вычислительных систем могут потребоваться микроканальные охлаждающие пластины или усовершенствованные конструкции коллекторов для достижения более низкого теплового сопротивления. Для систем, где основной проблемой является мощность насоса, оптимизированные по топологии охлаждающие пластины могут помочь снизить падение давления и повысить гидравлическую эффективность.

Лучшая жидкостная охлаждающая пластина не всегда самая сложная. Важно, чтобы её конструкция соответствовала фактической тепловой нагрузке, расходу жидкости, предельному перепаду давления, требованиям к материалам, производственному бюджету и архитектуре охлаждения на уровне стойки.

Компания kingka предлагает изготовленные на заказ пластины для жидкостного охлаждения, пластины для жидкостного охлаждения, пластины для водяного охлаждения, радиаторы и комплексные решения для управления тепловым режимом в центрах обработки данных, серверах ИИ, высокопроизводительных вычислительных системах и мощной электронике. Сочетая экспертные знания в области материалов, проектирования конструкций, высокоточного производства и испытаний на надежность, kingka помогает клиентам создавать эффективные, стабильные и масштабируемые решения для охлаждения центров обработки данных следующего поколения.