Avec la croissance rapide de la puissance de calcul de l'intelligence artificielle mondiale et l'augmentation continue de la consommation d'énergie thermique (TDP) des puces, la demande de refroidissement des centres de données est confrontée à des défis sans précédent. Dans le même temps, les politiques de plus en plus strictes en matière d'économie d'énergie et de réduction des émissions de carbone dans le monde entier ont encore favorisé l'innovation en matière de technologie de refroidissement. Dans ce contexte, les solutions de refroidissement par air traditionnelles sont progressivement devenues difficiles à satisfaire à la double exigence de dissipation thermique efficace et d'économie d'énergie. La technologie de refroidissement liquide progresse rapidement en raison de ses excellentes performances de dissipation thermique et de ses avantages significatifs en matière d'économie d'énergie, devenant le choix dominant pour les solutions de refroidissement des centres de données. En tant qu'équipement de base pour le traitement et le stockage des données, les performances et la stabilité du serveur sont directement liées à l'efficacité de fonctionnement de l'ensemble du système. Les composants de base du serveur, notamment la carte mère, le processeur, la mémoire, le disque dur et la carte graphique, génèrent beaucoup de chaleur en fonctionnement continu à forte charge. Si la chaleur ne peut pas être dissipée de manière opportune et efficace, cela affectera gravement les performances et la durée de vie du serveur. À cette fin, des systèmes de refroidissement liquide avancés ont été introduits dans les solutions de refroidissement des serveurs et installés directement sur les principales sources de chaleur telles que les processeurs et les cartes graphiques pour améliorer considérablement l'efficacité de la dissipation thermique.

Partie 1 : Structure et principe de fonctionnement du bloc d'eau

L'un des composants principaux du système de refroidissement liquide est le bloc d'eau, qui est généralement constitué de matériaux en cuivre ou en aluminium à haute conductivité thermique et est conçu avec des canaux d'eau précis et des structures de dissipateur de chaleur. Ces blocs d'eau s'adaptent parfaitement à la surface des sources de chaleur telles que les processeurs et les GPU, et absorbent et transfèrent rapidement la chaleur grâce à l'eau de refroidissement qui circule à l'intérieur. La chaleur est ensuite transportée vers le dissipateur de chaleur, qui circule ensuite dans le système de refroidissement par eau et finit par se dissiper dans l'air ambiant.

Figure 1 : Tendances de la consommation d'énergie thermique des principaux fabricants de puces

1- Types et caractéristiques courantes des blocs d'eau

l Bloc d'eau à microcanaux

Caractéristiques : Le bloc d'eau à microcanaux adopte une conception précise de micro-canaux d'eau. La structure du canal d'eau est fine et complexe, ce qui peut augmenter considérablement la zone de contact entre le liquide de refroidissement et les composants générateurs de chaleur, améliorant ainsi considérablement l'efficacité de la dissipation thermique. La conception du micro-canal d'eau peut également produire un fort effet de turbulence pendant l'écoulement du liquide de refroidissement, améliorant encore le coefficient de transfert de chaleur par convection et obtenant un transfert de chaleur efficace.

Scénarios d'application : Il est particulièrement adapté aux processeurs et aux GPU à forte génération de chaleur, en particulier dans le calcul haute performance, l'overclocking et les centres de données, qui ont des exigences de dissipation thermique extrêmement élevées.

l Bloc d'eau à grand débit

Caractéristiques : La structure interne du bloc d'eau à grand débit est relativement simple, utilisant généralement une plaque de cuivre ou une conception de rainure gravée, et le coût de fabrication est faible. Son principal avantage est qu'il s'appuie sur un débit d'eau à grande vitesse pour évacuer rapidement la chaleur et qu'il convient à une utilisation avec un système de refroidissement par eau à grand débit. Bien que la structure soit simple, sa capacité de dissipation thermique efficace en fait un choix très rentable.

Scénario d'application : Convient aux scénarios avec certaines exigences en matière d'efficacité de dissipation thermique mais un budget limité, tels que les systèmes informatiques DIY de milieu à haut de gamme ou les clusters de serveurs de petite et moyenne taille.

l Bloc d'eau de type injection

Caractéristiques : Le bloc de refroidissement à eau de type jet pulvérise le liquide de refroidissement d'une buse étroite vers la plaque inférieure à micro-canaux à grande vitesse à travers la plaque de guidage, formant un fort effet de turbulence et améliorant considérablement l'efficacité de la dissipation thermique. Cette conception augmente non seulement la surface de contact entre le liquide de refroidissement et la base, mais optimise également davantage les performances d'échange thermique grâce à un flux à grande vitesse.

Scénarios d'application : Convient aux processeurs et GPU hautes performances, en particulier dans les scénarios à forte dissipation thermique et à haut débit, tels que l'overclocking, la formation à l'intelligence artificielle et le rendu graphique.

2-Structure générale du bloc d'eau

Un waterblock est un bloc métallique contenant des canaux d'eau à l'intérieur, généralement en cuivre ou en aluminium. Il n'entre pas en contact avec le processeur, la carte graphique ou d'autres appareils générateurs de chaleur. Sa conception structurelle détermine directement la qualité des performances de dissipation de chaleur. Un waterblock typique se compose généralement des éléments clés suivants :

l La base est généralement constituée de matériaux à haute conductivité thermique tels que le cuivre ou l'alliage d'aluminium, et la surface est finement traitée pour assurer un contact étroit avec les composants générateurs de chaleur. La base est équipée d'une conception de canal d'écoulement complexe pour augmenter la surface de contact entre le liquide de refroidissement et la base.

l La plaque de recouvrement, avec la base, forme une cavité d'étanchéité du canal d'écoulement pour protéger le canal d'écoulement, le joint et les autres composants à l'intérieur du bloc d'eau de la poussière, des impuretés et des dommages physiques externes.

l L'entrée et la sortie d'eau sont les interfaces permettant au liquide de refroidissement d'entrer et de sortir de la tête de refroidissement par eau. Elles sont généralement conçues sur le côté ou sur le dessus de la tête de refroidissement par eau pour garantir que le liquide de refroidissement puisse entrer et sortir en douceur. La conception de la position doit tenir compte du trajet d'écoulement du fluide pour réduire la résistance à l'écoulement et augmenter le débit du liquide de refroidissement.

l Les clips sont utilisés pour fixer fermement la tête de refroidissement par eau au processeur ou à d'autres composants générateurs de chaleur afin de garantir une base solide et d'obtenir une conduction thermique efficace.

Figure 2 : Structure typique d'un bloc d'eau

3- Optimisation complète des performances de dissipation thermique

l Optimisation de la conception des canaux d'écoulement

Augmenter la surface de contact du canal d'écoulement : En concevant des canaux d'écoulement plus étroits et plus denses, la surface de contact entre le liquide de refroidissement et la base peut être considérablement augmentée, améliorant ainsi le coefficient de transfert de chaleur par convection. Par exemple, la conception du microcanal présente une structure de canal d'eau fine. Les paramètres de conception du bloc d'eau à microcanaux (tels que la largeur, la hauteur et l'espacement du canal) ont une influence décisive sur son efficacité de dissipation thermique : à mesure que la largeur du canal diminue, le coefficient de transfert de chaleur augmente considérablement, grâce à l'effet de turbulence amélioré du flux de liquide de refroidissement dans le canal étroit, améliorant ainsi l'efficacité de l'échange thermique ; la hauteur de canal plus élevée contribue à augmenter l'espace d'écoulement du liquide de refroidissement, améliorant ainsi les performances de transfert de chaleur ; l'espacement plus petit des canaux peut augmenter la surface de contact entre le liquide de refroidissement et la source de chaleur, améliorant ainsi l'efficacité de dissipation thermique.

Il peut également être optimisé en optimisant la disposition des canaux d'écoulement et en réduisant les coudes des canaux d'écoulement : une disposition raisonnable des canaux d'écoulement peut garantir que le liquide de refroidissement recouvre uniformément la surface des composants générateurs de chaleur et réduire la différence de température locale. Les coudes dans le canal d'écoulement augmentent la perte de charge et la résistance interne à l'écoulement, réduisant ainsi l'efficacité du refroidissement. Le nombre de coudes doit être réduit au minimum lors de la conception. Si cela ne peut être évité, les coudes doivent être conçus comme des transitions douces pour réduire la chute de pression et optimiser les performances d'écoulement.

l Matériaux à haute conductivité thermique : La base du bloc d'eau est généralement constituée de matériaux à haute conductivité thermique tels que le cuivre pur ou l'alliage d'aluminium. Ces matériaux peuvent transférer efficacement la chaleur de la source de chaleur au liquide de refroidissement, améliorant ainsi les performances globales de dissipation thermique.

l Optimisation des paramètres structurels, tels que l'épaisseur du substrat de base, les ailettes, la structure du spoiler, etc. L'augmentation de l'épaisseur du substrat entraînera une augmentation de la température maximale, de sorte que la conception doit trouver le meilleur équilibre entre l'effet de dissipation thermique et la résistance structurelle ; en augmentant la hauteur, l'épaisseur et l'espacement des ailettes, les performances de dissipation thermique peuvent être améliorées, mais en même temps, la résistance à l'écoulement augmentera également. Trouvez la meilleure combinaison de conception d'ailettes pour maximiser les performances de dissipation thermique. La forme de la colonne de spoiler peut améliorer efficacement l'effet de turbulence et améliorer l'efficacité de l'échange thermique.

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