글로벌 인공지능 컴퓨팅 파워의 급속한 성장과 칩 열 설계 전력 소비(TDP)의 지속적인 증가로 데이터 센터의 냉각 수요는 전례 없는 어려움에 직면하고 있습니다. 동시에 전 세계적으로 점점 더 엄격해지는 에너지 절약 및 탄소 감축 정책은 냉각 기술 혁신을 더욱 촉진했습니다. 이러한 맥락에서 기존의 공랭 솔루션은 효율적인 방열과 에너지 절약이라는 두 가지 요구 사항을 충족하기 어려워지고 있습니다. 액체 냉각 기술은 뛰어난 방열 성능과 상당한 에너지 절약 이점으로 인해 빠르게 부상하고 있으며 데이터 센터 냉각 솔루션의 주류 선택이 되고 있습니다. 데이터 처리 및 저장을 위한 핵심 장비로서 서버의 성능과 안정성은 전체 시스템의 작동 효율성과 직접적으로 관련이 있습니다. 마더보드, CPU, 메모리, 하드 디스크 및 그래픽 카드를 포함한 서버의 핵심 구성 요소는 지속적인 고부하 작동 시 많은 열을 발생시킵니다. 열을 적시에 효과적으로 발산할 수 없으면 서버의 성능과 수명에 심각한 영향을 미칩니다. 이러한 목적을 위해 고급 액체 냉각 시스템이 서버 냉각 솔루션에 도입되었으며 CPU 및 그래픽 카드와 같은 주요 열원에 직접 설치되어 방열 효율을 크게 개선했습니다.

1부：워터 블록 구조 및 작동 원리

액체 냉각 시스템의 핵심 구성 요소 중 하나는 일반적으로 열전도도가 높은 구리 또는 알루미늄 소재로 만들어지고 정밀한 물 채널과 방열판 구조로 설계된 워터 블록입니다. 이러한 워터 블록은 CPU 및 GPU와 같은 열원 표면에 꼭 맞으며 내부를 순환하는 냉각수를 통해 열을 빠르게 흡수하고 전달합니다. 그런 다음 열은 방열판으로 전달되고, 방열판은 수냉 시스템을 통해 순환되어 결국 주변 공기로 소산됩니다.

그림 1: 주요 칩 제조업체의 칩 열 전력 소비 추세

1- 일반적인 워터블록 유형 및 특성

l 마이크로채널 워터 블록

특징: 마이크로채널 워터 블록은 정밀한 마이크로 워터 채널 디자인을 채택했습니다. 워터 채널 구조는 미세하고 복잡하여 냉각수와 발열 구성 요소 간의 접촉 면적을 크게 늘려 방열 효율을 크게 향상시킬 수 있습니다. 마이크로 워터 채널 디자인은 또한 냉각수 흐름 중에 강력한 난류 효과를 생성하여 대류 열전달 계수를 더욱 향상시키고 효율적인 열전달을 달성할 수 있습니다.

적용 시나리오: 특히 발열이 많은 CPU 및 GPU, 특히 고성능 컴퓨팅, 오버클러킹 및 데이터 센터에 적합하며, 이는 매우 높은 방열 요구 사항을 가지고 있습니다.

l 대용량 유량 수냉 블록

특징: 대용량 수류 블록의 내부 구조는 비교적 간단하며, 일반적으로 구리판이나 에칭 홈 디자인을 사용하고 제조 비용이 낮습니다. 핵심적인 장점은 고속 수류에 의존하여 열을 빠르게 제거하고 대용량 수냉 시스템과 함께 사용하기에 적합하다는 것입니다. 구조는 간단하지만 효율적인 방열 용량으로 인해 매우 비용 효율적인 선택입니다.

적용 시나리오: 중급~고급 DIY 컴퓨터 시스템이나 중소형 서버 클러스터와 같이 방열 효율에 대한 특정 요구 사항이 있지만 예산이 제한된 시나리오에 적합합니다.

l 주입형 워터블록

특징: 제트형 수냉 블록은 가이드 플레이트를 통해 좁은 노즐에서 마이크로 채널 바닥 플레이트로 고속으로 냉각수를 분사하여 강력한 난류 효과를 형성하고 방열 효율을 크게 향상시킵니다. 이 설계는 냉각수와 베이스 사이의 접촉 면적을 늘릴 뿐만 아니라 고속 흐름을 통해 열 교환 성능을 더욱 최적화합니다.

적용 시나리오: 고성능 CPU 및 GPU에 적합하며, 특히 오버클러킹 컴퓨팅, 인공지능 교육, 그래픽 렌더링과 같은 고열 발산 요구 사항 및 고유량 시나리오에 적합합니다.

2- 워터블록의 일반 구조

워터 블록은 내부에 물 채널이 있는 금속 블록으로, 일반적으로 구리나 알루미늄으로 만들어집니다. CPU, 그래픽 카드 또는 기타 열 생성 장치와 접촉하지 않습니다. 구조적 설계는 열 발산 성능의 품질을 직접 결정합니다. 일반적인 워터 블록은 일반적으로 다음과 같은 핵심 부품으로 구성됩니다.

l 베이스는 일반적으로 구리 또는 알루미늄 합금과 같은 높은 열전도도 재료로 만들어지며, 표면은 열 생성 구성 요소와의 긴밀한 접촉을 보장하기 위해 미세 가공됩니다. 베이스는 냉각수와 베이스 사이의 접촉 면적을 늘리기 위해 복잡한 흐름 채널 설계를 갖추고 있습니다.

l 커버 플레이트는 바닥과 함께 흐름 채널 밀봉 공동을 형성하여 물 블록 내부의 흐름 채널, 씰 및 기타 구성 요소를 먼지, 불순물 및 외부 물리적 손상으로부터 보호합니다.

l 물 입구와 출구는 냉각수가 수냉 헤드에 들어오고 나가는 인터페이스입니다. 이들은 일반적으로 냉각수가 원활하게 유입되고 유출될 수 있도록 수냉 헤드의 측면 또는 상단에 설계됩니다. 위치 설계는 유동 저항을 줄이고 냉각수의 유량을 증가시키기 위해 유체의 흐름 경로를 고려해야 합니다.

l 클립은 수냉 헤드를 CPU나 기타 열을 발생시키는 구성 요소에 단단히 고정하여 견고한 기반을 확보하고 효율적인 열 전도를 달성하는 데 사용됩니다.

그림 2: 워터블록의 일반적인 구조

3- 방열 성능의 종합적 최적화

l 유동 채널 설계 최적화

흐름 채널의 접촉 면적 증가: 더 좁고 밀도가 높은 흐름 채널을 설계함으로써 냉각수와 베이스 사이의 접촉 면적을 크게 늘려 대류 열전달 계수를 개선할 수 있습니다. 예를 들어, 마이크로채널 설계는 미세한 수로 구조를 가지고 있습니다. 마이크로채널 수중 블록의 설계 매개변수(채널 폭, 높이, 간격 등)는 열 발산 효율에 결정적인 영향을 미칩니다. 채널 폭이 감소함에 따라 좁은 채널에서 냉각수 흐름의 난류 효과가 향상되어 열전달 계수가 크게 증가하여 열 교환 효율이 향상됩니다. 채널 높이가 높을수록 냉각수의 흐름 공간이 늘어나 열전달 성능이 향상됩니다. 채널 간격이 작을수록 냉각수와 열원 사이의 접촉 면적이 늘어나 열 발산 효율이 향상됩니다.

또한 흐름 채널 레이아웃을 최적화하고 흐름 채널 굽힘을 줄여 최적화할 수 있습니다. 합리적인 흐름 채널 레이아웃은 냉각수가 발열 구성 요소의 표면을 고르게 덮고 국부적인 온도 차이를 줄일 수 있도록 보장할 수 있습니다. 유동 채널의 굽힘은 헤드 손실과 내부 유동 저항을 증가시켜 냉각 효율을 감소시킵니다. 설계에서 굽힘의 수를 최소화해야 합니다. 피할 수 없는 경우, 굽힘은 압력 강하를 줄이고 유동 성능을 최적화하기 위해 부드러운 전환으로 설계해야 합니다.

l 높은 열전도도 재료: 워터 블록의 바닥은 일반적으로 순수 구리 또는 알루미늄 합금과 같은 높은 열전도도 재료로 만들어집니다. 이러한 재료는 열원에서 냉각수로 열을 효율적으로 전달하여 전반적인 방열 성능을 개선할 수 있습니다.

l 구조적 매개변수 최적화, 예를 들어 기본 기판 두께, 핀, 스포일러 구조 등. 기판 두께가 증가하면 최대 온도가 증가하므로 설계는 방열 효과와 구조적 강도 사이에서 최상의 균형을 찾아야 합니다. 핀의 높이, 두께 및 간격을 늘리면 방열 성능을 향상시킬 수 있지만 동시에 유동 저항도 증가합니다. 방열 성능을 극대화하기 위한 최상의 핀 설계 조합을 찾으십시오. 스포일러 컬럼의 모양은 난류 효과를 효과적으로 향상시키고 열 교환 효율을 개선할 수 있습니다.

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