DLC-koeling is directe vloeistofkoeling: koelvloeistof stroomt door een koelplaat die rechtstreeks op een processor is gemonteerd, waardoor de warmte direct bij de bron wordt afgevoerd in plaats van de omgevingslucht op te warmen. Bij DLC-koeling met een koelplaat blijft de vloeistof afgesloten in de plaat en het koelcircuit. De vloeistof komt nooit in contact met de chip, het moederbord of de connectoren. Leveranciers van serverkoeling melden over het algemeen dat deze aanpak ongeveer 60–80% van de warmte van een server bij de chip opvangt, waarbij de rest door de lucht wordt afgevoerd. Deze opvangverhouding is de reden waarom directe vloeistofkoeling nu een gangbare aanpak is voor compacte AI- en high-performance computing (HPC)-racks, waar lucht alleen niet voldoende capaciteit biedt.
De zoekterm verwijst naar hardware voor datacenters, maar de onderliggende fysica is hetzelfde als het warmtepad van chip naar koelvloeistof dat de koelplaat van een batterij beheerst. Hoe vlak is het contactoppervlak? Hoe goed vult het thermische interface-materiaal (TIM) de opening? Hoe balanceren de interne kanalen warmteoverdracht tegen drukverlies, en is de chemische samenstelling van de koelvloeistof afgestemd op de materialen die ermee in contact komen? Deze vragen zijn direct van toepassing op de koeling van EV- en energieopslagsystemen (ESS). Wat niet van toepassing is, is de systeemarchitectuur aan de serverzijde – de dimensionering van de koelwaterinstallatie van de faciliteit, de warmteafvoer van de CDU naar het gebouw, de economische aspecten van de rackdichtheid en de maximale TDP van de GPU – omdat die afhangen van de implementatie en het specificatieblad, niet van het batterijpakket zelf. Dit artikel blijft bij de overdraagbare laag en geeft aan waar een beoordeling van de server niet zomaar op een batterijpakket moet worden toegepast.
Wat is DLC-koeling?
Breng de koelvloeistof naar de warmste componenten, niet naar de omringende lucht: dat is het hele idee achter DLC. De technologie staat ook bekend als direct-to-chip (D2C) koeling of cold-plate koeling, en alle drie de namen beschrijven hetzelfde mechanisme. Een koelplaat wordt tegen de CPU- of GPU-chip gemonteerd en een gesloten circuit voert de geabsorbeerde warmte af. Vloeistoffen voeren warmte veel effectiever af dan lucht, omdat ze dichter zijn en meer energie per volume-eenheid kunnen opslaan. Daardoor verlaat dezelfde warmtebelasting het systeem via een veel kortere weg.
Voor een engineer is het van belang *waar* de warmte wordt afgevoerd. Luchtkoeling onttrekt warmte aan een koelblok en voert deze af naar de ruimte, waar de warmte uiteindelijk een CRAC- of CRAH-unit bereikt. Directe vloeistofkoeling onderschept het grootste deel van die warmte bij de component zelf, voordat het een probleem wordt voor de omgevingslucht. Dankzij deze verschuiving kan een rack veel meer rekenkracht bevatten binnen dezelfde afmetingen. Dit is ook de reden waarom datacenters voor versnelde AI overstappen op Koeloplossingen met koelplaten om de luchtdichtheid te verhogen tot boven het niveau dat hun luchtsystemen aankunnen.
Hoe werkt directe vloeistofkoeling?
Een direct vloeistofkoelsysteem voert warmte af via vier gekoppelde fasen: chip, koelplaat, koelvloeistofcircuit en warmteafvoer. De processor geleidt warmte via een dun thermisch geleidend materiaal (TIM) naar de koelplaat. Koelvloeistof die door interne kanalen stroomt, absorbeert die warmte. De opgewarmde koelvloeistof stroomt naar een koelvloeistofverdeelunit (CDU), die de warmte afvoert naar koelwater of lucht. Elke fase voegt thermische weerstand toe, dus het doel van het ontwerp is om elke interface in die keten zo min mogelijk weerstand te geven.
De CDU vormt de grens tussen de serverlus en het gebouw en is verkrijgbaar in twee gangbare configuraties. Een vloeistof-naar-vloeistof (L2L) CDU voert warmte af naar een waterleiding in het gebouw, wat geschikt is voor grote implementaties die al beschikken over gekoeld of warm water. Een vloeistof-naar-lucht (L2A) CDU voert warmte af naar de omgevingslucht via een warmtewisselaar en ventilatoren, wat gemakkelijker achteraf te installeren is in een hal zonder waterleidingen. De keuze hangt af van de beschikbaarheid van water in het gebouw en de gewenste rackdichtheid, dus bepaal het CDU-type voordat de lay-out van de koelplaat en het verdeelstuk definitief is. Deze laag tussen de CDU en het gebouw is precies het deel dat niet wordt overgedragen aan een accupakket, waar de warmteafvoer wordt bepaald door het voertuig of de behuizing, niet door de datahal.
Lucht speelt nooit helemaal geen rol meer. Geheugen, schijven, netwerkkaarten en spanningsregelaars produceren nog steeds warmte die niet door een koelplaat wordt opgevangen. De meeste implementaties zijn daarom hybride: vloeistofkoeling voor de warmste componenten en een kleinere luchtstroom voor de rest. Het beschouwen van DLC als "alleen vloeistofkoeling" is een veelgemaakte planningsfout. De praktische vraag is hoe de warmteverdeling moet worden aangepakt, niet of luchtkoeling nog nodig is.
Eenfasige versus tweefasige directe chipkoeling
Of de koelvloeistof van fase verandert, is het enige verschil tussen eenfasige en tweefasige DLC-coatings. Dit verschil is bepalend voor de kosten, de complexiteit en de hoeveelheid warmte die de plaat kan afvoeren. Bij eenfasige DLC blijft de koelvloeistof vloeibaar gedurende de hele doorgang door de plaat – meestal een water-glycolmengsel – en voert deze warmte af door op te warmen. Bij tweefasige DLC kookt de koelvloeistof in de plaat en condenseert stroomafwaarts. De latente verdampingswarmte wordt gebruikt om meer energie te absorberen bij een kleinere temperatuurstijging. De vloeistof is meestal een diëlektrisch materiaal of een koelmiddel, geen water.
Eenfasige systemen zijn de gangbare, eenvoudigere aanpak voor veel huidige installaties, maar ze moeten nog steeds ontworpen worden om reële storingen te voorkomen. Hogere debieten verhogen het risico op erosiecorrosie in kanalen en fittingen na verloop van tijd, en elk watergebaseerd circuit brengt lekkagerisico's met zich mee in de buurt van actieve hardware. Zowel de materialen van het circuit als de samenstelling van de koelvloeistof moeten vóór de installatie worden gecontroleerd. Tweefasige systemen kunnen zeer hoge warmtefluxen met een vlakker temperatuurprofiel verplaatsen, maar ze brengen extra druk, condensatie en complexiteit in de vloeistofverwerking met zich mee. Dit wordt een aandachtspunt wanneer het thermisch ontwerpvermogen (TDP) hoger wordt dan wat eenfasige systemen bij een acceptabele temperatuurstijging aankunnen. Controleer voordat u een gepubliceerd debiet of vermogen vertrouwt, het type koelvloeistof, het debiet en de maximale TDP voor de specifieke plaat en vloeistof die u wilt gebruiken.
DLC vergeleken met immersiekoeling en hybride luchtkoeling
Direct-to-chip (D2C) is slechts één vloeistofkoelingsmethode, en de keuze hangt af van hoeveel warmte de vloeistof moet afvoeren. Naast D2C zijn de belangrijkste opties immersiekoeling, waarbij complete printplaten in een diëlektrisch bad liggen; warmtewisselaars aan de achterzijde, die de afvoerlucht bij de rackdeur koelen; en vloeistof-naar-lucht-units die de vloeistof dicht bij het rack brengen zonder dat er leidingwerk in het gebouw nodig is. Elk van deze methoden onderschept warmte op een ander punt in het traject, waardoor er afwegingen zijn tussen de benodigde installatie-inspanning, het onderhoudsgemak en de maximale dichtheid die ze kunnen ondersteunen.
Direct-to-chip (D2C) en immersiekoeling bevinden zich aan de tegenovergestelde uiteinden van dat spectrum. D2C zorgt ervoor dat servers onderhoudbaar blijven en hergebruikt een groot deel van de standaard rackworkflow, terwijl alleen de warmste onderdelen met vloeistof worden gekoeld. Daardoor is het de meest geleidelijke stap voor een operator die de dichtheid van een bestaande hal wil verhogen. Immersiekoeling verwijdert de lucht bijna volledig, maar verandert het onderhoud, de vloeistoffen en de rackindeling ingrijpend. Voor teams die plaatgebaseerde opties vergelijken, zijn de verschillen in kanaalgeometrie en constructie net zo belangrijk als de koelingscategorie. Een batterij-ingenieur staat voor hetzelfde onderscheid wanneer hij een plaat afstemt op een cellayout in plaats van op een servermoederbord.
Ontwerp van de koelplaat in het warmtepad van chip naar koelvloeistof
De koelplaat is cruciaal voor het succes of falen van een DLC-systeem, omdat deze de twee interfaces vormt die doorgaans de thermische weerstand in de koelingslus bepalen. Warmte moet van de chipdeksel naar de plaat worden overgebracht via een dunne, gelijkmatige laag TIM (Thermal Interface Material), en vervolgens van de plaatwand naar de circulerende koelvloeistof via de interne kanalen. Als de plaat niet vlak is waar deze de chip raakt, of als de montagedruk ongelijkmatig is, groeit de TIM-opening en neemt de thermische weerstand toe, ongeacht hoe koud de binnenkomende koelvloeistof is. Vlakheid, controle van de opening en montagedruk horen daarom op de acceptatiechecklist voor elke plaat.
Het ontwerp van de kanalen vormt de tweede helft van het werk. De kanaalgeometrie, wanddikte en stromingsrichting bepalen hoeveel warmte de plaat aan de koelvloeistof onttrekt en hoeveel pompdruk de kringloop daarvoor betaalt – de kern van elke afweging. ontwerp van koude platen voor thermisch beheer. Een hogere dichtheid en een hogere TDP (Transportation Pressure Processing) leiden tot fijnere interne structuren. Fijnere kanalen verhogen echter de drukval en kunnen de stroomsnelheid concentreren, wat de erosie versnelt. Daarom moet de plaat worden afgestemd op de beoogde stroomsnelheid en niet op zichzelf worden geoptimaliseerd.
Het correct afstemmen van die interfaces is applicatiespecifiek werk, geen kwestie van een standaardproduct kiezen, vooral niet wanneer een accupakket of een serverrack verschillende formaten, spelingtoleranties en montagespanningen combineert. Dat is het uitgangspunt. oplossingen op maat voor koelplatenDe contactinterface, kanaalindeling en koelvloeistofstroom worden ontworpen op basis van de belasting, in plaats van de belasting op een generieke plaat te forceren. De technische controles zijn universeel toepasbaar — controleer de vlakheid en montagedruk, stem de kanalen af op de doorstroming en controleer de materialen op basis van de chemische samenstelling van de koelvloeistof — maar de belasting zelf niet. De toleranties voor de speling, het celformaat en de structurele verbinding van een batterijmodule stellen andere eisen dan een AI-accelerator, en die pakketspecifieke beperkingen, en niet het aantal servers, zouden bepalend moeten zijn voor de koelplaat van een batterij.
Conclusie
Lees DLC als drie afzonderlijke beslissingen en het wordt minder onduidelijk: de koelcategorie (direct-naar-chip, immersie, hybride), het gedrag van de koelvloeistof (éénfasig versus tweefasig) en de hardware die het werk doet (de koelplaat en de bijbehorende interfaces). Voor een team dat zich bezighoudt met de thermische werking van een batterij, is alleen de laatste factor direct toepasbaar: de contactinterface, de TIM-afstand en de afstemming van kanalen op de doorstroming zijn gebaseerd op dezelfde natuurkundige principes, ongeacht of de warmte afkomstig is van een GPU of een cel. De servercomponenten – de CDU, de watervoorziening van de faciliteit en de doelstellingen voor de rackdichtheid – blijven aan de datacenterzijde van de grens. De nuttige verificatievolgorde is dus vastgelegd: controleer eerst de vlakheid en de montagedruk, stem de kanalen af op de daadwerkelijke doorstroming, controleer vervolgens de materialen op basis van de chemische samenstelling van de koelvloeistof en bepaal de belasting op basis van uw eigen accupakket, niet op basis van een serverspecificatie.
FAQ
Heb ik nog steeds luchtkoeling nodig als ik vloeistofkoeling rechtstreeks op de chip toepas?
Ja. De meeste direct-to-chip-implementaties blijven hybride, niet volledig vloeistofgekoeld. De koelplaat vangt het grootste deel van de warmte op bij de CPU en GPU, maar geheugen, schijven, netwerkkaarten en voedingscomponenten geven nog steeds warmte af die niet door de koelplaat wordt bereikt. Een kleiner luchtcircuit voert die resterende warmte af. Plan de verdeling van vloeistof- en luchtkoeling samen, en ga er niet vanuit dat vloeistof alle warmte afvoert.
Eenfasige of tweefasige directe voeding naar de chip voor GPU's met een hoog TDP?
Eenfasige koeling is geschikt voor veel moderne GPU's met een hoge TDP en is eenvoudiger te implementeren, waardoor het een veelgebruikt uitgangspunt is. Tweefasige koeling is, ondanks de extra druk en complexiteit van de vloeistofbehandeling, vooral de moeite waard wanneer het thermisch vermogen (TDP) hoger wordt dan wat eenfasige koeling aankan bij een acceptabele temperatuurstijging. Bepaal de juiste koelvloeistofsoort door de TDP-limiet te controleren aan de hand van de specifieke specificaties van het moederbord, en niet op basis van een algemene regel.
Hoeveel kW per rack kan directe vloeistofkoeling ondersteunen in vergelijking met luchtkoeling?
Directe vloeistofkoeling maakt een aanzienlijk hogere rackdichtheid mogelijk dan luchtkoeling, wat de belangrijkste reden is voor het bestaan ervan. De specificaties van leveranciers voor zowel lucht- als vloeistofkoeling variëren sterk, afhankelijk van de hardware en het ontwerp van de faciliteit. Beschouw elk afzonderlijk getal daarom als een indicatie van de richting en de grootte van de racks ten opzichte van uw daadwerkelijke servers, CDU en koelcircuit. De belangrijkste conclusie is de richting: vloeistofkoeling voert warmte af bij de bron, waardoor veel dichtere racks mogelijk zijn.
Komt de koelvloeistof daadwerkelijk in contact met de chip bij een DLC-koelplaat?
Nee. Bij DLC-koeling met een koude plaat blijft de koelvloeistof afgesloten in de plaat en het koelcircuit en komt deze nooit in contact met de chip, het moederbord of de connectoren. De warmte wordt van de chip naar de plaat overgedragen via een thermisch geleidend materiaal, en de vloeistof stroomt alleen door kanalen in de plaat. Deze afscherming is een essentieel ontwerpkenmerk, en daarom is het nog steeds belangrijk om lekbestendige materialen en fittingen te controleren, ook al is de vloeistof geïsoleerd.
Verder lezen
- Woordenlijst voor directe chipkoeling — Een neutrale verklarende woordenlijst met een definitie van directe chipkoeling, CDU-configuraties en eenfasige versus tweefasige werking, ter ondersteuning van de bovenstaande secties over mechanismen en CDU's.
- 5 veelvoorkomende misverstanden over vloeistofkoeling direct op de chip — Legt uit waarom implementaties hybride blijven en waarom koelvloeistof nooit in contact komt met de hardware, waarmee de argumenten "nog steeds lucht nodig" en de insluitingspunten worden ondersteund.
Gerelateerde artikelen
- Koelinstallaties voor datacenters: de keuze tussen luchtgekoelde en watergekoelde installaties — Laat zien waar de koelinstallatie en de waterzuiveringsinstallatie zich stroomafwaarts van de CDU bevinden, en hoe de belasting, het klimaat en de beschikbaarheid van water het type installatie bepalen.
- Wat is warmteoverdracht? — Hierin worden geleiding, convectie en straling uitgelegd, de mechanismen die ten grondslag liggen aan elk koelplaat- en koelvloeistofwarmtepad in dit artikel.
- Wat is een buisvormige koelplaat? — Legt uit hoe buizen die in een aluminium basis zijn gelijmd warmte afvoeren, en een andere plaatconstructie om te vergelijken met machinaal bewerkte kanalen.
- Hoe werkt koeling met warmtebuizen en wanneer moet je het gebruiken? — Dit beschrijft een passief tweefasenalternatief dat warmte verplaatst zonder pomp, wat nuttige context biedt bij het vergelijken van het gedrag van koelvloeistoffen.
- Wat zijn de verschillende soorten koelplaten? — Vergelijkt verschillende typen koelplaten op basis van kanaalontwerp en constructie, het onderscheid op plaatniveau dat in dit artikel wordt benadrukt voor de keuze tussen batterij- en serverkoeling.
