Valg af strukturplade til væskekølende datacenter

I takt med at AI-computing, cloudtjenester, højtydende databehandling og storstilet databehandling fortsætter med at vokse, står datacentre over for meget højere termiske belastninger end før. Moderne CPU'er, GPU'er, AI-acceleratorer og servermoduler med høj densitet genererer koncentreret varme, som traditionelle luftkølesystemer ikke længere kan håndtere effektivt.

Af denne grund er væskekøling i datacentre blevet en vigtig løsning til næste generations termisk styring. Blandt forskellige væskekøleteknologier spiller væskekølepladen, også kendt som en væskekold plade eller vandkøleplade, en afgørende rolle i at overføre varme fra højtydende chips til kølemiddelkredsløbet.

Valg af den rigtige væskekølepladestruktur er dog ikke blot et spørgsmål om at vælge kobber eller aluminium. Ingeniører skal afveje termisk ydeevne, tryktab, flavhastighed, produktionsomkostninger, materialeekompatibilitet, pålidelighed og køleeffektivitet på rackniveau.

For datacentre, der bruger højtydende CPU'er, GPU'er og AI-chips, kan det rigtige kølepladedesign direkte påvirke chiptemperatur, systemstabilitet, pumpekraft, energieffektivitet og langsigtede driftsomkostninger.

Hvorfor væskekøleplader bliver vigtige i datacentre

Traditionel luftkøling er afhængig af ventilatorer og køleplader til at fjerne varme fra servere. Denne metode fungerer til moderate varmebelastninger, men efterhånden som chipsens effekt fortsætter med at stige, står luftkøling over for flere begrænsninger:

• højere strømforbrug til ventilatoren

• begrænset varmeafledningskapacitet

• højere temperaturforskel på serverindløb og -udløb

• Hotspots omkring CPU'er, GPU'er og AI-acceleratorer

• vanskeligheder med at køle tætte rackkonfigurationer

• højere støj og lavere energieffektivitet

• begrænset skalerbarhed for AI- og HPC-klynger

En væskekøleplade i datacentret løser disse problemer ved at placere en kølekanal tæt på varmekilden. Varme overføres fra chippen til kølepladens base og fjernes derefter ved hjælp af cirkulerende kølemiddel.

Sammenlignet med luftkøling giver væskekøling en meget højere varmeoverføringseffektivitet, fordi væske har bedre varmebærende kapacitet end luft. Dette gør væskekøleplader særligt velegnede til:

• AI-serverkøling

• GPU-køling

• CPU-køling

• hpc-klyngekøling

• rackkøling med høj densitet

• Køling af edge-datacenter

• cloud computing-infrastruktur

• effektelektronik i datacentersystemer

For datacentre, der bevæger sig mod højere effekttæthed, er væskekøling ikke længere blot en avanceret mulighed. Det er ved at blive en nødvendig termisk styringsstrategi.

Nøglefaktorer i valg af struktur på væskekøleplader

Den "bedste" struktur for væskekølepladen afhænger af de faktiske driftsforhold. En køleplade med den laveste termiske modstand er ikke altid det bedste valg, hvis den skaber for stort tryktab eller er for dyr at fremstille.

Før de vælger en specialfremstillet køleplade til væsker, bør ingeniører vurdere følgende faktorer.

1. termisk belastning og varmestrøm

Det første trin er at definere komponentens samlede varmebelastning. Dette måles normalt i watt. For eksempel kan en højtydende GPU eller AI-accelerator generere flere hundrede watt eller mere, mens flere chips på ét board kan skabe en meget højere kombineret varmebelastning.

Udover den samlede effekt er varmeflux også vigtig. Varmeflux beskriver, hvor meget varme der er koncentreret i et specifikt område. En chip med høj varmeflux kræver hurtigere varmespredning og en mere effektiv intern koldpladestruktur.

For højtydende GPU'er og AI-chips kan flavhastigheden ofte falde i området 1-3 lpm pr. kold plade, afhængigt af chippens effekt, kølemiddeltype, trykfaldsmål og krav til termisk modstand.

2. termisk modstand

Termisk modstand er en af de vigtigste indikatorer for koldpladens ydeevne. Lavere termisk modstand betyder, at koldpladen kan overføre varme mere effektivt fra chippen til kølemidlet.

Imidlertid påvirkes termisk modstand af mange faktorer:

• koldpladematerialee

• basetykkelse

• intern kanalstruktur

• kølevæskestrømningshastighed

• kontaktfladens planhed

• termisk grænsefladematerialee

• chipstørrelse og varmefordeling

• produktionskvalitet

• kølevæskeindløbstemperatur

En højtydende mikrokanal-koldplade kan give meget lav termisk modstand, men den kan også øge trykfaldet og produktionskompleksiteten.

3. trykfald og pumpekraft

Tryktab er en anden nøglefaktor i design af væskekøleplader. Hvis den indvendige kanal er for smal eller for kompleks, kan kølevæsken opleve høj strømningsmodstand. Dette kræver stærkere pumper og øger energiforbruget.

I en enkelt køleplade kan trykfaldet virke håndterbart, men i et komplet datacenterrack med flere servere og flere køleplader bliver trykfaldet et problem på systemniveau.

En god væskekøleplade i et datacenter skal ikke kun fjerne varme effektivt, men også opretholde en rimelig hydraulisk ydeevne. Dette hjælper med at reducere pumpeeffekten og forbedrer den samlede kølesystemeffektivitet.

4. strømningsfordeling

For multi-chip moduler, store CPU'er, GPU'er eller acceleratorkort er ensartet kølemiddelfordeling meget vigtig. Dårlig flavfordeling kan medføre, at nogle områder modtager mindre kølemiddel, hvilket skaber lokale hotspots.

Den indre struktur af den kolde plade skal lede kølevæsken jævnt hen over varmekildeområdet. Dette er især vigtigt for køling af AI-chips og køling af GPU'er med høj densitet, hvor varmen er koncentreret, og de termiske marginer er smalle.

5. materialeevalg

Materialevalg påvirker termisk ydeevne, omkostninger, vægt, korrosionsbestandighed og fremstillingsprocessen.

De to mest almindelige materialeer til flydende kolde plader er aluminium og kobber.

Til datacentre er aluminiums-koldplader ofte attraktive på grund af omkostnings- og vægtfordele. Kobber-koldplader foretrækkes, når chippens varmestrøm er meget høj, og termisk ydeevne er den højeste prioritet.

6. fremstillingsmetode

Forskellige fremstillingsmetoder fører til forskellige kolde pladestrukturer, omkostninger og ydeevneniveauer.

Almindelige fremstillingsmetoder omfatter:

• CNC-bearbejdning

• lodning

• friktionssvejsning

• vakuumlodning

• fremstilling af afskåret finne

• mikrokanalbehandling

• kobber-aluminiumbinding

• stempling og formning til nogle store designs

For en producent af specialfremstillede køleplader til væsker er nøglen ikke kun at designe en højtydende kanal, men også at sikre, at strukturen kan fremstilles pålideligt i stor skala.

Almindelige væskekølende pladestrukturer til datacentre

Forskellige interne kølepladestrukturer er egnede til forskellige datacentres arbejdsbelastninger. Hovedtyperne omfatter skived fin-køleplader, mikrokanal-køleplader, topologioptimerede køleplader og andre avancerede højtydende strukturer.

1. afskåret finne væskekold plade

En køleplade med afskåret finne bruger tynde finner inde i væskekanalen for at øge varmeoverføringsområdet. Kølevæsken strømmer gennem finnestrukturen og fjerner varme fra bunden.

Dette er en relativt traditionel og udbredt struktur. Den tilbyder stabil ydeevne og er velegnet til generelle datacenterarbejdsbelastninger.

fordele ved skivede finne-koldplader

• moden fremstillingsproces

• godt varmeoverføringsområde

• egnet til komponenter med mellem- til høj effekt

• omkostningseffektiv sammenlignet med mere komplekse strukturer

• nemmere at tilpasse til forskellige størrelser

begrænsninger

• Termisk modstand kan være højere end avancerede mikrokanaldesigns

• Trykfaldet afhænger i høj grad af finnetæthed og strømningsvej

• ikke altid den bedste løsning til AI-chips med ekstremt høj varmestrøm

Skived-finnede køleplader med væske er velegnede til generel serverkøling, CPU-køling og datacenterapplikationer, hvor omkostninger, pålidelighed og fremstillingsevne er vigtige.

2. mikrokanal flydende kold plade

En mikrokanalkøleplade bruger meget små interne kanaler til at øge kølevæskens kontaktareal og forbedre varmeoverførselsevnen. Denne struktur fungerer som en yderst effektiv væskekølet køleplade inde i den kolde plade.

Mikrokanaldesign er især nyttige til varmekilder med høj densitet, såsom GPU'er, AI-acceleratorer og HPC-processorer.

fordele ved mikrokanal-koldplader

• meget lav termisk modstand

• høj varmeoverføringseffektivitet

• stærk ydeevne for koncentrerede varmekilder

• egnet til køling af AI-chips og GPU-køling

• kompakt struktur til applikationer med høj effekttæthed

begrænsninger

• højere tryktab end simple kanaldesign

• mere følsom over for kølevæskerens renhed

• vanskeligere at fremstille

• højere pris sammenlignet med standard kolde plader

• kræver omhyggelig design af strømningsfordeling

For moderne AI-datacentre bliver mikrokanal-koldplader med væskeformet overflade stadig vigtigere, fordi chips effekt og varmeflux stiger hurtigt.

3. topologioptimeret køleplade

En topologioptimeret køleplade bruger avancerede designmetoder til at optimere interne strømningsveje. Målet er at reducere trykfaldet, samtidig med at god termisk ydeevne opretholdes.

I nogle designs kan topologioptimering reducere trykfaldet med mere end 20 %. Dette kan være værdifuldt i systemer, hvor pumpekraft er en væsentlig begrænsning.

fordele

• lavere tryktab

• bedre hydraulisk effektivitet

• kan optimeres til specifikke chiplayouts

• nyttig til energieffektivitet på rackniveau

begrænsninger

• mere kompleks designproces

• højere produktionsomkostninger

• Ydelsesforbedring retfærdiggør ikke altid omkostningerne

• kræver simulering og validering

Topologioptimerede strukturer er velegnede til datacentre, hvor kølekredsløbet skal håndtere mange kolde plader, og pumpekraft er en central faktor.

4. avancerede højtydende kolde pladestrukturer

For chips eller moduler med ekstremt høj effekt kan avancerede strukturer være nødvendige. Disse strukturer er designet til at håndtere meget høje TDP'er, nogle gange over flere tusinde watt på systemniveau.

Sådanne designs kan kombinere:

• mikrokanaler

• manifold flavfordeling

• optimeret indløbs- og udløbslayout

• flerlagskanalstrukturer

• højkonduktive kobberbaser

• indvendig geometri med lavt trykfald

• brugerdefinerede tætnings- og svejseprocesser

Disse køleplader bruges typisk i AI-klynger, HPC-systemer, højtydende acceleratormoduler og kompakte køleløsninger på rackniveau.

Ydelsessammenligning af væskekølende pladestrukturer

Følgende tabel opsummerer de typiske ydeevnekarakteristika for forskellige flydende kolde pladestrukturer.

Det rigtige valg afhænger af, om kunden værdsætter den laveste spåntemperatur, det laveste tryktab, de laveste omkostninger, den nemmeste fremstilling eller den bedste samlede systemeffektivitet.

Termisk modstand vs. tryktab: den vigtigste afvejning

I design af flydende kolde plader er termisk modstand og tryktab ofte forbundet.

En tættere finnestruktur eller mindre mikrokanaler kan reducere den termiske modstand, fordi det øger varmeoverføringsarealet. Det kan dog også øge strømningsmodstanden, hvilket skaber et højere tryktab.

På den anden side kan en bredere kanal reducere trykfaldet, men den giver muligvis ikke tilstrækkelig varmeoverførselsydelse til højtydende chips.

dette skaber en fælles ingeniørmæssig afvejning:

For datacenterapplikationer er målet ikke at designe den kraftigste køleplade isoleret set. Målet er at designe den bedste køleplade til hele kølekredsløbet, inklusive pumper, manifolds, hurtigstik, kølemiddelfordelingsenheder og termiske krav på rackniveau.

Sådan vælger du den rigtige kølepladestruktur til forskellige datacenterapplikationer

Forskellige datacenterarbejdsbelastninger kræver forskellige kølepladestrukturer.

generelle datacenterservere

Til standard CPU-servere og moderate varmebelastninger kan kolde plader med skiver af aluminium eller kobber give en god balance mellem ydeevne, pris og pålidelighed.

anbefalet struktur:

• koldplade af aluminium eller kobber

• simpel kanal- eller afskåret finnestruktur

• moderat strømningshastighed

• lavt til mellemstort trykfald

• omkostningseffektiv fremstillingsmetode

AI-træningsservere

AI-træningsservere bruger normalt højtydende GPU'er og acceleratorer. Disse chips genererer høj varmestrøm og kræver ofte mere avancerede kølestrukturer.

anbefalet struktur:

• kobberbaseret kold plade

• mikrokanalstruktur

• optimeret flavfordeling

• højere flavhastighedskapacitet

• design med lav termisk modstand

hpc-klynger

HPC-systemer kræver ofte stabil langvarig drift og høj køleeffektivitet. Både termisk modstand og trykfald skal kontrolleres omhyggeligt.

anbefalet struktur:

• kobber- eller kobber-aluminium-koldplade

• mikrokanal- eller manifoldflavdesign

• optimering af lavt trykfald

• pålidelig tætning og svejsning

• validering på systemniveau

edge-datacentre

Kantdatacentre kan have begrænset plads og kan blive implementeret i mindre kontrollerede miljøer. Pålidelighed og kompakt struktur er meget vigtige.

anbefalet struktur:

• aluminiumskoldplade til letvægtsdesign

• kompakt kanalstruktur

• korrosionsbestandig overfladebehandling

• pålidelig lækagetest

• nem installation og vedligeholdelse

Designtjekliste til væskekøleplader i datacentre

Før ingeniører udvikler en specialfremstillet væskekøleplade, bør de bekræfte nøgleparametre i den tidlige designfase.

Denne tjekliste hjælper med at reducere designfejl og giver kunden og producenten mulighed for at kommunikere mere effektivt.

Produktionsovervejelser for køleplader i datacentre

En højtydende køleplade skal ikke kun fungere godt i simulering. Den skal også være fremstillingsbar, pålidelig og egnet til langvarig datacenterdrift.

1. Forseglingspålidelighed

Datacentre kræver ekstremt høj pålidelighed. Enhver lækage af kølevæske kan forårsage alvorlig skade på servere og elektrisikoe systemer. Derfor skal køleplader gennemgå strenge lækagetest og trykprøvning.

2. korrosionskontrol

Når der anvendes aluminiumskoldplader, skal kølemiddelkompatibilitet og korrosionsbeskyttelse nøje overvejes. Overfladebehandling og kølemiddelkemi er vigtig for langsigtet pålidelighed.

3. planhed og overfladefinish

Kontaktfladen mellem chippen og den kolde plade skal være flad og glat nok til at reducere grænsefladen termisk modstand. Dårlig fladhed kan forårsage ujævnt kontakttryk og varme punkter.

4. intern renlighed

For mikrokanal-køleplader er indvendig renlighed meget vigtig. Små partikler kan blokere mikrokanaler og påvirke køleydelsen. Korrekt rengøring og inspektion er påkrævet under produktionen.

5. skalerbar produktion

Datacenterprojekter kræver ofte batchproduktion. Et kølepladedesign bør optimeres ikke kun med hensyn til ydeevne, men også med hensyn til gentagelig produktion, kvalitetskontrol og omkostningsstabilitet.

hvordan kingka understøtter datacenterprojekter med væskekøleplader

Kingka leverer tilpassede køleplader til væsker, vandkøleplader, FSW-køleplader til væsker, CNC-bearbejdede køleplader, køleplader i aluminium, køleplader i kobber og komplette termiske styringsløsninger til højeffektselektronik og datacenterapplikationer.

For køleprojekter i datacentre kan kingka understøtte:

• strukturelt design af kolde plader

• materialeevalg

• intern kanaloptimering

• udvikling af mikrokanal-koldplader

• fremstilling af afskåret finne-koldplade

• CNC-bearbejdning

• friktionssvejsning

• lodning og lodning

• overfladebehandling

• lækagetest

• evaluering af trykfald

• Specialdesign baseret på kundens tegninger

Kingkas tekniske support fokuserer på praktisk ydeevne, fremstillingsevne, omkostningskontrol og langsigtet pålidelighed. I stedet for blot at vælge én kølepladestruktur, hjælper vi kunder med at evaluere det komplette termiske system og vælge den mest passende løsning til deres anvendelse.

Oversigt over valg af koldpladestruktur

Valg af den rigtige væskekølepladestruktur til datacenter kræver en balance mellem termisk ydeevne, tryktab, produktionsomkostninger, materialeevalg og pålidelighed på systemniveau.

Til generelle datacenterservere kan skived finne- eller simple kanal-koldplader være en praktisk og omkostningseffektiv løsning. Til AI-chips med høj densitet, GPU'er og HPC-processorer kan mikrokanal-koldplader eller avancerede manifolddesigns være nødvendige for at opnå lavere termisk modstand. Til systemer, hvor pumpekraft er det primære fokus, kan topologioptimerede køleplader hjælpe med at reducere trykfald og forbedre hydraulisk effektivitet.

Den bedste køleplade til væsker er ikke altid den mest komplekse. Det er den struktur, der matcher den faktiske varmebelastning, flavhastighed, tryktabsgrænse, materialeekrav, produktionsbudget og kølearkitektur på rackniveau.

Kingka leverer skræddersyede væskekøleplader, væskekolde plader, vandkøleplader, køleplader og komplette termiske styringsløsninger til datacentre, AI-servere, HPC-systemer og højeffektelektronik. Ved at kombinere materialeeekspertise, strukturdesign, præcisionsfremstilling og pålidelighedstest hjælper Kingka kunder med at bygge effektive, stabile og skalerbare køleløsninger til næste generations datacentre.