Seleção da estrutura da placa de resfriamento líquido para data centers

Com o crescimento contínuo da computação de IA, serviços em nuvem, computação de alto desempenho e processamento de dados em larga escala, os data centers enfrentam cargas térmicas muito maiores do que antes. CPUs, GPUs, aceleradores de IA e módulos de servidor de alta densidade modernos geram calor concentrado que os sistemas tradicionais de refrigeração a ar não conseguem mais dissipar com eficiência.

Por esse motivo, o resfriamento líquido em data centers tornou-se uma solução importante para o gerenciamento térmico de próxima geração. Dentre as diferentes tecnologias de resfriamento líquido, a placa de resfriamento líquido, também conhecida como placa fria líquida ou placa de resfriamento a água, desempenha um papel fundamental na transferência de calor de chips de alta potência para o circuito de refrigeração.

No entanto, selecionar a estrutura correta da placa de resfriamento líquido não se resume a escolher entre cobre ou alumínio. Os engenheiros precisam equilibrar desempenho térmico, queda de pressão, vazão, custo de fabricação, compatibilidade de materiais, confiabilidade e eficiência de resfriamento em nível de rack.

Para centros de dados que utilizam CPUs, GPUs e chips de IA de alta potência, o projeto correto da placa fria pode afetar diretamente a temperatura do chip, a estabilidade do sistema, a potência de bombeamento, a eficiência energética e o custo operacional a longo prazo.

Por que as placas de resfriamento líquido estão se tornando essenciais em data centers

O resfriamento a ar tradicional depende de ventiladores e dissipadores de calor para remover o calor dos servidores. Esse método funciona para cargas térmicas moderadas, mas, à medida que a potência dos chips continua a aumentar, o resfriamento a ar enfrenta diversas limitações:

• maior consumo de energia do ventilador

• capacidade limitada de remoção de calor

• maior diferença de temperatura entre a entrada e a saída do servidor

• pontos críticos em torno de CPUs, GPUs e aceleradores de IA

• dificuldade em resfriar configurações de racks densos

• Maior nível de ruído e menor eficiência energética.

• Escalabilidade limitada para clusters de IA e HPC

Uma placa de resfriamento líquido para data centers resolve esses problemas posicionando um canal de fluido refrigerante próximo à fonte de calor. O calor é transferido do chip para a base da placa fria e, em seguida, removido pela circulação do fluido refrigerante.

Em comparação com o resfriamento a ar, o resfriamento líquido proporciona uma eficiência de transferência de calor muito maior, pois o líquido tem uma capacidade de condução de calor superior à do ar. Isso torna as placas frias líquidas especialmente adequadas para:

• resfriamento de servidor de IA

• resfriamento da GPU

• resfriamento da CPU

• resfriamento de cluster HPC

• resfriamento de racks de alta densidade

• resfriamento de data centers de borda

• infraestrutura de computação em nuvem

• eletrônica de potência em sistemas de data center

Para data centers que buscam maior densidade de potência, o resfriamento líquido deixou de ser apenas uma opção avançada e está se tornando uma estratégia essencial de gerenciamento térmico.

fatores-chave na seleção da estrutura da placa de resfriamento líquido

A estrutura "ideal" de uma placa de resfriamento líquido depende das condições reais de operação. Uma placa fria com a menor resistência térmica nem sempre é a melhor escolha se gerar uma queda de pressão excessiva ou for muito cara para fabricar.

Antes de selecionar uma placa fria líquida personalizada, os engenheiros devem avaliar os seguintes fatores.

1. Carga térmica e fluxo de calor

O primeiro passo é definir a carga térmica total do componente. Isso geralmente é medido em watts. Por exemplo, uma GPU de alta potência ou um acelerador de IA podem gerar várias centenas de watts ou mais, enquanto vários chips em uma mesma placa podem criar uma carga térmica combinada muito maior.

Além da potência total, o fluxo de calor também é importante. O fluxo de calor descreve a quantidade de calor concentrada em uma área específica. Um chip com alto fluxo de calor requer uma dissipação de calor mais rápida e uma estrutura de placa fria interna mais eficiente.

Para GPUs de alta potência e chips de IA, a taxa de fluxo geralmente varia de 1 a 3 lpm por placa fria, dependendo da potência do chip, do tipo de líquido refrigerante, da queda de pressão desejada e da exigência de resistência térmica.

2. resistência térmica

A resistência térmica é um dos indicadores mais importantes do desempenho de uma placa fria. Uma resistência térmica menor significa que a placa fria consegue transferir calor do chip para o líquido refrigerante de forma mais eficiente.

No entanto, a resistência térmica é afetada por muitos fatores:

• material de placa fria

• espessura da base

• estrutura do canal interno

• taxa de fluxo do fluido refrigerante

• planicidade da superfície de contato

• material de interface térmica

• tamanho do chip e distribuição de calor

• qualidade de fabricação

• temperatura de entrada do líquido refrigerante

Uma placa fria de microcanais de alto desempenho pode oferecer uma resistência térmica muito baixa, mas também pode aumentar a queda de pressão e a complexidade de fabricação.

3. Queda de pressão e potência de bombeamento

A queda de pressão é outro fator crucial no projeto de placas de resfriamento líquido. Se o canal interno for muito estreito ou complexo, o fluido refrigerante pode encontrar alta resistência ao fluxo. Isso exige bombas mais potentes e aumenta o consumo de energia.

Em uma única placa fria, a queda de pressão pode parecer administrável. Mas em um rack de data center completo com vários servidores e várias placas frias, a queda de pressão se torna um problema em nível de sistema.

Uma boa placa de resfriamento líquido para data centers não deve apenas remover o calor de forma eficiente, mas também manter um desempenho hidráulico adequado. Isso ajuda a reduzir o consumo de energia da bomba e melhora a eficiência geral do sistema de resfriamento.

4. distribuição de fluxo

Para módulos com múltiplos chips, CPUs grandes, GPUs ou placas aceleradoras, a distribuição uniforme do líquido refrigerante é crucial. Uma distribuição deficiente do fluxo pode fazer com que algumas áreas recebam menos líquido refrigerante, criando pontos quentes localizados.

A estrutura interna da placa fria deve direcionar o líquido refrigerante uniformemente por toda a área da fonte de calor. Isso é especialmente importante para o resfriamento de chips de IA e GPUs de alta densidade, onde o calor é concentrado e as margens térmicas são estreitas.

5. Seleção de materiais

A seleção de materiais afeta o desempenho térmico, o custo, o peso, a resistência à corrosão e o processo de fabricação.

Os dois materiais mais comuns para placas frias líquidas são o alumínio e o cobre.

Para centros de dados, as placas frias de alumínio costumam ser atraentes devido às vantagens de custo e peso. As placas frias de cobre são preferidas quando o fluxo de calor do chip é muito alto e o desempenho térmico é a principal prioridade.

6. método de fabricação

Diferentes métodos de fabricação resultam em diferentes estruturas de placas frias, custos e níveis de desempenho.

Os métodos de fabricação comuns incluem:

• usinagem CNC

• brasagem

• soldagem por fricção

• brasagem a vácuo

• fabricação de aletas desbastadas

• processamento de microcanais

• ligação cobre-alumínio

• Estampagem e conformação para alguns projetos de grande volume.

Para um fabricante de placas frias líquidas personalizadas, a chave não é apenas projetar um canal de alto desempenho, mas também garantir que a estrutura possa ser fabricada de forma confiável em grande escala.

Estruturas comuns de placas de resfriamento líquido para data centers

Diferentes estruturas internas de placas frias são adequadas para diferentes cargas de trabalho de data centers. Os principais tipos incluem placas frias com aletas chanfradas, placas frias com microcanais, placas frias com topologia otimizada e outras estruturas avançadas de alto desempenho.

1. placa fria líquida com aletas chanfradas

Uma placa fria com aletas chanfradas utiliza aletas finas dentro do canal de líquido para aumentar a área de transferência de calor. O fluido refrigerante flui através da estrutura de aletas e remove o calor da base.

Essa é uma estrutura relativamente tradicional e amplamente utilizada. Ela oferece desempenho estável e é adequada para cargas de trabalho gerais de data center.

vantagens das placas frias com aletas chanfradas

• processo de fabricação maduro

• boa área de transferência de calor

• Adequado para componentes de potência média a alta.

• custo-benefício vantajoso em comparação com estruturas mais complexas.

• Mais fácil de personalizar para diferentes tamanhos.

limitações

• A resistência térmica pode ser maior do que em projetos avançados de microcanais.

• A queda de pressão depende muito da densidade das aletas e do caminho do fluxo.

• Nem sempre é a melhor opção para chips de IA com fluxo térmico extremamente alto.

As placas frias líquidas com aletas chanfradas são adequadas para resfriamento geral de servidores, resfriamento de CPUs e aplicações em data centers, onde custo, confiabilidade e facilidade de fabricação são importantes.

2. placa fria líquida de microcanais

Uma placa fria de microcanais utiliza canais internos muito pequenos para aumentar a área de contato do fluido refrigerante e melhorar o desempenho da transferência de calor. Essa estrutura funciona como um dissipador de calor altamente eficiente refrigerado a líquido dentro da placa fria.

Os designs de microcanais são especialmente úteis para fontes de calor de alta densidade, como GPUs, aceleradores de IA e processadores HPC.

vantagens das placas frias de microcanais

• resistência térmica muito baixa

• alta eficiência de transferência de calor

• Alto desempenho para fontes de calor concentradas

• Adequado para resfriamento de chips de IA e resfriamento de GPUs.

• Estrutura compacta para aplicações de alta densidade de potência

limitações

• maior queda de pressão do que em projetos de canal simples

• mais sensível à limpeza do líquido de arrefecimento

• mais difícil de fabricar

• custo mais elevado em comparação com placas frias padrão

• requer um projeto cuidadoso de distribuição de fluxo

Para os modernos centros de dados de IA, as placas frias líquidas de microcanais estão se tornando cada vez mais importantes, pois a potência dos chips e o fluxo de calor estão aumentando rapidamente.

3. placa fria com topologia otimizada

Uma placa fria com otimização topológica utiliza métodos de projeto avançados para otimizar os caminhos de fluxo internos. O objetivo é reduzir a queda de pressão, mantendo um bom desempenho térmico.

Em alguns projetos, a otimização topológica pode reduzir a queda de pressão em mais de 20%. Isso pode ser valioso em sistemas onde a potência de bombeamento é uma limitação importante.

vantagens

• menor queda de pressão

• melhor eficiência hidráulica

• pode ser otimizado para layouts de chip específicos

• Útil para eficiência energética em nível de rack.

limitações

• processo de design mais complexo

• custo de fabricação mais elevado

• O ganho de desempenho nem sempre justifica o custo.

• requer simulação e validação

Estruturas com topologia otimizada são adequadas para centros de dados onde o circuito de refrigeração precisa lidar com muitas placas frias e a potência de bombeamento é uma preocupação fundamental.

4. estruturas avançadas de placas frias de alta potência

Para chips ou módulos de altíssima potência, podem ser necessárias estruturas avançadas. Essas estruturas são projetadas para suportar TDPs muito elevados, às vezes acima de vários milhares de watts no nível do sistema.

tais projetos podem combinar:

• microcanais

• distribuição de fluxo no coletor

• layout de entrada e saída otimizado

• estruturas de canal multicamadas

• bases de cobre de alta condutividade

• geometria interna de baixa perda de pressão

• processos personalizados de vedação e soldagem

Essas placas frias são normalmente usadas em clusters de IA, sistemas HPC, módulos aceleradores de alta potência e soluções de resfriamento de alta densidade em nível de rack.

Comparação de desempenho de estruturas de placas de resfriamento líquido

A tabela a seguir resume as características de desempenho típicas de diferentes estruturas de placas frias líquidas.

A escolha certa depende de se o cliente valoriza a menor temperatura do chip, a menor queda de pressão, o menor custo, a fabricação mais fácil ou a melhor eficiência geral do sistema.

Resistência térmica versus queda de pressão: o principal equilíbrio.

No projeto de placas frias líquidas, a resistência térmica e a queda de pressão estão frequentemente relacionadas.

Uma estrutura de aletas mais densa ou um microcanal menor podem reduzir a resistência térmica, pois aumentam a área de transferência de calor. No entanto, também podem aumentar a resistência ao fluxo, criando uma maior queda de pressão.

Por outro lado, um canal mais largo pode reduzir a queda de pressão, mas pode não fornecer desempenho de transferência de calor suficiente para chips de alta potência.

Isso cria um dilema comum na engenharia:

Para aplicações em data centers, o objetivo não é projetar a placa fria mais potente isoladamente. O objetivo é projetar a melhor placa fria para todo o circuito de refrigeração, incluindo bombas, manifolds, conectores rápidos, unidades de distribuição de fluido refrigerante e requisitos térmicos em nível de rack.

Como selecionar a estrutura de placa fria adequada para diferentes aplicações em data centers

Diferentes cargas de trabalho em data centers exigem diferentes estruturas de placas frias.

servidores de data center gerais

Para servidores com CPUs padrão e cargas térmicas moderadas, placas frias com aletas de alumínio ou cobre podem oferecer um bom equilíbrio entre desempenho, custo e confiabilidade.

Estrutura recomendada:

• placa fria de alumínio ou cobre

• estrutura de aleta simples ou canalizada

• vazão moderada

• queda de pressão baixa a média

• método de fabricação econômico

servidores de treinamento de IA

Servidores de treinamento de IA geralmente utilizam GPUs e aceleradores de alta potência. Esses chips geram alto fluxo de calor e frequentemente exigem estruturas de resfriamento mais avançadas.

Estrutura recomendada:

• placa fria de base de cobre

• estrutura de microcanal

• distribuição de fluxo otimizada

• maior capacidade de vazão

• design de baixa resistência térmica

clusters hpc

Os sistemas HPC geralmente exigem operação estável a longo prazo e alta eficiência de resfriamento. Tanto a resistência térmica quanto a queda de pressão devem ser cuidadosamente controladas.

Estrutura recomendada:

• placa fria de cobre ou cobre-alumínio

• projeto de fluxo em microcanais ou manifold

• otimização de baixa queda de pressão

• vedação e soldagem confiáveis

• validação em nível de sistema

data centers de borda

Os centros de dados de borda podem ter espaço limitado e podem ser implantados em ambientes menos controlados. Confiabilidade e estrutura compacta são muito importantes.

Estrutura recomendada:

• Placa fria de alumínio para um design leve

• estrutura de canal compacta

• tratamento de superfície resistente à corrosão

• teste de vazamento confiável

• Instalação e manutenção fáceis

Lista de verificação de projeto para placas de resfriamento líquido de data center

Antes de desenvolver uma placa de resfriamento líquido personalizada, os engenheiros devem confirmar os parâmetros principais na fase inicial do projeto.

Esta lista de verificação ajuda a reduzir erros de projeto e permite que o cliente e o fabricante se comuniquem de forma mais eficiente.

Considerações de fabricação para placas frias de data center

Uma placa fria de alto desempenho não deve apenas apresentar bom desempenho em simulação. Ela também deve ser fabricável, confiável e adequada para operação de data center a longo prazo.

1. Confiabilidade da vedação

Os centros de dados exigem altíssima confiabilidade. Qualquer vazamento de fluido refrigerante pode causar sérios danos aos servidores e sistemas elétricos. Portanto, as placas frias devem ser submetidas a rigorosos testes de vazamento e pressão.

2. controle da corrosão

Ao utilizar placas frias de alumínio, a compatibilidade com o fluido refrigerante e a proteção contra corrosão devem ser cuidadosamente consideradas. O tratamento da superfície e a composição química do fluido refrigerante são importantes para a confiabilidade a longo prazo.

3. planicidade e acabamento superficial

A superfície de contato entre o chip e a placa fria deve ser plana e lisa o suficiente para reduzir a resistência térmica da interface. Uma superfície pouco plana pode causar pressão de contato irregular e pontos quentes.

4. limpeza interna

Para placas frias de microcanais, a limpeza interna é crucial. Partículas pequenas podem obstruir os microcanais e afetar o desempenho de resfriamento. Limpeza e inspeção adequadas são imprescindíveis durante a produção.

5. fabricação escalável

Os projetos de data centers frequentemente exigem produção em lotes. O projeto de uma placa fria deve ser otimizado não apenas para desempenho, mas também para fabricação repetível, controle de qualidade e estabilidade de custos.

Como a Kingka dá suporte a projetos de placas de resfriamento líquido para data centers

A Kingka fornece placas frias líquidas personalizadas, placas de resfriamento a água, placas frias líquidas FSW, placas frias usinadas em CNC, placas frias de alumínio, placas frias de cobre e soluções completas de gerenciamento térmico para aplicações em eletrônica de alta potência e data centers.

Para projetos de refrigeração de data centers, a Kingka pode oferecer suporte a:

• projeto estrutural de placa fria

• seleção de materiais

• otimização de canal interno

• desenvolvimento de placa fria de microcanais

• fabricação de placas frias com aletas chanfradas

• usinagem CNC

• soldagem por fricção

• brasagem e soldagem

• tratamento de superfície

• teste de vazamento

• avaliação da queda de pressão

• Projeto personalizado com base em desenhos do cliente.

O suporte técnico da Kingka concentra-se no desempenho prático, na viabilidade de fabricação, no controle de custos e na confiabilidade a longo prazo. Em vez de simplesmente escolher uma estrutura de placa fria, ajudamos os clientes a avaliar o sistema térmico completo e a selecionar a solução mais adequada para sua aplicação.

Resumo da seleção da estrutura da placa fria

A seleção da estrutura correta de placas de resfriamento líquido para data centers exige o equilíbrio entre desempenho térmico, queda de pressão, custo de fabricação, seleção de materiais e confiabilidade do sistema.

Para servidores de data center em geral, placas frias com aletas chanfradas ou canais simples podem oferecer uma solução prática e econômica. Para chips de IA de alta densidade, GPUs e processadores HPC, placas frias com microcanais ou projetos de manifold avançados podem ser necessários para alcançar menor resistência térmica. Para sistemas onde a potência de bombeamento é a principal preocupação, placas frias com topologia otimizada podem ajudar a reduzir a queda de pressão e melhorar a eficiência hidráulica.

A melhor placa fria para líquidos nem sempre é a mais complexa. Trata-se da estrutura que melhor se adequa à carga térmica real, à vazão, ao limite de queda de pressão, aos requisitos de material, ao orçamento de fabricação e à arquitetura de refrigeração em nível de rack.

A Kingka fornece placas de resfriamento líquido personalizadas, placas frias para líquidos, placas de resfriamento a água, dissipadores de calor e soluções completas de gerenciamento térmico para data centers, servidores de IA, sistemas HPC e eletrônicos de alta potência. Combinando conhecimento especializado em materiais, design estrutural, fabricação de precisão e testes de confiabilidade, a Kingka ajuda os clientes a construir soluções de resfriamento eficientes, estáveis e escaláveis para data centers de última geração.