Uitdagingen in datacenters overwinnen met innovatieve Cold Plate-koelingoplossingen

Vloeistofkoeling met koelplaten voert warmte af van datacenterracks die tegenwoordig meer warmte produceren dan de lucht kan afvoeren. Servers met een hoge dichtheid die continu onder hoge belasting draaien, concentreren de warmte rond de chip. Ventilatoren en gekoelde lucht bereiken die warmte maar langzaam, en de ophoping is de reden waarom operators kiezen voor vloeistofkoeling bij de bron. Een metalen koelplaat wordt op de processor geplaatst, koelvloeistof stroomt erdoorheen en de warmte wordt door geleiding van de chip afgevoerd.

De afweging is nieuw. Vloeistofkoeling in het rack brengt integratie-, kosten-, betrouwbaarheids- en warmtehergebruikproblemen met zich mee die luchtkoeling nooit heeft gehad. Dit artikel beschrijft hoe koelplaatkoeling werkt in een datacenter, waar de echte uitdagingen liggen, hoe het zich verhoudt tot immersie- en luchtkoeling op basis van warmtebelasting, en welke variabelen moeten worden gecontroleerd vóór een retrofit. Het behandelt niet het ontwerp van immersietanks, de dimensionering van koelinstallaties of de specificaties voor de inkoop van koelvloeistof, aangezien deze afhankelijk zijn van de locatie en leveranciersgegevens.

Hoe werkt vloeistofkoeling met koelplaten in een datacenter?

Koeling met een koude plaat voert warmte af naar een vloeistofcircuit door geleiding, niet naar de omgevingslucht door convectie. Een machinaal bewerkte metalen plaat koude schotel Het koelmiddel ligt tegen de CPU of GPU aan via een thermisch geleidend materiaal. Koelvloeistof stroomt door kanalen in het materiaal en voert de warmte af naar een koelvloeistofverdeelunit (CDU). De CDU geeft die warmte vervolgens via een warmtewisselaar door aan het koelcircuit. Omdat de vloeistof direct in contact komt met de warmtebron, wordt deze opstelling direct-to-chip koeling genoemd.

Het plaatmateriaal, de doorstroomsnelheid en het kanaalontwerp bepalen elk een strikte limiet voor hoeveel warmte een plaat kan afvoeren. Koper geleidt warmte beter dan aluminium, bijna 400 W/m·K tegenover 240 W/m·K, dus platen met een hoge warmteflux gebruiken vaak koper, ondanks het extra gewicht en de hogere kosten. De doorstroomsnelheid heeft een tweeledig effect. Een te lage doorstroomsnelheid zorgt ervoor dat de temperatuur in de verbinding oploopt; een te hoge doorstroomsnelheid verspilt pompvermogen en kan de kanalen na verloop van tijd aantasten. Een circuit moet in balans zijn met de plaat en mag niet worden opgevoerd totdat de temperaturen veilig lijken.

Luchtkoeling blijft een onmisbaar onderdeel, zelfs in een vloeistofgekoelde ruimte. Koelplaten ontlasten de processoren, maar geheugen, voedingseenheden, netwerkapparatuur en condensatiebeheersing hebben nog steeds luchtstroom nodig. De meeste ruimtes zijn daarom hybride, met zowel vloeistof- als luchtkoeling.

De stijgende vraag naar efficiënte koeling in datacenters

De toenemende rackdichtheid, en niet de vloeroppervlakte, heeft ervoor gezorgd dat luchtkoeling zijn grenzen heeft bereikt. AI en high-performance computing (HPC) plaatsen steeds krachtigere processoren in elk rack, waardoor de warmte per rack sneller toeneemt dan de luchtbehandelingssystemen kunnen bijhouden. Als vuistregel wordt luchtkoeling onpraktisch rond de 20 kW per rack, terwijl direct-to-chip koelplaten een veel hoger vermogen aankunnen, tot in het bereik waar de huidige compacte AI-racks zich bevinden. Het exacte punt hangt af van de hardware, de luchtstroom die de ruimte kan leveren en de inlaattemperatuur.

Luchtkoeling loopt tegen een fysieke beperking aan voordat de kosten een belemmering vormen. Ventilatoren zijn afhankelijk van temperatuurverschil en luchtdebiet. Naarmate de dichtheid toeneemt, wordt het benodigde luchtdebiet onpraktisch en komen er in bepaalde delen van de ruimte temperaturen boven het aanbevolen bereik te liggen, waardoor er hete plekken ontstaan. Deze hete plekken beperken de prestaties en verhogen het risico op betrouwbaarheidsproblemen. Dat is de operationele reden waarom een hogere dichtheid een verandering in de koeling noodzakelijk maakt.

Energieverbruik en emissies zijn de tweede reden om warmte met vloeistoffen te transporteren. Koeling is een groot deel van het elektriciteitsverbruik van een datacenter, dus een inefficiënt thermisch systeem verhoogt zowel de energierekening als de CO2-uitstoot. Vloeibare koeling aan de bron kan dat verbruik verlagen, maar de besparing hangt af van het basissysteem, het klimaat en de werkbelasting. Beschouw elk efficiëntiecijfer als een bereik dat geverifieerd moet worden, niet als een vast getal.

Uitdagingen voor vloeistofkoeltechnologie met koude platen

Koeling met koude platen lost het warmteprobleem op, maar brengt vier uitdagingen met zich mee die bepalen of een implementatie succesvol zal zijn. Elk van deze uitdagingen is een technische afweging met een variabele die een operator kan controleren.

Integratie met bestaande ruimtes. Het achteraf inbouwen van vloeistofkoeling in een luchtgekoelde hal is het lastigste, omdat het ombouwen van één rack tegelijk twee koelsystemen tegelijk in bedrijf stelt en de werkdruk voor het facilitaire team verdubbelt. Waar racks een gedeelde koelunit (CDU) en verdeelstuk hebben, is de meest geschikte ombouweenheid een aaneengesloten rij of module, zodat de lus, het onderhoud en de lekdetectie binnen de perken blijven.

Ombouwkosten. De kosten die projecten vertragen, zijn de renovatiekosten, niet de koelplaten. Het kapitaal gaat zitten in koelunits, verdeelstukken, leidingen en de herinrichting van de ruimte. De terugverdientijd hangt af van de belasting van de ruimte en de gebruiksduur, dus de schatting moet per locatie worden gemaakt.

Lek- en corrosiepreventie. Lekkage en corrosie zijn de twee belangrijkste oorzaken van storingen die de betrouwbaarheid van een vloeistofcircuit bepalen, en beide zijn materiaal- en chemische problemen. Circuits met gemengde metalen, zoals koperen platen die elders aluminium aanvoeren, zijn gevoelig voor galvanische corrosie. Het afstemmen van de koelvloeistofsamenstelling en corrosieremmers op de materialen die ermee in contact komen, vormt de basis van een betrouwbaar koelsysteem. corrosiebestrijding, En beide moeten worden gecontroleerd aan de hand van de specificaties van de leverancier.

Hergebruik van restwarmte. Het terugwinnen van de opgevangen warmte is alleen rendabel als de temperaturen en de afname op elkaar zijn afgestemd. Koelcircuits met koude platen kunnen warme koelvloeistof leveren die hergebruikt kan worden, maar de waarde hangt af van het feit of het circuit warm genoeg is en of er een nabijgelegen toepassing is, zoals een verwarmingscircuit in een gebouw. Daardoor is warmtehergebruik net zozeer een kwestie van facilitaire planning als van koeling.

Koelplaat, onderdompeling en luchtkoeling: de methode afstemmen op de warmtebelasting

De juiste methode hangt af van de warmtebelasting en de mate waarin de temperatuur in de ruimte kan veranderen, er is niet één beste technologie. Koelplaten, dompelverwarming en luchtkoeling pakken elk een ander deel van de thermische keten aan, dus de keuze is een kwestie van wat het beste bij de situatie past.

Methode	Beste pasvorm	Belangrijkste afweging
Luchtkoeling	Racks met een lagere dichtheid; randapparatuur	De capaciteit neemt af naarmate de rackdichtheid toeneemt.
Koelplaat (direct op de chip)	Racks met hoge dichtheid voor CPU's/GPU's; aanpasbaar aan bestaande ruimtes.	Koelt de chip, niet het hele rack; er blijft wat lucht achter.
Onderdompeling	Zeer hoge warmteflux	Dompelt hardware onder in diëlektrische vloeistof; grotere operationele verandering

Binnen koelplaten wordt onderscheid gemaakt tussen eenfasige en tweefasige systemen. Bij eenfasige systemen blijft de koelvloeistof vloeibaar tot aan de koelunit (CDU), waardoor het systeem eenvoudiger te onderhouden is. Bij tweefasige systemen kookt de koelvloeistof bij de plaat om een zeer hoge warmteflux te absorberen, wat de maximale capaciteit verhoogt, maar de complexiteit van het systeem vergroot. Een eenfasig systeem is geschikt voor gangbare CPU- en GPU-configuraties; een tweefasig systeem wordt ingezet wanneer de warmteflux van de processors de capaciteit van een eenfasig systeem overschrijdt.

Innovatieve oplossingen voor koude plaatkoeling

De oplossingen voor deze uitdagingen liggen op twee gebieden: het ontwerp van het systeem en de manier waarop het wordt beheerd. Beide zijn erop gericht om een flexibele implementatie schaalbaar en onderhoudbaar te maken.

Modulaire, schaalbare architectuur biedt een oplossing voor het integratieprobleem. Een lus die rij voor rij kan worden uitgebreid, maakt het mogelijk om een ruimte te laten groeien tot een vloeistof zonder ingrijpende verbouwingen, en blijft bruikbaar naarmate er nieuwe processorgeneraties komen. Het dimensioneren van de plaat, het kanaal en het stroompad op basis van de werkelijke warmtebelasting is waar het om draait. ontwerp van koude schijven Dit bepaalt de uitkomst, omdat een te grote of te kleine lus zich later manifesteert als verspilde pompenergie of oververhitte chips.

Monitoring en voorspellend onderhoud bieden een oplossing voor het betrouwbaarheidsprobleem. Sensoren voor debiet, temperatuur en druk stellen operators in staat om een beginnend lek of een vervuiling in een kanaal te detecteren voordat dit tot stilstand leidt. Door deze gegevens te koppelen aan de onderhoudsplanning wordt de handmatige controle van een vloeistofcircuit aanzienlijk verminderd. Het monitoringplan moet specificeren welke variabele een waarschuwing activeert en bij welke drempelwaarde, zodat de reactie al vastligt voordat er een storing optreedt.

Beste praktijken voor het implementeren van koude plaatkoeling

De keuze voor een koudeplaatinstallatie wordt vóór de installatie gemaakt, tijdens een beoordeling en een pilotproject. De onderstaande stappen leggen de nadruk op keuzes die kostbaar zijn om terug te draaien zodra de leidingen eenmaal in de ruimte liggen.

• Bepaal eerst de belasting en de beschikbare ruimte. Stem de systeemgrootte af op de huidige en toekomstige rackdichtheid, niet op het huidige gemiddelde, zodat de lus een hardware-upgrade overleeft.
• Test het ontwerp eerst in een proefopstelling voordat u het opschaalt. Bewijs het ontwerp op een gecontroleerde opstelling en meet de werkelijke doorstroming, temperatuur en druk voordat u de hele hal in gebruik neemt.
• Ontwerp met het oog op uitbreiding. Geef de voorkeur aan modulaire lay-outs, zodat toekomstige rijen of racks met een hogere dichtheid kunnen worden aangesloten zonder de kernlus te hoeven aanpassen.
• Specificeer de kwaliteit van de onderdelen die in contact komen met het medium. Zorg ervoor dat pompen, leidingen, platen en koelvloeistof qua materiaal en chemische samenstelling op elkaar zijn afgestemd, aangezien lekkages en corrosie beginnen bij het zwakste onderdeel.
• Plan onderhoud en training. Stel een schema op voor lek-, corrosie- en debietcontroles en zorg ervoor dat het personeel het systeem kan bedienen.

Controleer, voordat u de zaal definitief reserveert, een beperkt aantal variabelen aan de hand van ontwerp- en leveranciersgegevens in plaats van een algemene checklist. Noteer elke variabele als een ontwerpwaarde en als een gemeten waarde, zodat het verschil zichtbaar is.

• Temperatuur van de aanvoer- en retourkoelvloeistof, ten opzichte van het ontwerpvenster van de koelvloeistofverdeler (CDU) en de koelplaat.
• Debiet en drukval per plaat, ten opzichte van het ontwerppunt
• Chiptemperatuurmarge onder piekbelasting
• Lekdetectie dekking en responsstatus
• Compatibiliteit van materiaal en koelvloeistof voor alle onderdelen die in contact komen met het medium.
• Warmtebalans van de CDU naar het installatiecircuit.

Elke limiet in die lijst is gebaseerd op gegevens van de hardware, koelplaat, CDU en koelvloeistofleverancier. Het raamwerk dient als leidraad, niet als een vaste set getallen.

De warmteafvoer aan de gebouwrand wordt gemakkelijk onderschat. De CDU moet zijn warmtebelasting doorgeven aan een nieuw circuit, en de manier waarop die warmte het terrein verlaat, is van belang. datacentrumkoelers Of een hergebruikcircuit, bepaalt de koelvloeistoftemperatuur waarmee de rackzijde te maken krijgt.

Conclusie

Koeling met koelplaten is een waardevolle optie wanneer de rackdichtheid de mogelijkheden van luchtkoeling overstijgt, en de beslissing hangt af van de pasvorm en de implementatie. De waarde zit hem in het traject van chip naar koelvloeistof. Het plaatmateriaal en de stromingsbalans bepalen hoeveel warmte er kan worden afgevoerd, terwijl integratie, de samenstelling van de koelvloeistof en de warmteafvoer bepalen of de implementatie betrouwbaar blijft en de retrofit de moeite waard is. Het meest voorkomende misverstand is dat koelplaten luchtkoeling volledig vervangen, terwijl ze in de praktijk de geconcentreerde processorbelasting opvangen en de rest van het rack op luchtkoeling laten draaien.

Voor een operator die een verhuizing overweegt, zijn drie zaken van het grootste belang: de gewenste rackdichtheid, of de ruimte het mogelijk maakt om rij voor rij om te bouwen, en waar de opgevangen warmte naartoe gaat. Het dimensioneren van de koelplaat op basis van die warmtebelasting, en niet op basis van een hoog rendement, is essentieel om een systeem draaiende te houden wanneer processors worden vervangen.

FAQ

Verder lezen

• LBNL Expertisecentrum voor Energievoorziening in Datacenters — Een nationaal laboratoriumprogramma van het Amerikaanse ministerie van Energie over energie- en koeltechnologieën voor datacenters. Een leveranciersonafhankelijk informatiepunt voor achtergrondinformatie over energie en koeling in datacenters; raadpleeg het voor oriëntatie, niet voor het dimensioneren van een specifieke locatie.
• Directe chipkoeling: alles wat datacenterbeheerders moeten weten — Data Center Knowledge, een branchepublicatie. Een in begrijpelijke taal geschreven overzicht voor operators van hoe directe chipkoeling werkt en welke voor- en nadelen er zijn; achtergrondinformatie, geen technische specificatie.
• Belangrijkste strategieën voor vloeistofkoeling in datacenters — ENCOR Advisors, een adviesbureau voor datacenters. Behandelt de adoptie en implementatiestrategie van vloeistofkoeling; beschouw alle genoemde cijfers als indicatief en controleer ze aan de hand van uw eigen locatiegegevens.

Gerelateerde artikelen

• De rol van innovatieve vloeistofkoelingtechnologie in het vergroten van de actieradius van EV's — Hoe vloeistofkoeling de batterijtemperatuur regelt om de actieradius van elektrische voertuigen te beschermen.
• Integratie en optimalisatie van intelligente koelsystemen — Hoe integreer en optimaliseer je intelligente koelsystemen in een thermisch ontwerp?.
• Basisprincipe van de Vloeistof Koelplaat — Het werkingsprincipe van een vloeistofkoelplaat en hoe deze warmte van de bron afvoert.
• Een revolutie in de efficiëntie van datacenters met Trumonytechs' vloeistofkoeling — Hoe vloeistofkoeling de energie-efficiëntie van datacenters verhoogt.
• IGBT koeling met vloeistoftechnologie: Elektronische efficiëntie verbeteren — Vloeistofkoeling gebruiken om de warmte in IGBT-vermogenselektronica te beheersen.