Selectie van de plaatstructuur voor vloeistofkoeling in datacenters

Naarmate AI-computing, clouddiensten, hoog-performance computing en grootschalige dataverwerking blijven groeien, worden datacenters geconfronteerd met veel hogere thermische belastingen dan voorheen. Moderne CPU's, GPU's, AI-acceleratoren en servermodules met een hoge dichtheid genereren geconcentreerde warmte die traditionele luchtkoelsystemen niet langer efficiënt kunnen afvoeren.

Om deze reden is vloeistofkoeling in datacenters een belangrijke oplossing geworden voor thermisch beheer van de volgende generatie. Van de verschillende vloeistofkoelingstechnologieën speelt de vloeistofkoelplaat, ook wel bekend als vloeistofkoelplaat of waterkoelplaat, een cruciale rol bij het overbrengen van warmte van krachtige chips naar het koelcircuit.

Het kiezen van de juiste vloeistofkoelplaatstructuur is echter niet alleen een kwestie van kiezen tussen koper of aluminium. Ingenieurs moeten een balans vinden tussen thermische prestaties, drukverlies, debiet, productiekosten, materiaalcompatibiliteit, betrouwbaarheid en koelefficiëntie op rackniveau.

Voor datacenters die gebruikmaken van krachtige CPU's, GPU's en AI-chips, kan het juiste ontwerp van de koelplaat direct van invloed zijn op de chiptemperatuur, de systeemstabiliteit, het pompvermogen, de energie-efficiëntie en de operationele kosten op lange termijn.

Waarom vloeistofkoelplaten onmisbaar worden in datacenters

Traditionele luchtkoeling maakt gebruik van ventilatoren en koelplaten om warmte van servers af te voeren. Deze methode werkt voor matige warmtebelastingen, maar naarmate het processorvermogen blijft toenemen, loopt luchtkoeling tegen verschillende beperkingen aan:

• hoger stroomverbruik van de ventilator

• beperkte warmteafvoercapaciteit

• groter temperatuurverschil tussen de inlaat en uitlaat van de server

• hotspots rondom CPU's, GPU's en AI-acceleratoren

• moeilijkheid bij het koelen van compacte rackconfiguraties

• meer lawaai en een lagere energie-efficiëntie

• beperkte schaalbaarheid voor AI- en HPC-clusters

Een vloeistofkoelplaat voor datacenters lost deze problemen op door een koelkanaal dicht bij de warmtebron te plaatsen. De warmte wordt van de chip naar de basis van de koelplaat overgebracht en vervolgens afgevoerd door de circulerende koelvloeistof.

In vergelijking met luchtkoeling biedt vloeistofkoeling een veel hogere warmteoverdrachtsefficiëntie, omdat vloeistof een beter warmtegeleidend vermogen heeft dan lucht. Dit maakt vloeistofkoelplaten bijzonder geschikt voor:

• AI-serverkoeling

• GPU-koeling

• CPU-koeling

• HPC-clusterkoeling

• rackkoeling met hoge dichtheid

• koeling van datacenters aan de rand van het netwerk

• cloud computing-infrastructuur

• vermogenselektronica in datacentersystemen

Voor datacenters die streven naar een hogere vermogensdichtheid, is vloeistofkoeling niet langer slechts een geavanceerde optie. Het wordt een noodzakelijke strategie voor thermisch beheer.

belangrijke factoren bij de selectie van de structuur van een vloeistofkoelplaat

De "beste" structuur voor een vloeistofkoelplaat hangt af van de feitelijke bedrijfsomstandigheden. Een koelplaat met de laagste thermische weerstand is niet altijd de beste keuze als deze een te grote drukval veroorzaakt of te duur is om te produceren.

Voordat ingenieurs een vloeistofkoelplaat op maat selecteren, moeten ze de volgende factoren evalueren.

1. Thermische belasting en warmteflux

De eerste stap is het bepalen van de totale warmtebelasting van het component. Deze wordt meestal gemeten in watt. Een krachtige GPU of AI-accelerator kan bijvoorbeeld enkele honderden watt of meer genereren, terwijl meerdere chips op één printplaat een veel hogere gecombineerde warmtebelasting kunnen veroorzaken.

Naast het totale vermogen is ook de warmteflux belangrijk. Warmteflux beschrijft hoeveel warmte er in een specifiek gebied geconcentreerd is. Een chip met een hoge warmteflux vereist een snellere warmteverspreiding en een efficiëntere interne koelplaatstructuur.

Voor krachtige GPU's en AI-chips ligt de doorstroomsnelheid vaak tussen de 1 en 3 liter per minuut per koelplaat, afhankelijk van het vermogen van de chip, het type koelvloeistof, de gewenste drukval en de vereiste thermische weerstand.

2. thermische weerstand

De thermische weerstand is een van de belangrijkste indicatoren voor de prestaties van een koelplaat. Een lagere thermische weerstand betekent dat de koelplaat de warmte efficiënter van de chip naar de koelvloeistof kan overdragen.

De thermische weerstand wordt echter door veel factoren beïnvloed:

• koelplaatmateriaal

• basisdikte

• interne kanaalstructuur

• koelvloeistofdebiet

• vlakheid van het contactoppervlak

• thermisch geleidend materiaal

• chipgrootte en warmteverdeling

• productiekwaliteit

• inlaattemperatuur koelvloeistof

Een hoogwaardige koelplaat met microkanalen kan een zeer lage thermische weerstand bieden, maar kan ook de drukval en de complexiteit van de productie verhogen.

3. drukverlies en pompvermogen

Drukverlies is een andere belangrijke factor bij het ontwerp van vloeistofkoelplaten. Als het interne kanaal te smal of te complex is, kan de koelvloeistof een hoge stromingsweerstand ondervinden. Dit vereist krachtigere pompen en verhoogt het energieverbruik.

Bij een enkele koelplaat lijkt drukverlies wellicht beheersbaar, maar in een volledig datacenterrack met meerdere servers en meerdere koelplaten wordt drukverlies een probleem op systeemniveau.

Een goede vloeistofkoelplaat voor een datacenter moet niet alleen efficiënt warmte afvoeren, maar ook redelijke hydraulische prestaties behouden. Dit helpt het benodigde pompvermogen te verminderen en de algehele efficiëntie van het koelsysteem te verbeteren.

4. stroomverdeling

Voor modules met meerdere chips, grote CPU's, GPU's of acceleratorboards is een gelijkmatige verdeling van de koelvloeistof erg belangrijk. Een slechte verdeling kan ertoe leiden dat sommige gebieden minder koelvloeistof ontvangen, waardoor er plaatselijke hotspots ontstaan.

De interne structuur van de koelplaat moet de koelvloeistof gelijkmatig over het warmtebrongebied verdelen. Dit is vooral belangrijk voor de koeling van AI-chips en GPU's met een hoge warmtedichtheid, waar de warmte geconcentreerd is en de thermische marges beperkt zijn.

5. materiaalselectie

De materiaalkeuze heeft invloed op de thermische prestaties, de kosten, het gewicht, de corrosiebestendigheid en het productieproces.

De twee meest gebruikte materiaalen voor vloeistofkoelplaten zijn aluminium en koper.

Voor datacenters zijn aluminium koelplaten vaak aantrekkelijk vanwege de kosten- en gewichtsvoordelen. Koperen koelplaten hebben de voorkeur wanneer de warmteoverdracht van de chip erg hoog is en thermische prestaties de hoogste prioriteit hebben.

6. productiemethode

Verschillende productiemethoden leiden tot verschillende koelplaatstructuren, kosten en prestatieniveaus.

Veelgebruikte productiemethoden zijn onder andere:

• CNC-bewerking

• solderen

• wrijvingsroerlassen

• vacuüm solderen

• productie van afgeschuinde vinnen

• microkanaalverwerking

• koper-aluminium verbinding

• Stempelen en vormen voor sommige ontwerpen met grote volumes.

Voor een fabrikant van op maat gemaakte vloeistofkoelplaten is het niet alleen cruciaal om een hoogwaardig kanaal te ontwerpen, maar ook om ervoor te zorgen dat de structuur betrouwbaar op grote schaal geproduceerd kan worden.

gangbare vloeistofkoelingsplaatconstructies voor datacenters

Verschillende interne koelplaatstructuren zijn geschikt voor verschillende datacenterworkloads. De belangrijkste typen zijn onder andere koelplaten met afgeschuinde vinnen, microkanaalkoelplaten, topologie-geoptimaliseerde koelplaten en andere geavanceerde, hoogwaardige structuren.

1. Vloeistofkoelplaat met afgeschuinde vinnen

Een koelplaat met afgeschuinde vinnen maakt gebruik van dunne vinnen in het vloeistofkanaal om het warmteoverdrachtsoppervlak te vergroten. De koelvloeistof stroomt door de vinnenstructuur en voert warmte af van de basis.

Dit is een relatief traditionele en veelgebruikte structuur. Het biedt stabiele prestaties en is geschikt voor algemene datacentrumworkloads.

voordelen van afgeschuinde vin-koelplaten

• volwassen productieproces

• goed warmteoverdrachtsoppervlak

• geschikt voor componenten met een gemiddeld tot hoog vermogen

• kosteneffectief in vergelijking met complexere constructies

• gemakkelijker aan te passen voor verschillende maten

beperkingen

• De thermische weerstand kan hoger zijn dan bij geavanceerde microkanaalontwerpen.

• De drukval is sterk afhankelijk van de vindichtheid en het stroompad.

• Niet altijd de beste optie voor AI-chips met een extreem hoge warmteflux.

Vloeistofkoelplaten met afgeschuinde vinnen zijn geschikt voor algemene serverkoeling, CPU-koeling en datacentertoepassingen waar kosten, betrouwbaarheid en produceerbaarheid belangrijk zijn.

2. Microkanaal vloeistofkoelplaat

Een koelplaat met microkanalen maakt gebruik van zeer kleine interne kanaaltjes om het contactoppervlak met de koelvloeistof te vergroten en de warmteoverdracht te verbeteren. Deze structuur werkt als een zeer efficiënte vloeistofgekoelde warmteafvoer in de koelplaat.

Microkanaalontwerpen zijn met name nuttig voor warmtebronnen met een hoge dichtheid, zoals GPU's, AI-acceleratoren en HPC-processoren.

voordelen van microkanaal-koelplaten

• zeer lage thermische weerstand

• hoge warmteoverdrachtsefficiëntie

• sterke prestaties voor geconcentreerde warmtebronnen

• Geschikt voor koeling van AI-chips en GPU's.

• compacte structuur voor toepassingen met een hoge vermogensdichtheid

beperkingen

• hogere drukval dan bij eenvoudige kanaalontwerpen

• gevoeliger voor de reinheid van de koelvloeistof

• moeilijker te produceren

• hogere kosten in vergelijking met standaard koelplaten

• vereist een zorgvuldig ontwerp van de stroomverdeling.

Voor moderne AI-datacenters worden vloeistofkoelplaten met microkanalen steeds belangrijker, omdat het stroomverbruik en de warmtestroom van chips snel toenemen.

3. Topologie-geoptimaliseerde koelplaat

Een topologie-geoptimaliseerde koelplaat maakt gebruik van geavanceerde ontwerpmethoden om de interne stromingspaden te optimaliseren. Het doel is om de drukval te verminderen en tegelijkertijd goede thermische prestaties te behouden.

Bij sommige ontwerpen kan topologieoptimalisatie de drukval met meer dan 20% verminderen. Dit kan waardevol zijn in systemen waar pompvermogen een belangrijke beperkende factor is.

voordelen

• lagere drukval

• betere hydraulische efficiëntie

• kan worden geoptimaliseerd voor specifieke chipontwerpen

• nuttig voor energie-efficiëntie op rackniveau

beperkingen

• complexer ontwerpproces

• hogere productiekosten

• Een prestatieverbetering rechtvaardigt niet altijd de kosten.

• Vereist simulatie en validatie.

Topologie-geoptimaliseerde structuren zijn geschikt voor datacenters waar het koelcircuit veel koelplaten moet verwerken en pompvermogen een belangrijke factor is.

4. Geavanceerde, krachtige koelplaatstructuren

Voor chips of modules met een extreem hoog vermogen kunnen geavanceerde structuren nodig zijn. Deze structuren zijn ontworpen om zeer hoge TDP's (totale vermogensdichtheid per seconde) te verwerken, soms meer dan enkele duizenden watt op systeemniveau.

Dergelijke ontwerpen kunnen de volgende elementen combineren:

• microkanalen

• verdeelstuk stroomverdeling

• geoptimaliseerde inlaat- en uitlaatindeling

• meerlaagse kanaalstructuren

• koperen basissen met hoge geleidbaarheid

• interne geometrie met lage drukval

• aangepaste afdichtings- en lasprocessen

Deze koelplaten worden doorgaans gebruikt in AI-clusters, HPC-systemen, krachtige acceleratormodules en compacte koeloplossingen op rackniveau.

Prestatievergelijking van vloeistofkoelingsplaatconstructies

De volgende tabel geeft een overzicht van de typische prestatiekarakteristieken van verschillende vloeistofkoelplaatconstructies.

De juiste keuze hangt af van de vraag of de klant waarde hecht aan de laagste chiptemperatuur, de laagste drukval, de laagste kosten, de eenvoudigste productie of de beste algehele systeemefficiëntie.

Thermische weerstand versus drukval: de cruciale afweging.

Bij het ontwerp van vloeistofkoelplaten zijn thermische weerstand en drukval vaak met elkaar verbonden.

Een dichtere vinstructuur of kleinere microkanalen kunnen de thermische weerstand verlagen doordat het warmteoverdrachtsoppervlak wordt vergroot. Dit kan echter ook de stromingsweerstand verhogen, waardoor een grotere drukval ontstaat.

Aan de andere kant kan een breder kanaal de drukval verminderen, maar het biedt mogelijk niet voldoende warmteoverdrachtscapaciteit voor chips met een hoog vermogen.

Dit leidt tot een veelvoorkomende afweging in de techniek:

Voor datacentertoepassingen is het doel niet om de krachtigste koelplaat op zichzelf te ontwerpen, maar om de beste koelplaat te ontwerpen voor het gehele koelcircuit, inclusief pompen, verdeelstukken, snelkoppelingen, koelvloeistofverdeeleenheden en de thermische eisen op rackniveau.

Hoe selecteer je de juiste koelplaatstructuur voor verschillende datacenterapplicaties?

Verschillende datacentrumworkloads vereisen verschillende koelplaatstructuren.

algemene datacentrumservers

Voor standaard CPU-servers en servers met een gemiddelde warmtebelasting bieden koelplaten met aluminium of koperen lamellen een goede balans tussen prestaties, kosten en betrouwbaarheid.

aanbevolen structuur:

• koelplaat van aluminium of koper

• eenvoudige kanaal- of afgeschuinde vinconstructie

• matige stroomsnelheid

• lage tot gemiddelde drukval

• kosteneffectieve productiemethode

AI-trainingsservers

AI-trainingsservers maken doorgaans gebruik van krachtige GPU's en accelerators. Deze chips genereren een hoge warmteafgifte en vereisen vaak geavanceerdere koelsystemen.

aanbevolen structuur:

• koperen basis koelplaat

• microkanaalstructuur

• geoptimaliseerde stroomverdeling

• hogere doorstroomcapaciteit

• ontwerp met lage thermische weerstand

HPC-clusters

HPC-systemen vereisen vaak een stabiele werking op lange termijn en een hoog koelrendement. Zowel de thermische weerstand als het drukverlies moeten zorgvuldig worden gecontroleerd.

aanbevolen structuur:

• koperen of koper-aluminium koelplaat

• microkanaal- of verdeelstukstroomontwerp

• lage drukvaloptimalisatie

• betrouwbare afdichting en lasverbinding

• validatie op systeemniveau

edge-datacenters

Edge-datacenters hebben mogelijk beperkte ruimte en worden wellicht in minder gecontroleerde omgevingen ingezet. Betrouwbaarheid en een compacte structuur zijn daarom van groot belang.

aanbevolen structuur:

• Aluminium koelplaat voor een lichtgewicht ontwerp.

• compacte kanaalstructuur

• corrosiebestendige oppervlaktebehandeling

• betrouwbare lektesten

• eenvoudige installatie en onderhoud

Ontwerpchecklist voor vloeistofkoelplaten in datacenters

Voordat ingenieurs een vloeistofkoelplaat op maat ontwikkelen, moeten ze in een vroeg stadium van het ontwerp de belangrijkste parameters vaststellen.

Deze checklist helpt ontwerpfouten te verminderen en zorgt ervoor dat de klant en de fabrikant efficiënter met elkaar kunnen communiceren.

Productieoverwegingen voor koelplaten in datacenters

Een hoogwaardige koelplaat moet niet alleen goed presteren in simulaties, maar ook produceerbaar, betrouwbaar en geschikt zijn voor langdurig gebruik in datacenters.

1. betrouwbaarheid van de afdichting

Datacenters vereisen een extreem hoge betrouwbaarheid. Elk lek in de koelvloeistof kan ernstige schade aan servers en elektrische systemen veroorzaken. Daarom moeten koelplaten strenge lek- en druktesten ondergaan.

2. corrosiebestrijding

Bij gebruik van aluminium koelplaten moet zorgvuldig rekening worden gehouden met de compatibiliteit van het koelmiddel en de corrosiebescherming. Oppervlaktebehandeling en de chemische samenstelling van het koelmiddel zijn belangrijk voor de betrouwbaarheid op lange termijn.

3. vlakheid en oppervlakteafwerking

Het contactoppervlak tussen de chip en de koelplaat moet vlak en glad genoeg zijn om de thermische weerstand van het contactvlak te verminderen. Een slecht contactoppervlak kan leiden tot ongelijkmatige contactdruk en hotspots.

4. Interne reinheid

Voor koelplaten met microkanalen is interne reinheid van groot belang. Kleine deeltjes kunnen de microkanalen verstoppen en de koelprestaties beïnvloeden. Een goede reiniging en inspectie zijn daarom tijdens de productie noodzakelijk.

5. schaalbare productie

Datacenterprojecten vereisen vaak batchproductie. Het ontwerp van een koelplaat moet niet alleen geoptimaliseerd zijn voor prestaties, maar ook voor herhaalbare productie, kwaliteitscontrole en kostenstabiliteit.

Hoe Kingka projecten voor vloeistofkoelingsplaten in datacenters ondersteunt

Kingka levert op maat gemaakte vloeistofkoelplaten, waterkoelplaten, FSW-vloeistofkoelplaten, CNC-gefreesde koelplaten, aluminium koelplaten, koperen koelplaten en complete oplossingen voor thermisch beheer voor krachtige elektronica en datacenters.

Voor koelprojecten in datacenters kan Kingka ondersteuning bieden:

• constructief ontwerp van de koelplaat

• materiaalselectie

• interne kanaaloptimalisatie

• ontwikkeling van een koelplaat met microkanalen

• fabricage van afgeschuinde vinnen op koudplaten

• CNC-bewerking

• wrijvingsroerlassen

• hardsolderen en zachtsolderen

• oppervlaktebehandeling

• lektest

• drukval evaluatie

• Ontwerp op maat, gebaseerd op tekeningen van de klant.

De technische ondersteuning van Kingka richt zich op praktische prestaties, produceerbaarheid, kostenbeheersing en betrouwbaarheid op lange termijn. In plaats van simpelweg één koelplaatstructuur te kiezen, helpen we klanten het complete thermische systeem te evalueren en de meest geschikte oplossing voor hun toepassing te selecteren.

Samenvatting van de selectie van de structuur van de koelplaat

Bij de keuze van de juiste structuur voor vloeistofkoelingsplaten in een datacenter is het belangrijk om een balans te vinden tussen thermische prestaties, drukverlies, productiekosten, materiaalkeuze en betrouwbaarheid op systeemniveau.

Voor algemene datacenterservers kunnen koelplaten met afgeschuinde vinnen of eenvoudige kanalen een praktische en kosteneffectieve oplossing bieden. Voor AI-chips met een hoge dichtheid, GPU's en HPC-processoren zijn mogelijk koelplaten met microkanalen of geavanceerde verdeelstukken nodig om een lagere thermische weerstand te bereiken. Voor systemen waarbij pompvermogen de belangrijkste factor is, kunnen topologie-geoptimaliseerde koelplaten helpen de drukval te verminderen en de hydraulische efficiëntie te verbeteren.

De beste vloeistofkoelplaat is niet altijd de meest complexe. Het gaat erom dat de structuur aansluit op de werkelijke warmtebelasting, debiet, drukvallimiet, materiaaleisen, productiebudget en de koelarchitectuur op rackniveau.

Kingka levert op maat gemaakte vloeistofkoelplaten, koelplaten met vloeistofkoeling, waterkoelplaten, koelribben en complete oplossingen voor thermisch beheer voor datacenters, AI-servers, HPC-systemen en krachtige elektronica. Door materiaalkennis, structureel ontwerp, precisieproductie en betrouwbaarheidstesten te combineren, helpt Kingka klanten bij het bouwen van efficiënte, stabiele en schaalbare koeloplossingen voor de volgende generatie datacenters.