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Con la rapida crescita della potenza di calcolo dell'intelligenza artificiale globale e il continuo aumento del consumo di potenza termica di progettazione (TDP) dei chip, la domanda di raffreddamento dei data center sta affrontando sfide senza precedenti. Allo stesso tempo, le politiche sempre più severe di risparmio energetico e riduzione delle emissioni di carbonio in tutto il mondo hanno ulteriormente promosso l'innovazione della tecnologia di raffreddamento. In questo contesto, le tradizionali soluzioni di raffreddamento ad aria sono gradualmente diventate difficili da soddisfare i doppi requisiti di efficiente dissipazione del calore e risparmio energetico. La tecnologia di raffreddamento a liquido sta rapidamente aumentando grazie alle sue eccellenti prestazioni di dissipazione del calore e ai significativi vantaggi di risparmio energetico, diventando la scelta principale per le soluzioni di raffreddamento dei data center. In quanto apparecchiatura principale per l'elaborazione e l'archiviazione dei dati, le prestazioni e la stabilità del server sono direttamente correlate all'efficienza operativa dell'intero sistema. I componenti principali del server, tra cui scheda madre, CPU, memoria, disco rigido e scheda grafica, genereranno molto calore in caso di funzionamento continuo ad alto carico. Se il calore non può essere dissipato in modo tempestivo ed efficace, ciò influirà seriamente sulle prestazioni e sulla durata del server. A tal fine, sono stati introdotti sistemi avanzati di raffreddamento a liquido nelle soluzioni di raffreddamento dei server e installati direttamente sulle principali fonti di calore, come CPU e schede grafiche, per migliorare significativamente l'efficienza della dissipazione del calore.
Parte 1: Struttura e principio di funzionamento del blocco d'acqua
Uno dei componenti principali del sistema di raffreddamento a liquido è il waterblock, che di solito è fatto di materiali in rame o alluminio con elevata conduttività termica ed è progettato con precisi canali per l'acqua e strutture di dissipazione del calore. Questi waterblock si adattano perfettamente alla superficie di fonti di calore come CPU e GPU e assorbono e trasferiscono rapidamente il calore attraverso l'acqua di raffreddamento che circola al suo interno. Il calore viene quindi trasportato al dissipatore di calore, che viene poi fatto circolare attraverso il sistema di raffreddamento ad acqua e infine dissipato nell'aria circostante.
Figura 1: Tendenze del consumo di potenza termica dei chip dei principali produttori di chip
1- Tipi e caratteristiche comuni dei blocchi d'acqua
l Blocco dell'acqua microcanale
Caratteristiche: Il blocco dell'acqua microcanale adotta un design preciso del canale micro-acqua. La struttura del canale dell'acqua è fine e complessa, il che può aumentare significativamente l'area di contatto tra il refrigerante e i componenti che generano calore, migliorando così notevolmente l'efficienza di dissipazione del calore. Il design del canale micro-acqua può anche produrre un forte effetto di turbolenza durante il flusso del refrigerante, migliorando ulteriormente il coefficiente di trasferimento del calore per convezione e ottenendo un trasferimento di calore efficiente.
Scenari di applicazione: è particolarmente adatto per CPU e GPU con elevata generazione di calore, in particolare nell'elaborazione ad alte prestazioni, nell'overclocking e nei data center, che hanno requisiti di dissipazione del calore estremamente elevati.
l Blocco dell'acqua a flusso grande
Caratteristiche: La struttura interna del water block a grande portata è relativamente semplice, solitamente utilizza una piastra di rame o un design con scanalatura incisa, e il costo di produzione è basso. Il suo vantaggio principale è che si basa sul flusso d'acqua ad alta velocità per rimuovere rapidamente il calore ed è adatto per l'uso con un sistema di raffreddamento ad acqua a grande portata. Sebbene la struttura sia semplice, la sua efficiente capacità di dissipazione del calore lo rende una scelta molto conveniente.
Scenario applicativo: Adatto per scenari con determinati requisiti di efficienza di dissipazione del calore ma budget limitato, come sistemi informatici fai da te di fascia medio-alta o cluster di server di piccole e medie dimensioni.
l Blocco dell'acqua di tipo iniezione
Caratteristiche: Il blocco di raffreddamento ad acqua di tipo jet spruzza il refrigerante da un ugello stretto alla piastra inferiore del microcanale ad alta velocità attraverso la piastra di guida, formando un forte effetto turbolenza e migliorando significativamente l'efficienza di dissipazione del calore. Questo design non solo aumenta l'area di contatto tra il refrigerante e la base, ma ottimizza anche ulteriormente le prestazioni di scambio termico attraverso il flusso ad alta velocità.
Scenari applicativi: Adatto per CPU e GPU ad alte prestazioni, in particolare in requisiti di dissipazione del calore elevata e scenari ad alto flusso, come l'elaborazione di overclocking, la formazione dell'intelligenza artificiale e il rendering grafico.
2-Struttura generale del blocco dell'acqua
Un waterblock è un blocco metallico con canali per l'acqua all'interno, solitamente in rame o alluminio. Non entra in contatto con la CPU, la scheda grafica o altri dispositivi che generano calore. Il suo design strutturale determina direttamente la qualità delle prestazioni di dissipazione del calore. Un tipico waterblock è solitamente costituito dalle seguenti parti chiave:
l La base è solitamente realizzata in materiali ad alta conduttività termica come rame o lega di alluminio, e la superficie è finemente lavorata per garantire uno stretto contatto con i componenti che generano calore. La base è dotata di un complesso design del canale di flusso per aumentare l'area di contatto tra il refrigerante e la base.
l La piastra di copertura, insieme alla base, forma una cavità di tenuta del canale di flusso per proteggere il canale di flusso, la guarnizione e altri componenti all'interno del blocco idrico da polvere, impurità e danni fisici esterni.
l L'ingresso e l'uscita dell'acqua sono le interfacce per l'ingresso e l'uscita del refrigerante dalla testa di raffreddamento ad acqua. Sono generalmente progettati sul lato o sulla parte superiore della testa di raffreddamento ad acqua per garantire che il refrigerante possa fluire dentro e fuori senza problemi. La progettazione della posizione deve considerare il percorso di flusso del fluido per ridurre la resistenza al flusso e aumentare la portata del refrigerante.
l Le clip vengono utilizzate per fissare saldamente la testina di raffreddamento ad acqua alla CPU o ad altri componenti che generano calore, per garantire una base solida e ottenere una conduzione efficiente del calore.
Figura 2: Struttura tipica del blocco d'acqua
3- Ottimizzazione completa delle prestazioni di dissipazione del calore
l Ottimizzazione della progettazione del canale di flusso
Aumentare l'area di contatto del canale di flusso: progettando canali di flusso più stretti e densi, l'area di contatto tra il refrigerante e la base può essere notevolmente aumentata, migliorando così il coefficiente di trasferimento di calore convettivo. Ad esempio, il design del microcanale ha una struttura del canale dell'acqua fine. I parametri di progettazione del blocco dell'acqua del microcanale (come larghezza, altezza e spaziatura del canale) hanno un'influenza decisiva sulla sua efficienza di dissipazione del calore: man mano che la larghezza del canale diminuisce, il coefficiente di trasferimento di calore aumenta in modo significativo, grazie all'effetto di turbolenza migliorato del flusso di refrigerante nel canale stretto, migliorando così l'efficienza di scambio termico; l'altezza maggiore del canale aiuta ad aumentare lo spazio di flusso del refrigerante, migliorando così le prestazioni di trasferimento di calore; la spaziatura più piccola del canale può aumentare l'area di contatto tra il refrigerante e la fonte di calore, migliorando così l'efficienza di dissipazione del calore.
Può anche essere ottimizzato ottimizzando il layout del canale di flusso e riducendo le curve del canale di flusso: un layout ragionevole del canale di flusso può garantire che il refrigerante copra uniformemente la superficie dei componenti che generano calore e ridurre la differenza di temperatura locale. Le curve nel canale di flusso aumenteranno la perdita di carico e la resistenza al flusso interno, riducendo così l'efficienza di raffreddamento. Il numero di curve dovrebbe essere ridotto al minimo nella progettazione. Se non può essere evitato, le curve dovrebbero essere progettate come transizioni fluide per ridurre la caduta di pressione e ottimizzare le prestazioni del flusso.
l Materiali ad alta conduttività termica: la base del waterblock è solitamente realizzata in materiali ad alta conduttività termica come rame puro o lega di alluminio. Questi materiali possono trasferire in modo efficiente il calore dalla fonte di calore al refrigerante, migliorando così le prestazioni complessive di dissipazione del calore.
l Ottimizzazione dei parametri strutturali, come spessore del substrato di base, alette, struttura dello spoiler, ecc. L'aumento dello spessore del substrato porterà a un aumento della temperatura massima, quindi il design deve trovare il miglior equilibrio tra effetto di dissipazione del calore e resistenza strutturale; aumentando l'altezza, lo spessore e la spaziatura delle alette, le prestazioni di dissipazione del calore possono essere migliorate, ma allo stesso tempo aumenterà anche la resistenza al flusso. Trova la migliore combinazione di progettazione delle alette per massimizzare le prestazioni di dissipazione del calore. La forma della colonna dello spoiler può migliorare efficacemente l'effetto di turbolenza e migliorare l'efficienza dello scambio termico.
Condivideremo regolarmente aggiornamenti e informazioni su tecniche di progettazione termica e alleggerimento, per la vostra consultazione. Grazie per l'interesse verso Walmate.