Výběr struktury chladicí desky kapalinou pro datová centra

S pokračujícím růstem umělé inteligence, cloudových služeb, vysoce výkonných výpočtů a rozsáhlého zpracování dat čelí datová centra mnohem vyššímu tepelnému zatížení než dříve. Moderní procesory, grafické procesory, akcelerátory umělé inteligence a serverové moduly s vysokou hustotou generují koncentrované teplo, které tradiční systémy chlazení vzduchem již nedokážou efektivně zvládat.

Z tohoto důvodu se kapalinové chlazení v datových centrech stalo důležitým řešením pro tepelný management nové generace. Mezi různými technologiemi kapalinového chlazení hraje kapalinová chladicí deska, známá také jako kapalinová chladicí deska nebo vodní chladicí deska, klíčovou roli v přenosu tepla z vysoce výkonných čipů do chladicího okruhu.

Výběr správné struktury chladicí desky kapalinou však není jen otázkou volby mědi nebo hliníku. Inženýři musí vyvážit tepelný výkon, tlakovou ztrátu, průtok, výrobní náklady, kompatibilitu materiálů, spolehlivost a účinnost chlazení na úrovni racku.

V datových centrech s vysoce výkonnými procesory, grafickými kartami a čipy s umělou inteligencí může správný design chladicí desky přímo ovlivnit teplotu čipu, stabilitu systému, čerpací výkon, energetickou účinnost a dlouhodobé provozní náklady.

Proč se kapalinové chladicí desky stávají nezbytnými v datových centrech

Tradiční vzduchové chlazení se spoléhá na ventilátory a chladiče, které odvádějí teplo ze serverů. Tato metoda funguje pro mírné tepelné zatížení, ale s rostoucím výkonem čipů čelí vzduchové chlazení několika omezením:

• vyšší spotřeba energie ventilátoru

• omezená kapacita odvodu tepla

• vyšší teplotní rozdíl na vstupu a výstupu serveru

• horká místa kolem procesorů, grafických karet a akcelerátorů umělé inteligence

• obtížné chlazení hustě zabudovaných rackových konfigurací

• vyšší hlučnost a nižší energetická účinnost

• omezená škálovatelnost pro clustery umělé inteligence a HPC

Deska pro chlazení kapalinou v datovém centru řeší tyto problémy umístěním kanálu pro chladivo blízko zdroje tepla. Teplo se přenáší z čipu na základnu chladicí desky a poté se odvádí cirkulující chladivou.

Ve srovnání s chlazením vzduchem poskytuje kapalinové chlazení mnohem vyšší účinnost přenosu tepla, protože kapalina má lepší tepelnou přenosnost než vzduch. Díky tomu jsou kapalinové chladicí desky obzvláště vhodné pro:

• chlazení serveru s umělou inteligencí

• chlazení grafické karty

• chlazení procesoru

• chlazení HPC clusteru

• chlazení racku s vysokou hustotou

• chlazení edge datových center

• infrastruktura cloudových výpočetních technologií

• výkonová elektronika v systémech datových center

Pro datová centra, která směřují k vyšší hustotě výkonu, už kapalinové chlazení není jen pokročilou možností. Stává se nezbytnou strategií pro řízení teploty.

klíčové faktory při výběru struktury desek pro chlazení kapalinou

„Nejlepší“ konstrukce kapalinového chladicího kotouče závisí na skutečných provozních podmínkách. Chladicí kotouč s nejnižším tepelným odporem není vždy nejlepší volbou, pokud vytváří příliš velký pokles tlaku nebo je jeho výroba příliš drahá.

Před výběrem zakázkové kapalinové chladicí desky by inženýři měli vyhodnotit následující faktory.

1. tepelné zatížení a tepelný tok

Prvním krokem je definovat celkové tepelné zatížení komponenty. To se obvykle měří ve wattech. Například vysoce výkonná grafická karta nebo akcelerátor s umělou inteligencí může generovat několik stovek wattů nebo více, zatímco více čipů na jedné desce může vytvářet mnohem vyšší kombinované tepelné zatížení.

Kromě celkového výkonu je důležitý také tepelný tok. Tepelný tok popisuje, kolik tepla je koncentrováno v určité oblasti. Čip s vysokým tepelným tokem vyžaduje rychlejší rozptyl tepla a efektivnější vnitřní strukturu chladicí desky.

U vysoce výkonných grafických procesorů (GPU) a čipů s umělou inteligencí se průtok často pohybuje v rozmezí 1–3 l/min na chladicí desku v závislosti na výkonu čipu, typu chladicí kapaliny, cílovém poklesu tlaku a požadavku na tepelný odpor.

2. tepelný odpor

Tepelný odpor je jedním z nejdůležitějších ukazatelů výkonu chladicí desky. Nižší tepelný odpor znamená, že chladicí deska může efektivněji přenášet teplo z čipu do chladicí kapaliny.

Tepelný odpor je však ovlivněn mnoha faktory:

• materiál studené desky

• tloušťka základny

• vnitřní struktura kanálu

• průtok chladicí kapaliny

• rovinnost kontaktní plochy

• tepelně vodivý materiál

• velikost čipu a rozložení tepla

• kvalita výroby

• teplota chladicí kapaliny na vstupu

Vysoce výkonná mikrokanálová studená deska může poskytovat velmi nízký tepelný odpor, ale může také zvýšit pokles tlaku a složitost výroby.

3. tlaková ztráta a čerpací výkon

Pokles tlaku je dalším klíčovým faktorem při konstrukci desek pro kapalinové chlazení. Pokud je vnitřní kanál příliš úzký nebo příliš složitý, může chladivo čelit vysokému průtokovému odporu. To vyžaduje silnější čerpadla a zvyšuje spotřebu energie.

V jediné chladicí desce se může zdát pokles tlaku zvládnutelný, ale v kompletním racku datového centra s více servery a více chladicími deskami se pokles tlaku stává problémem na úrovni systému.

Dobrá kapalinová chladicí deska pro datová centra by měla nejen efektivně odvádět teplo, ale také udržovat rozumný hydraulický výkon. To pomáhá snížit čerpací výkon a zlepšit celkovou účinnost chladicího systému.

4. distribuce proudění

U vícečipových modulů, velkých procesorů, grafických karet nebo desek akcelerátorů je rovnoměrné rozložení chladicí kapaliny velmi důležité. Špatné rozložení proudění může způsobit, že některé oblasti dostávají méně chladicí kapaliny, což vytváří lokální přehřátá místa.

Vnitřní struktura chladicí desky by měla rovnoměrně vést chladivo po celé oblasti zdroje tepla. To je obzvláště důležité pro chlazení čipů umělé inteligence a chlazení grafických karet s vysokou hustotou, kde je teplo koncentrované a tepelné rezervy jsou úzké.

5. výběr materiálu

Výběr materiálu ovlivňuje tepelné vlastnosti, cenu, hmotnost, odolnost proti korozi a výrobní proces.

Dva nejběžnější materiály pro kapalinové chladicí desky jsou hliník a měď.

Pro datová centra jsou hliníkové chladicí desky často atraktivní kvůli cenovým a hmotnostním výhodám. Měděné chladicí desky jsou upřednostňovány, když je tepelný tok čipu velmi vysoký a tepelný výkon je nejvyšší prioritou.

6. výrobní metoda

Různé výrobní metody vedou k různým strukturám, nákladům a úrovním výkonu za studena.

Mezi běžné výrobní metody patří:

• cnc obrábění

• pájení

• svařování třením s mícháním

• vakuové pájení

• výroba broušených ploutví

• zpracování mikrokanálů

• spojení mědi a hliníku

• ražení a tvarování pro některé velkoobjemové návrhy

Pro výrobce zakázkových kapalinových chladicích desek není klíčové jen navrhnout vysoce výkonný kanál, ale také zajistit, aby bylo možné konstrukci spolehlivě vyrábět ve velkém měřítku.

běžné struktury desek pro kapalinové chlazení pro datová centra

Různé struktury vnitřních chladicích desek jsou vhodné pro různá zatížení datových center. Mezi hlavní typy patří chladicí desky s broušenými žebry, mikrokanálové chladicí desky, topologií optimalizované chladicí desky a další pokročilé vysoce výkonné struktury.

1. tekutá studená deska s brouzdalištěm

Studená deska s brouzdanými žebry využívá tenká žebra uvnitř kapalinového kanálu pro zvětšení plochy přenosu tepla. Chladivo proudí přes žebrovanou strukturu a odvádí teplo od základny.

Jedná se o relativně tradiční a široce používanou strukturu. Nabízí stabilní výkon a je vhodná pro obecné úlohy datových center.

výhody chladicích desek s broušenými žebry

• zralý výrobní proces

• dobrá plocha pro přenos tepla

• vhodné pro součástky se středním až vysokým výkonem

• cenově výhodnější ve srovnání se složitějšími konstrukcemi

• snadnější přizpůsobení různým velikostem

omezení

• tepelný odpor může být vyšší než u pokročilých mikrokanálových konstrukcí

• Pokles tlaku silně závisí na hustotě žeber a dráze proudění

• ne vždy nejlepší volbou pro čipy umělé inteligence s extrémně vysokým tepelným tokem

Kapalinové chladicí desky s brouzdalištěm jsou vhodné pro obecné chlazení serverů, chlazení procesorů a datových center, kde jsou důležité náklady, spolehlivost a vyrobitelnost.

2. mikrokanálová kapalinová studená deska

Mikrokanálová studená deska využívá velmi malé vnitřní kanálky ke zvětšení kontaktní plochy s chladicí kapalinou a ke zlepšení přenosu tepla. Tato struktura funguje jako vysoce účinný kapalinou chlazený chladič uvnitř studené desky.

Mikrokanálové konstrukce jsou obzvláště užitečné pro zdroje tepla s vysokou hustotou, jako jsou GPU, akcelerátory umělé inteligence a HPC procesory.

Výhody mikrokanálové chladicí desky

• velmi nízký tepelný odpor

• vysoká účinnost přenosu tepla

• silný výkon pro koncentrované zdroje tepla

• vhodné pro chlazení čipů AI a chlazení GPU

• kompaktní konstrukce pro aplikace s vysokou hustotou výkonu

omezení

• vyšší tlaková ztráta než u jednoduchých kanálových konstrukcí

• citlivější na čistotu chladicí kapaliny

• obtížnější na výrobu

• vyšší náklady ve srovnání se standardními chladicími deskami

• vyžaduje pečlivý návrh rozložení proudění

Pro moderní datová centra s umělou inteligencí se mikrokanálové kapalinové chladicí desky stávají stále důležitějšími, protože výkon čipů a tepelný tok rychle rostou.

3. topologií optimalizovaná studená deska

Topologicky optimalizovaná studená deska využívá pokročilé konstrukční metody k optimalizaci vnitřních proudění. Cílem je snížit tlakovou ztrátu a zároveň zachovat dobrý tepelný výkon.

V některých návrzích může optimalizace topologie snížit pokles tlaku o více než 20 %, což může být cenné v systémech, kde je čerpací výkon hlavním omezením.

výhody

• nižší tlaková ztráta

• lepší hydraulická účinnost

• lze optimalizovat pro specifické rozvržení čipů

• užitečné pro energetickou účinnost na úrovni racku

omezení

• složitější proces návrhu

• vyšší výrobní náklady

• Zvýšení výkonu nemusí vždy ospravedlnit náklady

• vyžaduje simulaci a validaci

Topologicky optimalizované struktury jsou vhodné pro datová centra, kde chladicí smyčka musí zvládat mnoho chladicích desek a klíčovým faktorem je čerpací výkon.

4. pokročilé vysoce výkonné struktury studených desek

Pro extrémně výkonné čipy nebo moduly mohou být vyžadovány pokročilé struktury. Tyto struktury jsou navrženy tak, aby zvládly velmi vysoké TDPS, někdy i přes několik tisíc wattů na systémové úrovni.

takové návrhy mohou kombinovat:

• mikrokanály

• distribuce průtoku v rozdělovači

• optimalizované uspořádání vstupů a výstupů

• vícevrstvé kanálové struktury

• vysoce vodivé měděné základny

• vnitřní geometrie s nízkým tlakovým spádem

• zakázkové těsnicí a svařovací procesy

Tyto chladicí desky se obvykle používají v klastrech umělé inteligence, systémech HPC, vysoce výkonných akceleračních modulech a hustých chladicích řešeních na úrovni racků.

porovnání výkonu struktur desek pro chlazení kapalinou

Následující tabulka shrnuje typické výkonnostní charakteristiky různých struktur kapalinových chladicích desek.

Správná volba závisí na tom, zda si zákazník cení nejnižší teploty čipu, nejnižšího poklesu tlaku, nejnižších nákladů, nejjednodušší výroby nebo nejvyšší celkové účinnosti systému.

tepelný odpor vs. pokles tlaku: klíčový kompromis

U konstrukce kapalinových chladicích desek jsou tepelný odpor a tlaková ztráta často propojeny.

Hustší žebrovaná struktura nebo menší mikrokanálky mohou snížit tepelný odpor, protože zvětšují plochu přenosu tepla. Může však také zvýšit odpor proudění, a tím vytvořit vyšší tlakovou ztrátu.

Na druhou stranu, širší kanál může snížit tlakovou ztrátu, ale nemusí poskytovat dostatečný přenos tepla pro vysoce výkonné čipy.

to vytváří běžný technický kompromis:

Pro aplikace v datových centrech není cílem navrhnout izolovaně nejvýkonnější chladicí desku. Cílem je navrhnout nejlepší chladicí desku pro celý chladicí okruh, včetně čerpadel, rozdělovačů, rychlospojek, distribučních jednotek chladicí kapaliny a tepelných požadavků na úrovni racku.

Jak vybrat správnou strukturu chladicí desky pro různé aplikace v datových centrech

Různá pracovní zatížení datových center vyžadují různé struktury chladicích desek.

obecné servery datových center

Pro standardní servery s procesory a mírné tepelné zatížení mohou hliníkové nebo měděné chladicí desky s broušenými žebry poskytnout dobrou rovnováhu mezi výkonem, cenou a spolehlivostí.

doporučená struktura:

• hliníková nebo měděná studená deska

• jednoduchá drážková nebo broušená žebrová struktura

• mírný průtok

• nízký až střední tlakový spád

• nákladově efektivní výrobní metoda

servery pro školení umělé inteligence

Servery pro výuku umělé inteligence obvykle používají vysoce výkonné grafické procesory a akcelerátory. Tyto čipy generují vysoký tepelný tok a často vyžadují pokročilejší chladicí struktury.

doporučená struktura:

• měděná základní studená deska

• mikrokanálová struktura

• optimalizované rozložení proudění

• vyšší průtoková kapacita

• konstrukce s nízkým tepelným odporem

HPC clustery

Systémy HPC často vyžadují stabilní dlouhodobý provoz a vysokou chladicí účinnost. Tepelný odpor i pokles tlaku musí být pečlivě kontrolovány.

doporučená struktura:

• měděná nebo měděno-hliníková studená deska

• návrh mikrokanálového nebo rozdělovacího proudění

• optimalizace nízkého tlakového spádu

• spolehlivé utěsnění a svařování

• validace na úrovni systému

okrajových datových center

Datová centra na okraji sítě mohou mít omezený prostor a mohou být nasazena v méně kontrolovaných prostředích. Spolehlivost a kompaktní struktura jsou velmi důležité.

doporučená struktura:

• hliníková chladicí deska pro lehkou konstrukci

• kompaktní struktura kanálu

• povrchová úprava odolná proti korozi

• spolehlivé testování těsnosti

• snadná instalace a údržba

Kontrolní seznam návrhu pro kapalinové chladicí desky pro datová centra

Před vývojem zakázkové desky pro kapalinové chlazení by si inženýři měli v rané fázi návrhu ověřit klíčové parametry.

Tento kontrolní seznam pomáhá omezit chyby v návrhu a umožňuje zákazníkovi a výrobci efektivněji komunikovat.

výrobní aspekty pro chladicí desky datových center

Vysoce výkonná chladicí deska musí nejen dobře fungovat v simulaci, ale musí být také vyrobitelná, spolehlivá a vhodná pro dlouhodobý provoz v datovém centru.

1. spolehlivost těsnění

Datová centra vyžadují extrémně vysokou spolehlivost. Jakýkoli únik chladicí kapaliny může způsobit vážné poškození serverů a elektrických systémů. Proto musí chladicí desky projít přísnými zkouškami těsnosti a tlakovými zkouškami.

2. kontrola koroze

Při použití hliníkových chladicích desek je nutné pečlivě zvážit kompatibilitu chladicí kapaliny a ochranu proti korozi. Povrchová úprava a chemie chladicí kapaliny jsou důležité pro dlouhodobou spolehlivost.

3. rovinnost a povrchová úprava

Kontaktní povrch mezi čipem a studenou deskou musí být dostatečně plochý a hladký, aby se snížil tepelný odpor rozhraní. Nedostatečná plochost může způsobit nerovnoměrný kontaktní tlak a horká místa.

4. vnitřní čistota

U mikrokanálové chladicí desky je vnitřní čistota velmi důležitá. Malé částice mohou mikrokanály blokovat a ovlivňovat chladicí výkon. Během výroby je nutné řádné čištění a kontrola.

5. škálovatelná výroba

Projekty datových center často vyžadují dávkovou výrobu. Konstrukce chladicí desky by měla být optimalizována nejen pro výkon, ale také pro opakovatelnou výrobu, kontrolu kvality a cenovou stabilitu.

Jak Kingka podporuje projekty kapalinového chlazení datových center

Společnost kingka nabízí zakázkové kapalinové chladicí desky, vodní chladicí desky, kapalinové chladicí desky FSW, CNC obráběné chladicí desky, hliníkové chladicí desky, měděné chladicí desky a kompletní řešení pro tepelný management pro vysoce výkonnou elektroniku a datová centra.

Pro projekty chlazení datových center může kingka podpořit:

• konstrukční návrh studené desky

• výběr materiálu

• optimalizace interních kanálů

• vývoj mikrokanálové studené desky

• výroba za studena s broušenými žebry

• cnc obrábění

• svařování třením s mícháním

• pájení a pájení

• povrchová úprava

• zkoušky těsnosti

• vyhodnocení poklesu tlaku

• zakázkový návrh na základě výkresů zákazníka

Inženýrská podpora společnosti Kingka se zaměřuje na praktický výkon, vyrobitelnost, kontrolu nákladů a dlouhodobou spolehlivost. Místo pouhého výběru jedné konstrukce chladicí desky pomáháme zákazníkům vyhodnotit celý tepelný systém a vybrat nejvhodnější řešení pro jejich aplikaci.

Souhrn výběru struktury studené desky

Výběr správné struktury desek kapalinového chlazení pro datová centra vyžaduje vyvážení tepelného výkonu, tlakové ztráty, výrobních nákladů, výběru materiálu a spolehlivosti na úrovni systému.

Pro běžné servery datových center mohou být praktické a cenově efektivní řešením chladicí desky s řeznými žebry nebo jednoduché kanálkové chladicí desky. Pro čipy s vysokou hustotou umělé inteligence, grafické procesory a procesory HPC mohou být pro dosažení nižšího tepelného odporu vyžadovány mikrokanálové chladicí desky nebo pokročilé konstrukce rozdělovačů. U systémů, kde je hlavním problémem čerpací výkon, mohou chladicí desky s optimalizovanou topologií pomoci snížit tlakovou ztrátu a zlepšit hydraulickou účinnost.

Nejlepší chladicí deska s kapalinovým chladičem není vždy ta nejsložitější. Je to konstrukce, která odpovídá skutečnému tepelnému zatížení, průtoku, limitu poklesu tlaku, požadavkům na materiál, výrobnímu rozpočtu a architektuře chlazení na úrovni racku.

Společnost Kingka nabízí zakázkové chladicí desky pro kapalinové chlazení, desky pro vodní chlazení, chladiče a kompletní řešení pro tepelný management pro datová centra, servery s umělou inteligencí, systémy HPC a vysoce výkonnou elektroniku. Díky kombinaci odborných znalostí v oblasti materiálů, konstrukčního návrhu, přesné výroby a testování spolehlivosti pomáhá Kingka zákazníkům vytvářet efektivní, stabilní a škálovatelná chladicí řešení pro datová centra nové generace.