| Metrica delle prestazioni | Valore/Condizione target |
|---|---|
| Potenza totale del chip | 2700 W per GB200 (1 CPU Grace + 2 GPU B200) |
| Densità del flusso di calore | Supera i 50W/cm², raggiungendo in alcuni punti i 150W/cm² |
| Limite di aumento della temperatura (Tc) | Sotto i 40°C per il chip e sotto i 30°C per la GPU |
| Resistenza termica richiesta | Estremamente basse, inferiori a 0.03°C/W |
| Resistenza al flusso richiesta | Non superiore a 20 kPa |
I chip AI di nuova generazione, come il GB200 di NVIDIA, stanno spingendo al limite le prestazioni. Ma questa potenza ha un costo: un calore incredibile. Un singolo chip GB200 può consumare ben 2700 watt . Con così tanta potenza in uno spazio così ridotto, il raffreddamento ad aria tradizionale non è più sufficiente. L'unico modo per mantenere questi chip a temperature ottimali è ricorrere a un sistema di raffreddamento a liquido avanzato.
Analizziamo nel dettaglio le sfide ingegneristiche e vediamo come Kenfa Tech ha progettato una piastra di raffreddamento a liquido per gestire il calore estremo del GB200.
I numeri dietro la sfida di raffreddamento del GB200
Per apprezzare la soluzione, dobbiamo prima comprendere il problema in dettaglio. Il calore generato dal GB200 non è solo elevato, ma anche incredibilmente concentrato. Questo fenomeno è chiamato densità di flusso termico.
Il chip produce un flusso di calore superiore a 50 W/cm² , ovvero 50 watt di calore in un'area grande quanto l'unghia del mignolo. In alcuni punti critici, questo valore può raggiungere picchi intensi di 150 W/cm² . Se non gestito, questo calore danneggerebbe rapidamente il chip. Pertanto, l'aumento di temperatura del chip (Tc) deve essere mantenuto generalmente al di sotto dei 40 °C , con la GPU stessa che richiede un limite ancora più stringente, inferiore a 30 °C.
Per raggiungere questi numeri è necessario un sistema di raffreddamento con due caratteristiche fondamentali:
- Resistenza termica estremamente bassa (inferiore a 0.03°C/W). Ciò significa che la piastra fredda è estremamente efficiente nell'allontanare il calore dal chip.
- Bassa resistenza al flusso (non superiore a 20 kPa). In questo modo il liquido di raffreddamento può muoversi facilmente attraverso la piastra, senza dover ricorrere a una pompa potente e dispendiosa in termini di energia.
"Non stiamo solo gestendo il calore; stiamo gestendo anche la densità di calore estrema. L'obiettivo è creare un percorso che permetta al calore di fuoriuscire il più rapidamente ed efficientemente possibile. Ogni cifra decimale nel calcolo della resistenza termica è importante per la stabilità di questi potenti sistemi di intelligenza artificiale."
– Ingegnere termico industriale
All'interno della piastra fredda: struttura e fisica del flusso
Per raggiungere questi risultati impressionanti, gli ingegneri utilizzano un design specifico chiamato piastra di raffreddamento a microcanali, spesso realizzata con un processo di alette di taglio.
Struttura microcanale con alette raschiate
La piastra di raffreddamento è solitamente realizzata in rame, un materiale eccellente per la trasmissione del calore (con una conduttività termica di 385 W/mK ). Un apposito strumento ricava quindi delle sottili alette direttamente dalla base in rame, creando una serie di minuscoli canali paralleli.
- Lo spessore delle alette (t) è generalmente ≤ 0.5mm.
- Anche la spaziatura tra le alette (P) è ≤ 0.5mm.
- L'altezza della pinna (L) è in genere ≥ 3mm.
Queste dimensioni ridotte creano un'enorme superficie interna, essenziale per aspirare il calore nel refrigerante liquido che scorre attraverso i canali.
La struttura dei microcanali è fondamentale. Il rapporto tra l'altezza delle alette (L) e la spaziatura (P) definisce il flusso del liquido.
Comprendere il flusso interno
Il modo in cui il liquido si muove attraverso questi minuscoli canali è molto importante. Gli ingegneri lo analizzano utilizzando alcune formule chiave.
Innanzitutto, calcolano il diametro idraulico del canale (Dh) , che rappresenta la dimensione effettiva del canale per il flusso del fluido. La formula è:
Dh = 2(P*L)/(P+L)
Poiché l'altezza delle alette (L) è molto maggiore della spaziatura (P), con un rapporto L/P spesso superiore a 15, questa formula si semplifica in: Dh ≈ 2PQuesto ci dice che la dimensione effettiva del canale è direttamente proporzionale alla piccola spaziatura tra le alette.
Successivamente, gli ingegneri determinano il tipo di flusso utilizzando il numero di Reynolds (Re):
Re = ρ * V * Dh / μ
In questa formula, ρ è la densità del fluido, V è la velocità e μ è la viscosità. Per una tipica piastra fredda, la velocità di flusso (V) è solitamente inferiore a 0.1 m/s . Quando calcolato, il numero di Reynolds (Re) è inferiore a 2000. Ciò conferma che il flusso è regolare e prevedibile, ovvero laminare.
Come gli ingegneri migliorano le prestazioni della piastra fredda
Grazie a questa scienza, gli ingegneri sanno esattamente cosa modificare per migliorare la piastra fredda. Gli obiettivi principali sono due:
1. Riduzione della resistenza al flusso
Per facilitare il flusso del liquido, gli ingegneri possono:
- Ridurre la velocità del flusso (V) tra le pinne.
- Ridurre la lunghezza delle pinne nella direzione del flusso.
2. Aumento del trasferimento di calore convettivo
Per raffreddare la piastra in modo più efficace, è necessario aumentare il coefficiente di scambio termico (h). Una scoperta interessante è che per questo tipo di flusso laminare, la velocità (V) non ha un effetto significativo su `h`. Quindi, hanno altre due opzioni:
- Aumentare la conduttività termica del liquido (k) scegliendo un refrigerante più efficace.
- Ridurre il diametro idraulico equivalente (Dh), il che significa essenzialmente rendere i canali ancora più piccoli e stretti.
Utilizzando questi principi e calcoli precisi, gli ingegneri possono progettare e perfezionare una piastra di raffreddamento a liquido efficiente. Questo lavoro accurato è essenziale per il futuro dell'intelligenza artificiale, garantendo che chip potenti come il GB200 possano funzionare al massimo delle loro potenzialità senza surriscaldarsi.