Pemilihan Struktur Pelat Pendingin Cair Pusat Data

Seiring dengan terus berkembangnya komputasi AI, layanan cloud, komputasi berkinerja tinggi, dan pemrosesan data skala besar, pusat data menghadapi beban termal yang jauh lebih tinggi daripada sebelumnya. CPU, GPU, akselerator AI, dan modul server berdensitas tinggi modern menghasilkan panas terkonsentrasi yang tidak dapat lagi ditangani secara efisien oleh sistem pendingin udara tradisional.

Oleh karena itu, pendinginan cairan pusat data telah menjadi solusi penting untuk manajemen termal generasi berikutnya. Di antara berbagai teknologi pendinginan cairan, pelat pendingin cairan, yang juga dikenal sebagai pelat dingin cair atau pelat pendingin air, memainkan peran penting dalam mentransfer panas dari chip berdaya tinggi ke loop pendingin.

Namun, memilih struktur pelat pendingin cair yang tepat bukanlah sekadar memilih tembaga atau aluminium. Para insinyur harus menyeimbangkan kinerja termal, penurunan tekanan, laju aliran, biaya produksi, kompatibilitas bahan, keandalan, dan efisiensi pendinginan tingkat rak.

Untuk pusat data yang menggunakan CPU, GPU, dan chip AI berdaya tinggi, desain pelat pendingin yang tepat dapat secara langsung memengaruhi suhu chip, stabilitas sistem, daya pemompaan, efisiensi energi, dan biaya operasional jangka panjang.

Mengapa pelat pendingin cair menjadi penting di pusat data?

Pendinginan udara tradisional mengandalkan kipas dan heat sink untuk menghilangkan panas dari server. Metode ini efektif untuk beban panas moderat, tetapi seiring dengan terus meningkatnya daya chip, pendinginan udara menghadapi beberapa keterbatasan:

• konsumsi daya kipas yang lebih tinggi

• kapasitas pembuangan panas terbatas

• perbedaan suhu masuk dan keluar server yang lebih tinggi

• titik-titik panas di sekitar CPU, GPU, dan akselerator AI

• kesulitan mendinginkan konfigurasi rak yang padat

• kebisingan lebih tinggi dan efisiensi energi lebih rendah

• Skalabilitas terbatas untuk klaster AI dan HPC

Pelat pendingin cair pusat data memecahkan masalah ini dengan menempatkan saluran pendingin di dekat sumber panas. Panas dipindahkan dari chip ke dasar pelat dingin, kemudian dihilangkan dengan sirkulasi cairan pendingin.

Dibandingkan dengan pendinginan udara, pendinginan cairan memberikan efisiensi perpindahan panas yang jauh lebih tinggi karena cairan memiliki kapasitas penghantar panas yang lebih baik daripada udara. Hal ini membuat pelat pendingin cairan sangat cocok untuk:

• pendinginan server AI

• pendinginan GPU

• pendingin CPU

• Pendinginan kluster HPC

• pendinginan rak kepadatan tinggi

• Pendinginan pusat data tepi

• infrastruktur komputasi awan

• elektronika daya di dalam sistem pusat data

Untuk pusat data yang bergerak menuju kepadatan daya yang lebih tinggi, pendinginan cair bukan lagi sekadar pilihan canggih, melainkan menjadi strategi manajemen termal yang diperlukan.

faktor-faktor kunci dalam pemilihan struktur pelat pendingin cair

Struktur pelat pendingin cair yang "terbaik" bergantung pada kondisi operasi aktual. Pelat dingin dengan resistansi termal terendah tidak selalu merupakan pilihan terbaik jika menghasilkan penurunan tekanan yang terlalu besar atau terlalu mahal untuk diproduksi.

Sebelum memilih pelat pendingin cair khusus, para insinyur harus mengevaluasi faktor-faktor berikut.

1. Beban termal dan fluks panas

Langkah pertama adalah menentukan total beban panas komponen. Ini biasanya diukur dalam watt. Misalnya, GPU atau akselerator AI berdaya tinggi dapat menghasilkan beberapa ratus watt atau lebih, sementara beberapa chip pada satu papan dapat menciptakan beban panas gabungan yang jauh lebih tinggi.

Selain daya total, fluks panas juga penting. Fluks panas menggambarkan seberapa banyak panas yang terkonsentrasi di area tertentu. Chip dengan fluks panas tinggi membutuhkan penyebaran panas yang lebih cepat dan struktur pelat pendingin internal yang lebih efisien.

Untuk GPU dan chip AI berdaya tinggi, laju aliran seringkali berada dalam kisaran 1–3 lpm per pelat pendingin, tergantung pada daya chip, jenis pendingin, target penurunan tekanan, dan persyaratan resistansi termal.

2. hambatan termal

Resistansi termal adalah salah satu indikator terpenting dari kinerja pelat pendingin. Resistansi termal yang lebih rendah berarti pelat pendingin dapat mentransfer panas lebih efisien dari chip ke cairan pendingin.

Namun, hambatan termal dipengaruhi oleh banyak faktor:

• bahan pelat dingin

• ketebalan dasar

• struktur saluran internal

• laju aliran pendingin

• kerataan permukaan kontak

• bahan antarmuka termal

• ukuran chip dan distribusi panas

• kualitas manufaktur

• suhu masuk cairan pendingin

Pelat pendingin mikrokanal berkinerja tinggi dapat memberikan resistansi termal yang sangat rendah, tetapi juga dapat meningkatkan penurunan tekanan dan kompleksitas manufaktur.

3. penurunan tekanan dan daya pompa

Penurunan tekanan adalah faktor kunci lain dalam desain pelat pendingin cairan. Jika saluran internal terlalu sempit atau terlalu kompleks, cairan pendingin dapat mengalami hambatan aliran yang tinggi. Hal ini membutuhkan pompa yang lebih kuat dan meningkatkan konsumsi energi.

Pada satu pelat pendingin, penurunan tekanan mungkin tampak dapat dikelola. Namun, pada rak pusat data lengkap dengan banyak server dan banyak pelat pendingin, penurunan tekanan menjadi masalah tingkat sistem.

Pelat pendingin cair pusat data yang baik tidak hanya harus menghilangkan panas secara efisien tetapi juga mempertahankan kinerja hidrolik yang wajar. Hal ini membantu mengurangi daya pemompaan dan meningkatkan efisiensi sistem pendinginan secara keseluruhan.

4. distribusi aliran

Untuk modul multi-chip, CPU besar, GPU, atau papan akselerator, distribusi cairan pendingin yang seragam sangat penting. Distribusi aliran yang buruk dapat menyebabkan beberapa area menerima lebih sedikit cairan pendingin, sehingga menciptakan titik panas lokal.

Struktur internal pelat pendingin harus mengarahkan cairan pendingin secara merata di seluruh area sumber panas. Hal ini sangat penting untuk pendinginan chip AI dan pendinginan GPU berdensitas tinggi, di mana panas terkonsentrasi dan margin termal sempit.

5. pemilihan bahan

Pemilihan bahan memengaruhi kinerja termal, biaya, berat, ketahanan korosi, dan proses manufaktur.

Dua bahan yang paling umum digunakan untuk pelat pendingin cair adalah aluminium dan tembaga.

Untuk pusat data, pelat pendingin aluminium seringkali menarik karena keunggulan biaya dan berat. Pelat pendingin tembaga lebih disukai ketika fluks panas chip sangat tinggi dan kinerja termal menjadi prioritas utama.

6. metode pembuatan

Metode manufaktur yang berbeda menghasilkan struktur pelat pendingin, biaya, dan tingkat kinerja yang berbeda.

Metode manufaktur umum meliputi:

• permesinan CNC

• pengelasan

• pengelasan gesekan aduk

• pengelasan vakum

• manufaktur sirip yang dikikis

• pemrosesan mikrokanal

• ikatan tembaga-aluminium

• pencetakan dan pembentukan untuk beberapa desain bervolume besar.

Bagi produsen pelat pendingin cair kustom, kuncinya bukan hanya mendesain saluran berkinerja tinggi, tetapi juga memastikan bahwa struktur tersebut dapat diproduksi secara andal dalam skala besar.

Struktur pelat pendingin cair umum untuk pusat data

Berbagai struktur pelat pendingin internal cocok untuk berbagai beban kerja pusat data. Jenis utamanya meliputi pelat pendingin sirip terpotong (pelat dingin sirip terkelupass), pelat pendingin mikrokanal (pelat dingin mikrokanals), pelat pendingin yang dioptimalkan secara topologi (pelat dingin yang dioptimalkan secara topologis), dan struktur berkinerja tinggi canggih lainnya.

1. pelat pendingin cair sirip terkelupas

Pelat pendingin bersirip tipis menggunakan sirip tipis di dalam saluran cairan untuk meningkatkan area perpindahan panas. Cairan pendingin mengalir melalui struktur sirip dan menghilangkan panas dari alas.

Ini adalah struktur yang relatif tradisional dan banyak digunakan. Struktur ini menawarkan kinerja yang stabil dan cocok untuk beban kerja pusat data umum.

keunggulan pelat dingin sirip skived

• proses manufaktur yang matang

• area perpindahan panas yang baik

• cocok untuk komponen daya menengah hingga tinggi

• lebih hemat biaya dibandingkan dengan struktur yang lebih kompleks.

• lebih mudah disesuaikan untuk berbagai ukuran

keterbatasan

• Hambatan termal mungkin lebih tinggi daripada desain mikrokanal canggih.

• Penurunan tekanan sangat bergantung pada kepadatan sirip dan jalur aliran.

• Bukan selalu pilihan terbaik untuk chip AI dengan fluks panas yang sangat tinggi.

Pelat pendingin cair bersirip skived cocok untuk pendinginan server umum, pendinginan CPU, dan aplikasi pusat data di mana biaya, keandalan, dan kemudahan manufaktur menjadi hal penting.

2. pelat pendingin cairan mikrokanal

Pelat pendingin mikrokanal menggunakan saluran internal yang sangat kecil untuk meningkatkan area kontak pendingin dan meningkatkan kinerja perpindahan panas. Struktur ini berfungsi seperti pendingin cair yang sangat efisien di dalam pelat pendingin.

Desain mikrokanal sangat berguna untuk sumber panas berdensitas tinggi seperti GPU, akselerator AI, dan prosesor HPC.

Keunggulan pelat pendingin mikrokanal

• resistansi termal sangat rendah

• efisiensi perpindahan panas yang tinggi

• kinerja yang kuat untuk sumber panas terkonsentrasi

• cocok untuk pendinginan chip AI dan pendinginan GPU

• struktur kompak untuk aplikasi kepadatan daya tinggi

keterbatasan

• penurunan tekanan lebih tinggi daripada desain saluran sederhana

• lebih sensitif terhadap kebersihan cairan pendingin

• lebih sulit untuk diproduksi

• biaya lebih tinggi dibandingkan dengan pelat pendingin standar

• memerlukan desain distribusi aliran yang cermat.

Untuk pusat data AI modern, pelat pendingin cair mikrokanal menjadi semakin penting karena daya chip dan fluks panas meningkat dengan cepat.

3. Pelat pendingin yang dioptimalkan secara topologi

Pelat pendingin yang dioptimalkan secara topologi menggunakan metode desain canggih untuk mengoptimalkan jalur aliran internal. Tujuannya adalah untuk mengurangi penurunan tekanan sambil mempertahankan kinerja termal yang baik.

Dalam beberapa desain, optimasi topologi dapat mengurangi penurunan tekanan lebih dari 20%. Hal ini dapat sangat bermanfaat dalam sistem di mana daya pompa merupakan kendala utama.

keuntungan

• penurunan tekanan yang lebih rendah

• efisiensi hidrolik yang lebih baik

• dapat dioptimalkan untuk tata letak chip tertentu

• berguna untuk efisiensi energi tingkat rak

keterbatasan

• proses desain yang lebih kompleks

• biaya produksi yang lebih tinggi

• Peningkatan kinerja mungkin tidak selalu sebanding dengan biaya.

• memerlukan simulasi dan validasi

Struktur yang dioptimalkan secara topologi cocok untuk pusat data di mana loop pendinginan harus menangani banyak pelat dingin dan daya pemompaan merupakan perhatian utama.

4. Struktur pelat pendingin daya tinggi canggih

Untuk chip atau modul dengan daya sangat tinggi, mungkin diperlukan struktur canggih. Struktur ini dirancang untuk menangani TDPS (Total Discharge Per Second) yang sangat tinggi, terkadang di atas beberapa ribu watt pada tingkat sistem.

Desain tersebut dapat menggabungkan:

• saluran mikro

• distribusi aliran manifold

• tata letak saluran masuk dan keluar yang dioptimalkan

• struktur saluran multi-lapisan

• alas tembaga konduktivitas tinggi

• geometri internal penurunan tekanan rendah

• proses penyegelan dan pengelasan khusus

Pelat pendingin ini biasanya digunakan dalam klaster AI, sistem HPC, modul akselerator daya tinggi, dan solusi pendinginan tingkat rak yang padat.

perbandingan kinerja struktur pelat pendingin cair

Tabel berikut merangkum karakteristik kinerja tipikal dari berbagai struktur pelat pendingin cair.

Pilihan yang tepat bergantung pada apakah pelanggan menghargai suhu chip terendah, penurunan tekanan terendah, biaya terendah, kemudahan manufaktur, atau efisiensi sistem total terbaik.

Hambatan termal vs. penurunan tekanan: pertimbangan utama

Dalam desain pelat pendingin cairan, hambatan termal dan penurunan tekanan seringkali saling terkait.

Struktur sirip yang lebih rapat atau mikrokanal yang lebih kecil dapat mengurangi hambatan termal karena meningkatkan luas area perpindahan panas. Namun, hal ini juga dapat meningkatkan hambatan aliran, sehingga menciptakan penurunan tekanan yang lebih tinggi.

Di sisi lain, saluran yang lebih lebar dapat mengurangi penurunan tekanan, tetapi mungkin tidak memberikan kinerja transfer panas yang cukup untuk chip berdaya tinggi.

Hal ini menciptakan kompromi rekayasa yang umum:

Untuk aplikasi pusat data, tujuannya bukanlah untuk merancang pelat pendingin terkuat secara terpisah. Tujuannya adalah untuk merancang pelat pendingin terbaik untuk seluruh siklus pendinginan, termasuk pompa, manifold, konektor cepat, unit distribusi pendingin, dan persyaratan termal tingkat rak.

Cara memilih struktur pelat pendingin yang tepat untuk berbagai aplikasi pusat data.

Beban kerja pusat data yang berbeda memerlukan struktur pelat pendingin yang berbeda pula.

server pusat data umum

Untuk server CPU standar dan beban panas sedang, pelat pendingin bersirip aluminium atau tembaga dapat memberikan keseimbangan yang baik antara kinerja, biaya, dan keandalan.

Struktur yang direkomendasikan:

• pelat dingin aluminium atau tembaga

• struktur saluran sederhana atau sirip yang dikikis

• laju aliran sedang

• penurunan tekanan rendah hingga menengah

• metode manufaktur yang hemat biaya

server pelatihan AI

Server pelatihan AI biasanya menggunakan GPU dan akselerator berdaya tinggi. Chip ini menghasilkan fluks panas yang tinggi dan seringkali membutuhkan struktur pendinginan yang lebih canggih.

Struktur yang direkomendasikan:

• pelat pendingin berbahan dasar tembaga

• struktur mikrokanal

• distribusi aliran yang dioptimalkan

• kemampuan laju aliran yang lebih tinggi

• desain resistansi termal rendah

klaster HPC

Sistem HPC seringkali membutuhkan pengoperasian jangka panjang yang stabil dan efisiensi pendinginan yang tinggi. Baik hambatan termal maupun penurunan tekanan harus dikontrol dengan cermat.

Struktur yang direkomendasikan:

• pelat dingin tembaga atau tembaga-aluminium

• desain aliran mikrokanal atau manifold

• optimasi penurunan tekanan rendah

• penyegelan dan pengelasan yang andal

• validasi tingkat sistem

pusat data tepi

Pusat data tepi mungkin memiliki ruang terbatas dan mungkin ditempatkan di lingkungan yang kurang terkontrol. Keandalan dan struktur yang ringkas sangat penting.

Struktur yang direkomendasikan:

• pelat pendingin aluminium untuk desain ringan

• struktur saluran kompak

• perawatan permukaan tahan korosi

• pengujian kebocoran yang andal

• pemasangan dan perawatan yang mudah

Daftar periksa desain untuk pelat pendingin cair pusat data

Sebelum mengembangkan pelat pendingin cair khusus, para insinyur harus memastikan parameter-parameter kunci pada tahap desain awal.

Daftar periksa ini membantu mengurangi kesalahan desain dan memungkinkan pelanggan serta produsen untuk berkomunikasi lebih efisien.

Pertimbangan manufaktur untuk pelat pendingin pusat data

Pelat pendingin berkinerja tinggi tidak hanya harus berkinerja baik dalam simulasi, tetapi juga harus mudah diproduksi, andal, dan cocok untuk pengoperasian pusat data jangka panjang.

1. Keandalan penyegelan

Pusat data membutuhkan keandalan yang sangat tinggi. Kebocoran cairan pendingin sekecil apa pun dapat menyebabkan kerusakan serius pada server dan sistem kelistrikan. Oleh karena itu, pelat pendingin harus melalui pengujian kebocoran dan pengujian tekanan yang ketat.

2. pengendalian korosi

Saat menggunakan pelat pendingin aluminium, kompatibilitas cairan pendingin dan perlindungan korosi harus dipertimbangkan dengan cermat. Perlakuan permukaan dan kimia cairan pendingin penting untuk keandalan jangka panjang.

3. Kerataan dan penyelesaian permukaan

Permukaan kontak antara chip dan pelat pendingin harus rata dan cukup halus untuk mengurangi hambatan termal antarmuka. Kerataan yang buruk dapat menyebabkan tekanan kontak yang tidak merata dan titik panas.

4. kebersihan internal

Untuk pelat pendingin mikrokanal, kebersihan internal sangat penting. Partikel kecil dapat menyumbat mikrokanal dan memengaruhi kinerja pendinginan. Pembersihan dan inspeksi yang tepat diperlukan selama produksi.

5. manufaktur yang dapat diskalakan

Proyek pusat data seringkali membutuhkan produksi massal. Desain pelat pendingin harus dioptimalkan tidak hanya untuk kinerja tetapi juga untuk manufaktur yang berulang, kontrol kualitas, dan stabilitas biaya.

bagaimana Kingka mendukung proyek pelat pendingin cair pusat data

Kingka menyediakan pelat pendingin cair yang disesuaikan, pelat pendingin air, pelat pendingin cair FSW, pelat pendingin yang diproses CNC, pelat pendingin aluminium, pelat pendingin tembaga, dan solusi manajemen termal lengkap untuk aplikasi elektronik daya tinggi dan pusat data.

Untuk proyek pendinginan pusat data, Kingka dapat mendukung:

• desain struktur pelat dingin

• pemilihan bahan

• optimasi saluran internal

• pengembangan pelat dingin mikrokanal

• manufaktur pelat dingin sirip skived

• permesinan CNC

• pengelasan gesekan aduk

• penyambungan dan penyolderan

• perawatan permukaan

• pengujian kebocoran

• evaluasi penurunan tekanan

• desain khusus berdasarkan gambar pelanggan

Dukungan teknik Kingka berfokus pada kinerja praktis, kemampuan manufaktur, pengendalian biaya, dan keandalan jangka panjang. Alih-alih hanya memilih satu struktur pelat pendingin, kami membantu pelanggan mengevaluasi sistem termal lengkap dan memilih solusi yang paling sesuai untuk aplikasi mereka.

Ringkasan pemilihan struktur pelat pendingin

Memilih struktur pelat pendingin cair pusat data yang tepat memerlukan keseimbangan antara kinerja termal, penurunan tekanan, biaya produksi, pemilihan bahan, dan keandalan tingkat sistem.

Untuk server pusat data umum, pelat pendingin sirip terpotong atau saluran sederhana dapat memberikan solusi praktis dan hemat biaya. Untuk chip AI berdensitas tinggi, GPU, dan prosesor HPC, pelat pendingin mikrokanal atau desain manifold canggih mungkin diperlukan untuk mencapai resistansi termal yang lebih rendah. Untuk sistem di mana daya pemompaan adalah perhatian utama, pelat pendingin yang dioptimalkan secara topologi dapat membantu mengurangi penurunan tekanan dan meningkatkan efisiensi hidrolik.

Pelat pendingin cair terbaik tidak selalu yang paling kompleks. Yang terpenting adalah strukturnya yang sesuai dengan beban panas aktual, laju aliran, batas penurunan tekanan, kebutuhan bahan, anggaran produksi, dan arsitektur pendinginan tingkat rak.

Kingka menyediakan pelat pendingin cair yang disesuaikan, pelat pendingin cair, pelat pendingin air, heat sink, dan solusi manajemen termal lengkap untuk pusat data, server AI, sistem HPC, dan elektronik daya tinggi. Dengan menggabungkan keahlian bahan, desain struktural, manufaktur presisi, dan pengujian keandalan, Kingka membantu pelanggan membangun solusi pendinginan yang efisien, stabil, dan skalabel untuk pusat data generasi berikutnya.