Innovativa lösningar för kylning med Cold Plate löser utmaningarna i datacenter

Vätskekylning med kallplatta avlägsnar värme från datacenterrack som nu producerar mer värme än vad rörlig luft kan bära bort. Servrar med hög densitet under kontinuerlig, högbelastad bearbetning koncentrerar värme vid chipet. Fläktar och kyld luft når den värmen långsamt, och det är ansamlingen som driver operatörerna mot vätska vid källan. En metallkylplatta sitter på processorn, kylvätska rinner genom den och värmen lämnar chipet genom ledning.

Avvägningen är ny. Vätska i racket medför problem med integration, kostnad, tillförlitlighet och värmeåteranvändning som luftkylning aldrig har haft. Den här artikeln behandlar hur kylning med kall platta fungerar i ett datacenter, var de verkliga utmaningarna ligger, hur det jämförs med immersion och luftkylning baserat på värmebelastning, och vilka variabler som ska bekräftas före en eftermontering. Den täcker inte designen av immersionstankar, dimensionering av kylvattenanläggningen eller specifikationer för kylvätskeanskaffning, vilka beror på platsförhållanden och leverantörsdata.

Hur kylplattans vätskekylning fungerar i ett datacenter

Kylning med kall platta transporterar värme in i en vätskeslinga genom ledning, inte ut i rumsluften genom konvektion. En maskinbearbetad metall kall platta sitter mot processorn eller grafikkortet genom ett termiskt gränssnittsmaterial. Kylvätska strömmar genom kanaler inuti och transporterar värmen till en kylvätskedistributionsenhet (CDU). CDU:n överför sedan värmen till anläggningens slinga genom en värmeväxlare. Eftersom vätskan möter värmekällan direkt kallas denna uppställning direkt-till-chip-kylning.

Plattmaterial, flödeshastighet och kanaldesign sätter alla en hård gräns för hur mycket värme en platta kan dra. Koppar leder värme bättre än aluminium, nära 400 mot 240 W/m·K, så högflödesplattor använder ofta koppar trots den ökade vikten och kostnaden. Flödeshastigheten går åt båda hållen. För litet flöde gör att övergångstemperaturerna stiger; för mycket slösar bort pumpkraft och kan erodera kanalerna med tiden. En slinga måste balanseras mot plattan, inte vridas upp förrän temperaturen ser säkra ut.

Luftkylning försvinner sällan, inte ens i en vätskekyld hall. Kylplattor avlastar processorerna, men minne, effektsteg, nätverksutrustning och kondenskontroll behöver fortfarande luftflöde. De flesta rum blir hybrider, delvis vätska och delvis luft.

Den ökande efterfrågan på effektiv kylning i datacenter

Ökande racktäthet, inte golvyta, var det som drev luftkylningen över sin gräns. AI och högpresterande datorer packar kraftfullare processorer i varje rack, och värmeeffekten per rack har ökat snabbare än luftbehandlingsutrustning kan följa. Som en grov planeringsreferens blir luftkylning opraktisk någonstans runt 20 kW per rack, medan direkt-till-chip-kylplattor ligger långt över det, i det intervall där täta AI-rack nu sitter. Den exakta punkten beror på hårdvaran, luftflödet som rummet kan leverera och inloppstemperaturen.

Luftkylning träffar en fysisk vägg innan en kostnadsvägg. Fläktar är beroende av temperaturskillnad och luftflödesvolym. När densiteten ökar blir det nödvändiga luftflödet opraktiskt, och delar av rummet glider över det rekommenderade intervallet till heta punkter (heatspots). Heta punkter stryper prestandan och ökar tillförlitlighetsrisken. Det är den operativa anledningen till att densiteten tvingar fram en kylförändring.

Energi och utsläpp är den andra anledningen att flytta värme med vätska. Kylning står för en stor del av ett datacenters elförbrukning, så ett ineffektivt värmesystem ökar både elräkningen och koldioxidavtrycket. Vätska vid källan kan minska förbrukningen, men besparingarna beror på bassystemet, klimatet och arbetsbelastningen. Betrakta alla effektivitetssiffror som ett intervall för att verifiera, inte ett fast tal.

Utmaningar för vätskekylningstekniken med kallplatta

Kylning med kall platta löser värmeproblemet men tillför fyra utmaningar som avgör om en implementering fungerar. Var och en är en teknisk avvägning med en variabel som en operatör kan kontrollera.

Integrering med befintliga rum. Att eftermontera vätska i en luftkyld hall är den svåra delen, eftersom konvertering av ett rack i taget innebär att två kylsystem körs samtidigt och fördubblar anläggningspersonalens driftsbörda. Där rack delar en CDU och ett grenrör är den fungerande konverteringsenheten en sammanhängande rad eller pod, så att loop-, underhålls- och läckagegränserna hålls ihop.

Ombyggnadskostnad. Kostnaden som stoppar projekten är ombyggnaden, inte kylplattorna. Kapital går till kylaggregat, grenrör, rörledningar och omarbetning av rummet. Återbetalningen beror på hur hårt utrymmet belastas och hur länge det pågår, så uppskattningen måste göras per plats.

Läckage- och korrosionsförebyggande åtgärder. Läckage och korrosion är de två fellägen som avgör tillförlitligheten i en vätskeslinga, och båda är material- och kemiska problem. Blandmetallslingor, såsom kopparplattor som matar aluminium någon annanstans, inbjuder till galvanisk korrosion. Att matcha kylvätskekemin och inhibitorerna till de våta materialen är grunden för korrosionskontroll, och båda bör verifieras mot leverantörens specifikationer.

Återvinning av spillvärme. Att återvinna den uppsamlade värmen lönar sig bara när temperaturer och uttag överensstämmer. Kylplattslingor kan leverera varmt kylmedel som kan återanvändas, men värdet beror på att slingan körs tillräckligt varm och att den har en närliggande användning, till exempel en byggnadsvärmekrets. Det gör värmeåtervinning till en fråga för anläggningsplanering lika mycket som en fråga för kylning.

Kylplatta, nedsänkning och luftkylning: Matcha metoden till värmebelastningen

Rätt metod följer värmebelastningen och hur mycket rummet kan förändras, inte en enda bästa teknik. Kylplattor, nedsänkt värme och luft hanterar var och en olika delar av värmekedjan, så valet handlar om passform.

Metod	Bästa passform	Huvudsaklig avvägning
Luftkylning	Rack med lägre densitet; kringkomponenter	Förlorar kapacitet när racktätheten ökar
Kall platta (direkt-till-chip)	CPU/GPU-rack med hög densitet; anpassar sig till befintliga rum	Kyler chipet, inte hela racket; lite luft finns kvar
Nedsänkning	Mycket högt värmeflöde	Sänker ner hårdvara i dielektrisk vätska; större driftsförändring

Inom kalla plattor är uppdelningen enfas mot tvåfas. Enfas håller kylvätskan flytande hela vägen till CDU:n, vilket gör slingan enklare att underhålla. Tvåfas låter kylvätskan koka vid plattan för att absorbera mycket högt värmeflöde, vilket höjer taket men ökar slingans komplexitet. En enfasslinga täcker vanliga CPU- och GPU-densiteter; tvåfas används när processorernas värmeflöde överstiger vad enfas kan hålla.

Innovativa lösningar för kylning av kylplattor

Lösningarna för dessa utmaningar finns på två ställen: hur systemet är utformat och hur det körs. Båda syftar till att göra en flytande distribution utbyggbar och underhållbar.

Modulär, skalbar arkitektur löser integrationsproblemet. En loop som är byggd för att expandera rad för rad låter ett rum växa till vätska utan en enda störande översyn, och den förblir användbar när processorgenerationer byts ut. Att dimensionera plattan, kanalen och flödesvägen till den faktiska värmebelastningen är där... kallplåtsdesign avgör resultatet, eftersom en överdimensionerad eller underdimensionerad slinga senare visar sig som bortkastad pumpenergi eller heta spån.

Övervakning och prediktivt underhåll löser tillförlitlighetsproblemet. Sensorer för flöde, temperatur och tryck låter operatörer upptäcka en läcka eller en förorenad kanal innan det leder till driftstopp. Att koppla den informationen till underhållsplanering minskar den manuella bevakning som en vätskeslinga behöver. Övervakningsplanen bör ange vilken variabel som utlöser en varning och vid vilken tröskel, så att responsen definieras före ett fel.

Bästa praxis för implementering av kylning med kallplatta

En utrullning av kylplåten beslutas före installation, vid bedömning och pilotprojekt. Stegen nedan i förväg lägger till de alternativ som är dyra att återställa när rörledningarna väl är i rummet.

• Bedöm belastning och utrymme först. Anpassa systemet till nuvarande och framtida rackdensitet, inte dagens genomsnitt, så att loopen klarar en hårdvaruuppdatering.
• Pilottest före skalning. Bevisa konstruktionen på en kontrollerad rad och mät verkligt flöde, temperatur och tryck innan hallen tas i bruk.
• Designa för expansion. Föredra modulära layouter så att framtida rader eller rack med högre densitet kan fästas utan att kärnöglan behöver omarbetas.
• Specificera kvaliteten på komponenter som kommer i kontakt med vätska. Matcha pumpar, rör, plattor och kylvätska med samma material- och kemiska logik, eftersom läckor och korrosion börjar vid den svagaste vätskan.
• Planera underhåll och utbildning. Sätt upp ett schema för läckage-, korrosions- och flödeskontroller och se till att personalen kan använda slingan.

Innan hallen tas i bruk, bekräfta en kort uppsättning variabler mot design- och leverantörsdata istället för en generisk checklista. Registrera varje variabler som ett designvärde och ett uppmätt värde så att avståndet syns:

• Kylvätsketemperatur för fram- och returledning, mot CDU och plattdesignfönster
• Flödeshastighet och tryckfall per platta, mot designpunkten
• Chiptemperaturmarginal under toppbelastning
• Läckagedetekteringstäckning och responsstatus
• Material- och kylvätskekompatibilitet i alla våta delar
• Värmebalans från CDU till anläggningsslingan

Varje gräns i den listan kommer från data från hårdvara, kylplatta, CDU och kylvätskeleverantör. Ramverket är vad som ska fyllas i, inte en uppsättning fasta siffror.

Värmeavledning vid byggnadskanten är lätt att underskatta. CDU:n måste överföra sin last till en anläggningsslinga, och hur den värmen lämnar platsen, genom kylaggregat för datacenter eller en återanvändningskrets, ställer in kylvätsketemperaturerna som racksidan måste leva med.

Slutsats

Vätskekylning av kalla plattor förtjänar sin plats när rackdensiteten växer för mycket luft, och beslutet beror på passform och genomströmning. Värdet ligger i förhållandet mellan chip och kylvätska. Plattmaterial och flödesbalans avgör hur mycket värme du kan dra, medan integration, kylvätskekemi och värmeavledning avgör om driftsättningen förblir tillförlitlig och värd att eftermontera. Poängen som oftast missförstås är att kalla plattor ersätter luftkylning helt och hållet, när de i praktiken tar den koncentrerade processorbelastningen och lämnar resten av racket i luft.

För en operatör som överväger flytten kommer tre saker först: önskad rackdensitet, om rummet kan konvertera en rad i taget och vart den insamlade värmen ska gå. Att dimensionera kylplattans design efter den värmebelastningen, inte efter ett övergripande effektivitetstal, är det som håller en loop igång när processorer byts ut.

VANLIGA FRÅGOR

Vidare läsning

• LBNL expertiscenter för datacenterenergi — Det amerikanska energidepartementets nationella laboratorieprogram som omfattar kraft- och kylteknik för datacenter. En leverantörsneutral hubb för bakgrundsinformation om energi och kylning för datacenter; se den för information, inte för platsspecifik dimensionering.
• Direkt-till-chip-kylning: Allt datacenteroperatörer bör veta — Data Center Knowledge, en branschpublikation. En lättförståelig översikt för operatörer över hur direkt-till-chip-kylning fungerar och var dess avvägningar finns; bakgrundsläsning, inte en teknisk specifikation.
• De bästa strategierna för vätskekylning i datacenter — ENCOR Advisors, ett rådgivningsföretag för datacenter. Omfattar strategier för implementering och implementering av vätskekylning; behandla alla siffror som anges som vägledande och verifiera dem mot era egna data.

Relaterade artiklar

• Betydelsen av innovativ vätskekylningsteknik för att öka räckvidden för elbilar — Hur vätskekylning hanterar batteritemperaturen för att skydda räckvidden för elbilar.
• Integration och optimering av intelligenta kylsystem — Hur man integrerar och finjusterar intelligenta kylsystem i en termisk design.
• Grundprincipen för vätskekylplatta — Funktionsprincipen bakom en vätskekylplatta och hur den flyttar värme från källan.
• Revolutionerande effektivitet i datacenter med vätskekylning från Trumonytechs — Hur vätskekylning ökar energieffektiviteten i datacenter.
• IGBT-kylning med vätsketeknik: Förbättrad elektronisk effektivitet — Användning av vätskekylning för att hantera värme i IGBT-kraftelektronik.