Adatközpont folyadékhűtő lemez szerkezetének kiválasztása

Ahogy a mesterséges intelligencia által vezérelt számítástechnika, a felhőszolgáltatások, a nagy teljesítményű számítástechnika és a nagyméretű adatfeldolgozás folyamatosan növekszik, az adatközpontok sokkal nagyobb hőterheléssel néznek szembe, mint korábban. A modern CPU-k, GPU-k, MI-gyorsítók és nagy sűrűségű szervermodulok koncentrált hőt termelnek, amelyet a hagyományos léghűtő rendszerek már nem tudnak hatékonyan kezelni.

Emiatt az adatközpontok folyadékhűtése fontos megoldássá vált a következő generációs hőkezelésben. A különböző folyadékhűtési technológiák közül a folyadékhűtő lemez, más néven folyékony hűtőlemez vagy vízhűtő lemez, kritikus szerepet játszik a hő nagy teljesítményű chipekről a hűtőkörbe történő átvitelében.

A megfelelő folyadékhűtő lemezszerkezet kiválasztása azonban nem egyszerűen a réz vagy az alumínium választásáról szól. A mérnököknek egyensúlyt kell teremteniük a hőteljesítmény, a nyomásesés, az áramlási sebesség, a gyártási költségek, az anyagkompatibilitás, a megbízhatóság és a rack szintű hűtési hatékonyság között.

Nagy teljesítményű CPU-kat, GPU-kat és mesterséges intelligenciát használó adatközpontok esetében a megfelelő hideglemez-kialakítás közvetlenül befolyásolhatja a chip hőmérsékletét, a rendszer stabilitását, a szivattyúteljesítményt, az energiahatékonyságot és a hosszú távú üzemeltetési költségeket.

Miért válnak a folyadékhűtő lemezek nélkülözhetetlenné az adatközpontokban?

A hagyományos léghűtés ventilátorokra és hűtőbordákra támaszkodik a szerverek hőjének elvezetésére. Ez a módszer mérsékelt hőterhelés esetén működik, de a chipek teljesítményének folyamatos növekedésével a léghűtés számos korlátozással szembesül:

• magasabb ventilátor energiafogyasztás

• korlátozott hőelvonási kapacitás

• nagyobb szerver bemeneti és kimeneti hőmérséklet-különbség

• CPU-k, GPU-k és AI-gyorsítók körüli forró pontok

• nehézségekbe ütközik a sűrű rackkonfigurációk hűtésében

• magasabb zajszint és alacsonyabb energiahatékonyság

• korlátozott skálázhatóság mesterséges intelligencia és HPC klaszterek esetén

Az adatközpontok folyadékhűtő lemezei úgy oldják meg ezeket a problémákat, hogy egy hűtőfolyadék-csatornát helyeznek el a hőforrás közelében. A hő a chipről a hideg lemez alapjára kerül, majd a hűtőfolyadék keringtetésével elvezetik.

A léghűtéshez képest a folyadékhűtés sokkal nagyobb hőátadási hatékonyságot biztosít, mivel a folyadék hőhordozó képessége jobb, mint a levegőé. Ezáltal a folyadékhűtéses lemezek különösen alkalmasak a következőkre:

• mesterséges intelligencia alapú szerverhűtés

• GPU hűtés

• CPU hűtés

• HPC klaszter hűtés

• nagy sűrűségű rackhűtés

• peremhálózati adatközpont hűtése

• felhőalapú számítástechnikai infrastruktúra

• adatközponti rendszereken belüli teljesítményelektronika

A nagyobb teljesítménysűrűség felé haladó adatközpontok számára a folyadékhűtés már nem csupán fejlett opció, hanem szükséges hőkezelési stratégiává válik.

A folyadékhűtő lemez szerkezetének kiválasztásának főbb tényezői

A „legjobb” folyadékhűtő lemezszerkezet a tényleges üzemi körülményektől függ. A legalacsonyabb hőellenállású hideglemez nem mindig a legjobb választás, ha túl nagy nyomásesést okoz, vagy túl drága a gyártása.

Egyedi folyékony hűtőlemez kiválasztása előtt a mérnököknek a következő tényezőket kell értékelniük.

1. hőterhelés és hőáram

Az első lépés az alkatrész teljes hőterhelésének meghatározása. Ezt általában wattban mérik. Például egy nagy teljesítményű GPU vagy mesterséges intelligencia gyorsító több száz wattot vagy többet is termelhet, míg több chip egy kártyán sokkal nagyobb együttes hőterhelést okozhat.

A teljes teljesítmény mellett a hőáram is fontos. A hőáram leírja, hogy mennyi hő koncentrálódik egy adott területen. Egy nagy hőárammal rendelkező chip gyorsabb hőeloszlást és hatékonyabb belső hideglemez-szerkezetet igényel.

Nagy teljesítményű GPU-k és AI chipek esetén az áramlási sebesség gyakran 1–3 lpm/hőlapka tartományba eshet, a chip teljesítményétől, a hűtőfolyadék típusától, a nyomásesés célértékétől és a hőállósági követelménytől függően.

2. hőállóság

A hőállóság a hideglemez teljesítményének egyik legfontosabb mutatója. Az alacsonyabb hőállóság azt jelenti, hogy a hideglemez hatékonyabban tudja átadni a hőt a forgácsról a hűtőfolyadékra.

A hőállóságot azonban számos tényező befolyásolja:

• hideg lemez anyag

• alapvastagság

• belső csatornaszerkezet

• hűtőfolyadék áramlási sebessége

• érintkezőfelület síksága

• hővezető anyag

• chip mérete és hőeloszlása

• gyártási minőség

• hűtőfolyadék bemeneti hőmérséklete

Egy nagy teljesítményű mikrocsatornás hideglemez nagyon alacsony hőállóságot biztosíthat, de növelheti a nyomásesést és a gyártás bonyolultságát is.

3. nyomásesés és szivattyúteljesítmény

A nyomásesés egy másik kulcsfontosságú tényező a folyadékhűtő lemez kialakításában. Ha a belső csatorna túl keskeny vagy túl bonyolult, a hűtőfolyadék nagy áramlási ellenállásba ütközhet. Ehhez erősebb szivattyúkra van szükség, és megnő az energiafogyasztás.

Egyetlen hűtőlemezben a nyomásesés kezelhetőnek tűnhet, de egy teljes adatközponti rackben, több szerverrel és több hűtőlemezzel, a nyomásesés rendszerszintű problémává válik.

Egy jó adatközponti folyadékhűtő lemeznek nemcsak hatékonyan kell elvezetnie a hőt, hanem elfogadható hidraulikai teljesítményt is kell fenntartania. Ez segít csökkenteni a szivattyúteljesítményt és javítja a teljes hűtőrendszer hatékonyságát.

4. áramláseloszlás

Többchipes modulok, nagyméretű CPU-k, GPU-k vagy gyorsítókártyák esetén az egyenletes hűtőfolyadék-eloszlás nagyon fontos. A rossz áramláseloszlás miatt egyes területek kevesebb hűtőfolyadékot kaphatnak, ami helyi forró pontokat okozhat.

A hűtőlemez belső szerkezetének egyenletesen kell elvezetnie a hűtőfolyadékot a hőforrás területén. Ez különösen fontos a mesterséges intelligencia által vezérelt chipek és a nagy sűrűségű GPU-k hűtésénél, ahol a hő koncentrálódik, és a hőhatárok szűkek.

5. anyagválasztás

Az anyagválasztás befolyásolja a hőteljesítményt, a költségeket, a súlyt, a korrózióállóságot és a gyártási folyamatot.

A folyékony hideg lemezek két leggyakoribb anyaga az alumínium és a réz.

Adatközpontok esetében az alumínium hideglemezek gyakran vonzóak a költség- és súlyelőnyök miatt. A réz hideglemezeket akkor részesítik előnyben, ha a chip hőárama nagyon magas, és a hőteljesítmény a legfontosabb.

6. gyártási módszer

A különböző gyártási módszerek eltérő hideglemez-szerkezeteket, költségeket és teljesítményszinteket eredményeznek.

A gyakori gyártási módszerek közé tartoznak:

• CNC megmunkálás

• forrasztás

• dörzshegesztés

• vákuumforrasztás

• levágott uszony gyártás

• mikrocsatornás feldolgozás

• réz-alumínium kötés

• sajtolás és formázás egyes nagy volumenű tervekhez

Egyedi folyékony hűtőlemez-gyártók számára a kulcs nemcsak a nagy teljesítményű csatorna megtervezése, hanem annak biztosítása is, hogy a szerkezet megbízhatóan gyártható legyen nagy léptékben.

adatközpontokban elterjedt folyadékhűtő lemezszerkezetek

A különböző belső hideglemez-szerkezetek alkalmasak a különböző adatközponti terhelésekhez. A fő típusok közé tartoznak a levágott bordás hideglemezek, a mikrocsatornás hideglemezek, a topológiára optimalizált hideglemezek és más fejlett, nagy teljesítményű struktúrák.

1. lehúzott uszonyú folyékony hidegtányér

A hasított bordás hűtőlemez vékony bordákat használ a folyadékcsatornában a hőátadási terület növelése érdekében. A hűtőfolyadék átáramlik a bordázaton, és elvonja a hőt az alapról.

Ez egy viszonylag hagyományos és széles körben használt struktúra. Stabil teljesítményt nyújt, és alkalmas általános adatközponti terhelésekhez.

A levágott bordás hideglapok előnyei

• érett gyártási folyamat

• jó hőátadó terület

• közepes és nagy teljesítményű alkatrészekhez alkalmas

• költséghatékonyabb a bonyolultabb struktúrákhoz képest

• könnyebben testreszabható különböző méretekhez

korlátozások

• a hőállóság magasabb lehet, mint a fejlett mikrocsatornás kialakításoknál

• A nyomásesés nagymértékben függ a bordák sűrűségétől és az áramlási útvonaltól

• nem mindig a legjobb megoldás a rendkívül nagy hőáramú mesterséges intelligencia chipekhez

A lecsiszolt bordás folyékony hűtőlemezek általános szerverhűtésre, CPU-hűtésre és adatközponti alkalmazásokra alkalmasak, ahol a költség, a megbízhatóság és a gyárthatóság fontos.

2. mikrocsatornás folyékony hűtőlemez

A mikrocsatornás hűtőlemez nagyon kicsi belső csatornákat használ a hűtőfolyadékkal érintkező felület növelésére és a hőátadási teljesítmény javítására. Ez a szerkezet egy nagy hatékonyságú, folyadékkal hűtött hűtőbordaként működik a hűtőlemez belsejében.

A mikrocsatornás kialakítások különösen hasznosak nagy sűrűségű hőforrások, például GPU-k, mesterséges intelligencia alapú gyorsítók és HPC processzorok esetén.

A mikrocsatornás hideglapok előnyei

• nagyon alacsony hőállóság

• magas hőátadási hatékonyság

• nagy teljesítmény koncentrált hőforrások esetén

• Alkalmas mesterséges intelligencia chip és GPU hűtésére

• kompakt felépítés nagy teljesítménysűrűségű alkalmazásokhoz

korlátozások

• nagyobb nyomásesés, mint az egyszerű csatornakialakításoknál

• érzékenyebb a hűtőfolyadék tisztaságára

• nehezebben gyártható

• magasabb költségek a hagyományos hidegtányérokhoz képest

• gondos áramláselosztási tervezést igényel

A modern mesterséges intelligencia alapú adatközpontokban a mikrocsatornás folyékony hűtőlemezek egyre fontosabbá válnak, mivel a chipek teljesítménye és hőárama gyorsan növekszik.

3. topológiára optimalizált hideglap

A topológiára optimalizált hideglemez fejlett tervezési módszereket alkalmaz a belső áramlási útvonalak optimalizálására. A cél a nyomásesés csökkentése a jó hőteljesítmény fenntartása mellett.

Egyes tervekben a topológia optimalizálása több mint 20%-kal csökkentheti a nyomásesést, ami értékes lehet azokban a rendszerekben, ahol a szivattyúteljesítmény jelentős korlát.

előnyök

• alacsonyabb nyomásesés

• jobb hidraulikus hatásfok

• optimalizálható adott chipelrendezésekhez

• hasznos a rack szintű energiahatékonyság szempontjából

korlátozások

• bonyolultabb tervezési folyamat

• magasabb gyártási költség

• a teljesítménynövekedés nem mindig indokolja a költségeket

• szimulációt és validációt igényel

A topológiára optimalizált struktúrák olyan adatközpontok számára alkalmasak, ahol a hűtőkörnek sok hideglapot kell kezelnie, és a szivattyúteljesítmény kulcsfontosságú szempont.

4. fejlett nagy teljesítményű hideglemez-szerkezetek

Rendkívül nagy teljesítményű chipekhez vagy modulokhoz fejlett struktúrákra lehet szükség. Ezeket a struktúrákat nagyon magas, rendszerszinten akár több ezer watt feletti TDP kezelésére tervezték.

Az ilyen tervek kombinálhatják a következőket:

• mikrocsatornák

• elosztó áramláseloszlás

• optimalizált bemeneti és kimeneti elrendezés

• többrétegű csatornastruktúrák

• nagy vezetőképességű réz talpak

• alacsony nyomásesésű belső geometria

• egyedi tömítési és hegesztési folyamatok

Ezeket a hideglemezeket jellemzően mesterséges intelligencia alapú klaszterekben, HPC-rendszerekben, nagy teljesítményű gyorsítómodulokban és sűrű rackszintű hűtési megoldásokban használják.

folyadékhűtő lemezszerkezetek teljesítmény-összehasonlítása

Az alábbi táblázat összefoglalja a különböző folyékony hűtésű lemezes szerkezetek tipikus teljesítményjellemzőit.

A helyes választás attól függ, hogy az ügyfél a legalacsonyabb forgácshőmérsékletet, a legalacsonyabb nyomásesést, a legalacsonyabb költségeket, a legegyszerűbb gyártást vagy a legjobb teljes rendszerhatékonyságot értékeli-e.

hőállóság vs. nyomásesés: a legfontosabb kompromisszum

A folyékony hűtőlemezek tervezésénél a hőállóság és a nyomásesés gyakran összefügg.

A sűrűbb bordázat vagy a kisebb mikrocsatorna csökkentheti a hőellenállást, mivel növeli a hőátadási területet. Ugyanakkor növelheti az áramlási ellenállást is, ami nagyobb nyomásesést eredményez.

Másrészt egy szélesebb csatorna csökkentheti a nyomásesést, de nagy teljesítményű chipekhez valószínűleg nem biztosít elegendő hőátadási teljesítményt.

Ez egy közös mérnöki kompromisszumot hoz létre:

Adatközponti alkalmazások esetében a cél nem a legerősebb hűtőlemez önmagában történő megtervezése. A cél a teljes hűtőkörhöz legjobb hűtőlemez megtervezése, beleértve a szivattyúkat, elosztókat, gyorscsatlakozókat, hűtőfolyadék-elosztó egységeket és a rack szintű hőkövetelményeket.

Hogyan válasszuk ki a megfelelő hideglemez-szerkezetet a különböző adatközponti alkalmazásokhoz?

A különböző adatközponti munkaterhelések eltérő hideglemez-szerkezeteket igényelnek.

általános adatközponti szerverek

Standard CPU-szerverek és mérsékelt hőterhelés esetén az alumínium vagy réz fogazott bordás hideglemezek jó egyensúlyt biztosíthatnak a teljesítmény, a költség és a megbízhatóság között.

ajánlott szerkezet:

• alumínium vagy réz hideglap

• egyszerű csatorna- vagy ferde uszonyszerkezet

• mérsékelt áramlási sebesség

• alacsony és közepes nyomásesés

• költséghatékony gyártási módszer

mesterséges intelligencia által támogatott oktatószerverek

A mesterséges intelligencia által támogatott oktatószerverek általában nagy teljesítményű GPU-kat és gyorsítókat használnak. Ezek a chipek nagy hőáramot generálnak, és gyakran fejlettebb hűtőstruktúrákat igényelnek.

ajánlott szerkezet:

• réz alapú hideglap

• mikrocsatornás szerkezet

• optimalizált áramláseloszlás

• nagyobb áramlási sebesség

• alacsony hőállóságú kialakítás

HPC klaszterek

A nagy teljesítményű terheléselosztó rendszerek gyakran stabil, hosszú távú működést és magas hűtési hatékonyságot igényelnek. Mind a hőállóságot, mind a nyomásesést gondosan szabályozni kell.

ajánlott szerkezet:

• réz vagy réz-alumínium hideglemez

• mikrocsatornás vagy elosztó áramlású kialakítás

• alacsony nyomásesés optimalizálása

• megbízható tömítés és hegesztés

• rendszerszintű validáció

peremhálózati adatközpontok

A peremhálózati adatközpontok korlátozott hellyel rendelkezhetnek, és kevésbé ellenőrzött környezetben is telepíthetők. A megbízhatóság és a kompakt felépítés nagyon fontos.

ajánlott szerkezet:

• alumínium hűtőlap a könnyű kialakítás érdekében

• kompakt csatornaszerkezet

• korrózióálló felületkezelés

• megbízható szivárgásvizsgálat

• egyszerű telepítés és karbantartás

Adatközponti folyadékhűtő lemezek tervezési ellenőrzőlistája

Egyedi folyadékhűtő lemez fejlesztése előtt a mérnököknek a tervezés korai szakaszában meg kell erősíteniük a kulcsfontosságú paramétereket.

Ez az ellenőrzőlista segít csökkenteni a tervezési hibákat, és lehetővé teszi a vevő és a gyártó közötti hatékonyabb kommunikációt.

Adatközponti hideglemezek gyártási szempontjai

Egy nagy teljesítményű hideglemeznek nemcsak jól kell teljesítenie a szimulációkban, hanem gyárthatónak, megbízhatónak és hosszú távú adatközponti működésre alkalmasnak is kell lennie.

1. tömítés megbízhatósága

Az adatközpontok rendkívül nagy megbízhatóságot igényelnek. Bármilyen hűtőközeg-szivárgás súlyos károkat okozhat a szerverekben és az elektromos rendszerekben. Ezért a hűtőlemezeket szigorú szivárgásvizsgálatnak és nyomáspróbának kell alávetni.

2. korrózióvédelem

Alumínium hidegtárcsák használata esetén gondosan mérlegelni kell a hűtőfolyadék kompatibilitását és a korrózióvédelmet. A felületkezelés és a hűtőfolyadék összetétele fontos a hosszú távú megbízhatóság szempontjából.

3. síkfelület és felületkezelés

A chip és a hideglemez közötti érintkezési felületnek síknak és simának kell lennie, hogy csökkentse az interfész hőellenállását. A nem megfelelő síkfelület egyenetlen érintkezési nyomást és forró pontokat okozhat.

4. belső tisztaság

A mikrocsatornás hűtőlapok esetében a belső tisztaság nagyon fontos. A kis részecskék eltömíthetik a mikrocsatornákat és befolyásolhatják a hűtési teljesítményt. A gyártás során megfelelő tisztításra és ellenőrzésre van szükség.

5. skálázható gyártás

Az adatközpont-projektek gyakran sorozatgyártást igényelnek. A hideglemezes kialakítást nemcsak a teljesítmény, hanem az ismételhető gyártás, a minőségellenőrzés és a költségstabilitás szempontjából is optimalizálni kell.

Hogyan támogatja a Kingka az adatközpontok folyadékhűtéses lemezes projektjeit?

A kingka egyedi folyékony hűtőlemezeket, vízhűtő lemezeket, FSW folyékony hűtőlemezeket, CNC-vel megmunkált hideglemezeket, alumínium hideglemezeket, réz hideglemezeket és teljes körű hőkezelési megoldásokat kínál nagy teljesítményű elektronikai és adatközponti alkalmazásokhoz.

Adatközpontok hűtési projektjeihez a kingka a következőket tudja támogatni:

• hideglemez szerkezeti tervezés

• anyagválasztás

• belső csatornaoptimalizálás

• mikrocsatornás hideglemezes fejlesztés

• levágott bordás hideglemez gyártás

• CNC megmunkálás

• dörzshegesztés

• forrasztás és forrasztás

• felületkezelés

• szivárgásvizsgálat

• nyomásesés értékelése

• egyedi tervezés a megrendelő rajzai alapján

A Kingka mérnöki támogatása a gyakorlati teljesítményre, a gyárthatóságra, a költségkontrollra és a hosszú távú megbízhatóságra összpontosít. Ahelyett, hogy egyszerűen egyetlen hideglemez-szerkezetet választanánk, segítünk ügyfeleinknek a teljes hőrendszer értékelésében és az alkalmazásukhoz legmegfelelőbb megoldás kiválasztásában.

hideglemez-szerkezet kiválasztásának összefoglalása

Az adatközpontok megfelelő folyadékhűtő lemezszerkezetének kiválasztásához egyensúlyt kell találni a hőteljesítmény, a nyomásesés, a gyártási költségek, az anyagválasztás és a rendszerszintű megbízhatóság között.

Általános adatközponti szerverek esetében a levágott bordás vagy egyszerű csatornás hűtőlemezek praktikus és költséghatékony megoldást kínálhatnak. Nagy sűrűségű mesterséges intelligencia chipek, GPU-k és HPC processzorok esetén mikrocsatornás hideglemezekre vagy fejlett elosztórendszer-kialakításokra lehet szükség az alacsonyabb hőállóság eléréséhez. Azokban a rendszerekben, ahol a szivattyúteljesítmény a fő szempont, a topológiára optimalizált hideglemezek segíthetnek csökkenteni a nyomásesést és javítani a hidraulikai hatásfokot.

A legjobb folyadékhűtő lemez nem mindig a legösszetettebb. Hanem az a szerkezet, amely megfelel a tényleges hőterhelésnek, áramlási sebességnek, nyomásesés-határértéknek, anyagszükségletnek, gyártási költségvetésnek és rack szintű hűtési architektúrának.

A Kingka testreszabott folyadékhűtő lemezeket, folyadékhűtő lemezeket, vízhűtő lemezeket, hűtőbordákat és teljes körű hőkezelési megoldásokat kínál adatközpontok, mesterséges intelligencia alapú szerverek, HPC-rendszerek és nagy teljesítményű elektronikai eszközök számára. Az anyagismeret, a szerkezeti tervezés, a precíziós gyártás és a megbízhatósági tesztelés ötvözésével a Kingka segít az ügyfeleknek hatékony, stabil és skálázható hűtési megoldások kiépítésében a következő generációs adatközpontok számára.