בחירת מבנה לוח קירור נוזלי של מרכז נתונים

ככל שמחשוב בינה מלאכותית, שירותי ענן, מחשוב עתיר ביצועים ועיבוד נתונים בקנה מידה גדול ממשיכים לצמוח, מרכזי נתונים מתמודדים עם עומסים תרמיים גבוהים בהרבה מבעבר. מעבדים, כרטיסי מסך, מאיצי בינה מלאכותית ומודולי שרתים בצפיפות גבוהה מודרניים מייצרים חום מרוכז שמערכות קירור אוויר מסורתיות אינן יכולות עוד להתמודד איתו ביעילות.

מסיבה זו, קירור נוזלי של מרכזי נתונים הפך לפתרון חשוב לניהול תרמי של הדור הבא. מבין טכנולוגיות קירור נוזלי שונות, לוח קירור נוזלי, המכונה גם לוח קירור נוזלי או לוח קירור מים, ממלא תפקיד קריטי בהעברת חום משבבים בעלי הספק גבוה ללולאת נוזל הקירור.

עם זאת, בחירת מבנה לוח קירור נוזלי מתאים אינה רק עניין של בחירת נחושת או אלומיניום. מהנדסים חייבים לאזן בין ביצועים תרמיים, ירידת לחץ, קצב זרימה, עלות ייצור, תאימות חומרים, אמינות ויעילות קירור ברמת המדף.

עבור מרכזי נתונים המשתמשים במעבדים, כרטיסי מסך ושבבי בינה מלאכותית בעלי הספק גבוה, תכנון לוחות קור נכון יכול להשפיע ישירות על טמפרטורת השבב, יציבות המערכת, עוצמת השאיבה, יעילות האנרגיה ועלות התפעול לטווח ארוך.

מדוע לוחות קירור נוזליים הופכים חיוניים במרכזי נתונים

קירור אוויר מסורתי מסתמך על מאווררים וצלעות קירור כדי להסיר חום מהשרתים. שיטה זו עובדת עבור עומסי חום מתונים, אך ככל שהספק השבב ממשיך לעלות, קירור האוויר מתמודד עם מספר מגבלות:

• צריכת חשמל גבוהה יותר של המאוורר

• קיבולת סילוק חום מוגבלת

• הפרש טמפרטורות גבוה יותר בכניסה וביציאה של השרת

• נקודות חמות סביב מעבדים, כרטיסי מסך ומאיצי בינה מלאכותית

• קושי בקירור תצורות מדף צפופות

• רעש גבוה יותר ויעילות אנרגטית נמוכה יותר

• מדרגיות מוגבלת עבור אשכולות בינה מלאכותית ו-HPC

לוח קירור נוזלי למרכז נתונים פותר בעיות אלו על ידי הצבת תעלת נוזל קירור קרוב למקור החום. חום מועבר מהשבב לבסיס לוח הקירור, ולאחר מכן מוסר על ידי נוזל קירור במחזור.

בהשוואה לקירור אוויר, קירור נוזלי מספק יעילות העברת חום גבוהה בהרבה מכיוון שלנוזל יש יכולת נשיאת חום טובה יותר מאשר לאוויר. זה הופך את לוחות הקור בנוזל למתאימים במיוחד עבור:

• קירור שרתים של בינה מלאכותית

• קירור כרטיס המסך

• קירור המעבד

• קירור אשכול hpc

• קירור מדף בצפיפות גבוהה

• קירור מרכז נתונים בקצה

• תשתית מחשוב ענן

• אלקטרוניקה של כוח בתוך מערכות מרכז נתונים

עבור מרכזי נתונים המתקדמים לעבר צפיפות הספק גבוהה יותר, קירור נוזלי כבר אינו רק אופציה מתקדמת. הוא הופך לאסטרטגיית ניהול תרמי הכרחית.

גורמים מרכזיים בבחירת מבנה לוח קירור נוזלי

מבנה לוח הקירור הנוזלי "הטוב ביותר" תלוי בתנאי ההפעלה בפועל. לוח קר עם ההתנגדות התרמית הנמוכה ביותר אינו תמיד הבחירה הטובה ביותר אם הוא יוצר ירידת לחץ גדולה מדי או יקר מדי לייצור.

לפני בחירת פלטת נוזלים קרים בהתאמה אישית, על המהנדסים להעריך את הגורמים הבאים.

1. עומס תרמי ושטף חום

הצעד הראשון הוא להגדיר את עומס החום הכולל של הרכיב. זה נמדד בדרך כלל בוואטים. לדוגמה, GPU או מאיץ בינה מלאכותית בעלי הספק גבוה עשויים לייצר כמה מאות וואט או יותר, בעוד שמספר שבבים על לוח אחד עשויים ליצור עומס חום משולב גבוה בהרבה.

בנוסף להספק הכולל, גם שטף חום חשוב. שטף חום מתאר כמה חום מרוכז באזור מסוים. שבב עם שטף חום גבוה דורש פיזור חום מהיר יותר ומבנה פנימי יעיל יותר של לוח קר.

עבור שבבי GPU ובינה מלאכותית בעלי הספק גבוה, קצב הזרימה עשוי לרדת לעתים קרובות בטווח של 1-3 ליטר לדקה לכל לוח קר, בהתאם להספק השבב, סוג נוזל הקירור, יעד ירידת הלחץ ודרישת ההתנגדות התרמית.

2. התנגדות תרמית

התנגדות תרמית היא אחד המדדים החשובים ביותר לביצועי לוח קר. התנגדות תרמית נמוכה יותר פירושה שהלוח הקר יכול להעביר חום בצורה יעילה יותר מהשבב לנוזל הקירור.

עם זאת, התנגדות תרמית מושפעת מגורמים רבים:

• חומר צלחת קר

• עובי הבסיס

• מבנה ערוץ פנימי

• קצב זרימת נוזל הקירור

• שטוחות משטח המגע

• חומר ממשק תרמי

• גודל השבב וחלוקת החום

• איכות ייצור

• טמפרטורת כניסת נוזל קירור

לוחית קרה מיקרו-תעלות בעלת ביצועים גבוהים עשויה לספק התנגדות תרמית נמוכה מאוד, אך היא עשויה גם להגביר את ירידת הלחץ ואת מורכבות הייצור.

3. ירידת לחץ ועוצמת שאיבה

ירידת לחץ היא גורם מפתח נוסף בתכנון לוחות קירור נוזליים. אם התעלה הפנימית צרה מדי או מורכבת מדי, נוזל הקירור עלול לחוות התנגדות זרימה גבוהה. זה דורש משאבות חזקות יותר ומגדיל את צריכת האנרגיה.

במשטח קירור יחיד, ירידת הלחץ עשויה להיראות ניתנת לניהול. אבל במדף מרכז נתונים מלא עם מספר שרתים ולוחות קירור מרובים, ירידת הלחץ הופכת לבעיה ברמת המערכת.

לוח קירור נוזלי טוב למרכז נתונים אמור לא רק להסיר חום ביעילות, אלא גם לשמור על ביצועים הידראוליים סבירים. זה עוזר להפחית את עוצמת השאיבה ומשפר את יעילות מערכת הקירור הכוללת.

4. חלוקת זרימה

עבור מודולים מרובי שבבים, מעבדים גדולים, כרטיסי מסך או לוחות מאיץ, פיזור אחיד של נוזל הקירור חשוב מאוד. פיזור זרימה לקוי עלול לגרום לאזורים מסוימים לקבל פחות נוזל קירור, וליצור נקודות חמות מקומיות.

המבנה הפנימי של לוח הקירור צריך להוביל את נוזל הקירור באופן שווה על פני אזור מקור החום. זה חשוב במיוחד עבור קירור שבבי בינה מלאכותית וקירור GPU בצפיפות גבוהה, שבהם החום מרוכז והמרווחים התרמיים צרים.

5. בחירת חומרים

בחירת החומר משפיעה על ביצועים תרמיים, עלות, משקל, עמידות בפני קורוזיה ותהליך הייצור.

שני החומרים הנפוצים ביותר עבור לוחות קור נוזלי הם אלומיניום ונחושת.

עבור מרכזי נתונים, לוחות קרים מאלומיניום הם לרוב אטרקטיביים בשל יתרונות עלות ומשקל. לוחות קרים מנחושת עדיפים כאשר שטף החום של השבב גבוה מאוד והביצועים התרמיים הם בראש סדר העדיפויות.

6. שיטת ייצור

שיטות ייצור שונות מובילות למבנים, עלויות ורמות ביצועים שונות של לוחות קרים.

שיטות ייצור נפוצות כוללות:

• עיבוד שבבי cnc

• הלחמה

• ריתוך בחיכוך

• הלחמת ואקום

• ייצור סנפירים מחוספסים

• עיבוד מיקרו-ערוצי

• קשירת נחושת-אלומיניום

• הטבעה ועיצוב עבור עיצובים בנפח גדול

עבור יצרן של פלטות קור נוזלי בהתאמה אישית, המפתח הוא לא רק לתכנן תעלה בעלת ביצועים גבוהים, אלא גם להבטיח שניתן לייצר את המבנה בצורה אמינה בקנה מידה גדול.

מבני לוחות קירור נוזליים נפוצים עבור מרכזי נתונים

מבני לוחות קור פנימיים שונים מתאימים לעומסי עבודה שונים של מרכזי נתונים. הסוגים העיקריים כוללים לוחות קור עם סנפירים מחוספסים, לוחות קור עם מיקרו-ערוציות, לוחות קור מותאמים לטופולוגיה ומבנים מתקדמים אחרים בעלי ביצועים גבוהים.

1. צלחת נוזלית קרה עם סנפיר מחורץ

לוחית קרה עם סנפירים מחוספסים משתמשת בסנפירים דקים בתוך תעלת הנוזל כדי להגדיל את שטח העברת החום. נוזל הקירור זורם דרך מבנה הסנפיר ומסיר חום מהבסיס.

זהו מבנה מסורתי יחסית ובעל שימוש נרחב. הוא מציע ביצועים יציבים ומתאים לעומסי עבודה כלליים של מרכזי נתונים.

יתרונות של צלחות קרות עם סנפירים מחוספסים

• תהליך ייצור בוגר

• אזור העברת חום טוב

• מתאים לרכיבים בעלי הספק בינוני עד גבוה

• חסכוני בהשוואה למבנים מורכבים יותר

• קל יותר להתאים אישית לגדלים שונים

מגבלות

• התנגדות תרמית עשויה להיות גבוהה יותר מאשר עיצובים מתקדמים של מיקרו-תעלות

• ירידת הלחץ תלויה במידה רבה בצפיפות הסנפיר ובנתיב הזרימה

• לא תמיד האפשרות הטובה ביותר עבור שבבי בינה מלאכותית בעלי שטף חום גבוה במיוחד

לוחות קור נוזליים עם סנפירים מחוספסים מתאימים לקירור שרתים כללי, קירור מעבדים ויישומי מרכזי נתונים שבהם עלות, אמינות ויכולת ייצור חשובים.

2. צלחת נוזלית קרה מיקרו-תעלות

לוחית קרה מיקרו-תעלות משתמשת בתעלות פנימיות קטנות מאוד כדי להגדיל את שטח המגע עם נוזל הקירור ולשפר את ביצועי העברת החום. מבנה זה פועל כמו גוף קירור מקורר נוזל יעיל ביותר בתוך לוחית הקרה.

עיצובים של מיקרו-ערוצים שימושיים במיוחד עבור מקורות חום בעלי צפיפות גבוהה כגון GPUs, מאיצי בינה מלאכותית ומעבדי HPC.

יתרונות של פלטות קרות מיקרו-תעלות

• התנגדות תרמית נמוכה מאוד

• יעילות העברת חום גבוהה

• ביצועים חזקים עבור מקורות חום מרוכזים

• מתאים לקירור שבבי בינה מלאכותית וקירור GPU

• מבנה קומפקטי עבור יישומים בצפיפות הספק גבוהה

מגבלות

• ירידת לחץ גבוהה יותר מאשר עיצובי תעלות פשוטים

• רגיש יותר לניקיון נוזל הקירור

• קשה יותר לייצר

• עלות גבוהה יותר בהשוואה לצלחות קרות סטנדרטיות

• דורש תכנון מדויק של פיזור זרימה

עבור מרכזי נתונים מודרניים של בינה מלאכותית, לוחות נוזליים קרים במיקרו-ערוציים הופכים לחשובים יותר ויותר מכיוון שכוח השבב ושטף החום עולים במהירות.

3. צלחת קרה מותאמת לטופולוגיה

לוח קר מותאם לטופולוגיה משתמש בשיטות תכנון מתקדמות כדי לייעל את נתיבי הזרימה הפנימיים. המטרה היא להפחית את ירידת הלחץ תוך שמירה על ביצועים תרמיים טובים.

בתכנון מסוים, אופטימיזציה של טופולוגיה יכולה להפחית את ירידת הלחץ ביותר מ-20%. זה יכול להיות בעל ערך במערכות שבהן עוצמת השאיבה היא אילוץ עיקרי.

יתרונות

• ירידת לחץ נמוכה יותר

• יעילות הידראולית טובה יותר

• ניתן למטב עבור פריסות שבבים ספציפיות

• שימושי ליעילות אנרגטית ברמת המדף

מגבלות

• תהליך עיצוב מורכב יותר

• עלות ייצור גבוהה יותר

• שיפור בביצועים לא תמיד מצדיק את העלות

• דורש סימולציה ואימות

מבנים מותאמים לטופולוגיה מתאימים למרכזי נתונים שבהם לולאת הקירור חייבת להתמודד עם לוחות קירור רבים ועוצמת השאיבה היא שיקול מרכזי.

4. מבני פלטות קרות מתקדמים בעלי הספק גבוה

עבור שבבים או מודולים בעלי הספק גבוה במיוחד, ייתכן שיידרשו מבנים מתקדמים. מבנים אלה נועדו להתמודד עם TDPs גבוה מאוד, לעיתים מעל כמה אלפי וואט ברמת המערכת.

עיצובים כאלה עשויים לשלב:

• מיקרו-תעלות

• פיזור זרימת סעפת

• פריסת כניסה ויציאה אופטימלית

• מבני תעלות רב-שכבתיים

• בסיסי נחושת בעלי מוליכות גבוהה

• גיאומטריה פנימית בעלת ירידת לחץ נמוכה

• תהליכי איטום וריתוך בהתאמה אישית

לוחות קרים אלה משמשים בדרך כלל באשכולות בינה מלאכותית, מערכות HPC, מודולי מאיץ בעלי הספק גבוה ופתרונות קירור צפופים ברמת מתלה.

השוואת ביצועים של מבני לוחות קירור נוזליים

הטבלה הבאה מסכמת את מאפייני הביצועים האופייניים של מבני לוחות נוזליים קרים שונים.

הבחירה הנכונה תלויה בשאלה האם הלקוח מעריך את טמפרטורת השבב הנמוכה ביותר, ירידת הלחץ הנמוכה ביותר, העלות הנמוכה ביותר, הייצור הקל ביותר או יעילות המערכת הכוללת הטובה ביותר.

התנגדות תרמית לעומת ירידת לחץ: הפשרה העיקרית

בתכנון פלטות קור נוזליות, התנגדות תרמית וירידת לחץ קשורות לעיתים קרובות.

מבנה סנפיר צפוף יותר או מיקרו-תעלה קטנה יותר יכולים להפחית את ההתנגדות התרמית מכיוון שהם מגדילים את שטח העברת החום. עם זאת, הם יכולים גם להגביר את התנגדות הזרימה, וליצור ירידת לחץ גבוהה יותר.

מצד שני, תעלה רחבה יותר עשויה להפחית את ירידת הלחץ, אך ייתכן שהיא לא תספק מספיק ביצועי העברת חום עבור שבבים בעלי הספק גבוה.

זה יוצר פשרה הנדסית משותפת:

עבור יישומי מרכזי נתונים, המטרה אינה לתכנן את לוח הקירור החזק ביותר בבידוד. המטרה היא לתכנן את לוח הקירור הטוב ביותר עבור כל לולאת הקירור, כולל משאבות, סעפות, מחברים מהירים, יחידות חלוקת נוזל קירור ודרישות תרמיות ברמת המדף.

כיצד לבחור את מבנה לוח הקירור הנכון עבור יישומי מרכז נתונים שונים

עומסי עבודה שונים של מרכזי נתונים דורשים מבני לוחות קור שונים.

שרתי מרכז נתונים כללי

עבור שרתי מעבד סטנדרטיים ועומסי חום מתונים, לוחות קרים עם סנפירים מחוספסים מאלומיניום או נחושת יכולים לספק איזון טוב בין ביצועים, עלות ואמינות.

מבנה מומלץ:

• צלחת קרה מאלומיניום או נחושת

• מבנה תעלה פשוט או סנפיר מחורץ

• קצב זרימה בינוני

• ירידת לחץ נמוכה עד בינונית

• שיטת ייצור חסכונית

שרתי אימון בינה מלאכותית

שרתי אימון בינה מלאכותית משתמשים בדרך כלל בכרטיסי מסך ובמאיצי מתח גבוהים. שבבים אלה מייצרים שטף חום גבוה ולעתים קרובות דורשים מבני קירור מתקדמים יותר.

מבנה מומלץ:

• צלחת קרה על בסיס נחושת

• מבנה המיקרו-תעלות

• פיזור זרימה אופטימלי

• יכולת קצב זרימה גבוה יותר

• עיצוב התנגדות תרמית נמוכה

אשכולות hpc

מערכות HPC דורשות לעיתים קרובות פעולה יציבה לטווח ארוך ויעילות קירור גבוהה. יש לשלוט בקפידה הן בהתנגדות תרמית והן בירידת לחץ.

מבנה מומלץ:

• לוחית קרה מנחושת או נחושת-אלומיניום

• עיצוב זרימה מיקרו-תעלות או סעפת

• אופטימיזציה של ירידת לחץ נמוכה

• איטום וריתוך אמינים

• אימות ברמת המערכת

מרכזי נתונים בקצה

מרכזי נתונים בקצה הרשת עשויים להיות בעלי שטח מוגבל ועשויים להיות פרוסים בסביבות פחות מבוקרות. אמינות ומבנה קומפקטי הם חשובים מאוד.

מבנה מומלץ:

• פלטת אלומיניום קרה לעיצוב קל משקל

• מבנה תעלה קומפקטי

• טיפול פני שטח עמיד בפני קורוזיה

• בדיקת דליפות אמינה

• התקנה ותחזוקה קלים

רשימת בדיקה לתכנון עבור לוחות קירור נוזליים של מרכז נתונים

לפני פיתוח לוח קירור נוזלי בהתאמה אישית, על המהנדסים לאשר פרמטרים מרכזיים בשלב התכנון המוקדם.

רשימת תיוג זו מסייעת להפחית טעויות עיצוב ומאפשרת ללקוח וליצרן לתקשר בצורה יעילה יותר.

שיקולי ייצור עבור לוחות קירור של מרכז נתונים

לוח קירור בעל ביצועים גבוהים חייב לא רק לתפקד היטב בסימולציה. הוא חייב גם להיות ניתן לייצור, אמין ומתאימות לפעולה ארוכת טווח של מרכז נתונים.

1. אמינות איטום

מרכזי נתונים דורשים אמינות גבוהה ביותר. כל דליפת נוזל קירור עלולה לגרום נזק חמור לשרתים ולמערכות החשמל. לכן, לוחות קירור חייבים לעבור בדיקות דליפה ולחץ קפדניות.

2. בקרת קורוזיה

כאשר משתמשים בלוחות אלומיניום קרים, יש לשקול היטב את תאימות נוזל הקירור וההגנה מפני קורוזיה. טיפול פני השטח וכימיה של נוזל הקירור חשובים לאמינות לטווח ארוך.

3. שטוחות וגימור פני השטח

משטח המגע בין השבב ללוח הקירור חייב להיות שטוח וחלק מספיק כדי להפחית את ההתנגדות התרמית של הממשק. שטוחות לקויה עלולה לגרום ללחץ מגע לא אחיד ולנקודות חמות.

4. ניקיון פנימי

עבור פלטות קירור עם תעלות מיקרו, ניקיון פנימי חשוב מאוד. חלקיקים קטנים עלולים לחסום תעלות מיקרו ולפגוע בביצועי הקירור. נדרשים ניקוי ובדיקה נאותים במהלך הייצור.

5. ייצור ניתן להרחבה

פרויקטים של מרכז נתונים דורשים לעתים קרובות ייצור בכמות אצווה. תכנון של לוחות קרים צריך להיות מותאם לא רק לביצועים אלא גם לייצור חוזר, בקרת איכות ויציבות עלויות.

כיצד kingka תומך בפרויקטים של פלטות קירור נוזלי במרכזי נתונים

kingka מספקת פלטות קירור נוזליות בהתאמה אישית, פלטות קירור מים, פלטות קירור נוזליות FSW, פלטות קירור מעובדות במכונה CNC, פלטות קירור מאלומיניום, פלטות קירור נחושת ופתרונות ניהול תרמי מלאים עבור יישומי אלקטרוניקה בהספק גבוה ומרכזי נתונים.

עבור פרויקטים של קירור מרכזי נתונים, kingka יכולה לתמוך ב:

• תכנון מבני של לוחות קרים

• בחירת חומרים

• אופטימיזציה פנימית של ערוצים

• פיתוח פלטות קרות במיקרו-תעלות

• ייצור צלחות קרות עם סנפירים מחוספסים

• עיבוד שבבי cnc

• ריתוך בחיכוך

• הלחמה והלחמה

• טיפול פני השטח

• בדיקת דליפות

• הערכת ירידת לחץ

• עיצוב בהתאמה אישית על סמך רישומי הלקוח

התמיכה ההנדסית של kingka מתמקדת בביצועים מעשיים, יכולת ייצור, בקרת עלויות ואמינות לטווח ארוך. במקום לבחור פשוט מבנה לוחות קרים אחד, אנו עוזרים ללקוחות להעריך את המערכת התרמית המלאה ולבחור את הפתרון המתאים ביותר ליישום שלהם.

סיכום בחירת מבנה לוחות קרים

בחירת מבנה לוח קירור נוזלי מתאים למרכז נתונים דורשת איזון בין ביצועים תרמיים, ירידת לחץ, עלות ייצור, בחירת חומרים ואמינות ברמת המערכת.

עבור שרתי מרכזי נתונים כלליים, לוחות קור עם סנפירים מחוספסים או ערוצים פשוטים עשויים לספק פתרון מעשי וחסכוני. עבור שבבי בינה מלאכותית בצפיפות גבוהה, מעבדי GPU ומעבדי HPC, ייתכן שיידרשו לוחות קור עם ערוצים זעירים או עיצובים מתקדמים של סעפת כדי להשיג התנגדות תרמית נמוכה יותר. עבור מערכות שבהן עוצמת השאיבה היא הדאגה העיקרית, לוחות קור מותאמים לטופולוגיה יכולים לסייע בהפחתת ירידת הלחץ ובשיפור היעילות ההידראולית.

פלטת הקירור הנוזלית הטובה ביותר אינה תמיד המורכבת ביותר. זהו המבנה שמתאים לעומס החום בפועל, לקצב הזרימה, למגבלת ירידת הלחץ, לדרישות החומר, לתקציב הייצור ולארכיטקטורת הקירור ברמת המדף.

קינגקה מספקת פלטות קירור נוזליות מותאמות אישית, פלטות קור נוזליות, פלטות קירור מים, צלעות קירור ופתרונות ניהול תרמי מלאים עבור מרכזי נתונים, שרתי בינה מלאכותית, מערכות HPC ואלקטרוניקה בעלת הספק גבוה. על ידי שילוב של מומחיות בחומרים, תכנון מבני, ייצור מדויק ובדיקות אמינות, קינגקה מסייעת ללקוחות לבנות פתרונות קירור יעילים, יציבים וניתנים להרחבה עבור מרכזי נתונים מהדור הבא.