Dopo aver determinato parametri quali materiale, refrigerante, resistenza termica e distribuzione del flusso, la progettazione di un Piastra raffreddata a liquido AI è tutt'altro che completa. Per garantire il funzionamento stabile, efficiente e a lungo termine della piastra fredda nei sistemi pratici, è necessario concentrarsi sulla risoluzione dei seguenti tre problemi tecnici chiave:
1) Ottimizzazione della resistenza al flusso: Assicurarsi che il refrigerante possa fluire attraverso la piastra fredda a una portata sufficiente a soddisfare i requisiti di dissipazione del calore ed evitare un flusso insufficiente nel sistema.
2) Design resistente alla pressione: impedisce alla piastra fredda di deformarsi sotto la pressione di esercizio, causando gravi problemi quali la perdita di tenuta (perdite) e la scarsa adesione al chip riscaldante (aumento della resistenza termica).
3) Affidabilità operativa a lungo termine: Garantire prestazioni stabili e senza deterioramento della piastra fredda per tutta la sua durata utile, con l'obiettivo principale di prevenire l'ostruzione delle alette, la corrosione e la formazione di incrostazioni.
Questo articolo si concentrerà su questi tre aspetti, fornendo idee per l'ottimizzazione del design e suggerimenti pratici.
Ottimizzazione della resistenza al flusso della piastra fredda
Obiettivo: ridurre la resistenza al flusso e garantire che il flusso del sistema soddisfi i requisiti di raffreddamento.
Sfida: poiché la potenza dei chip GPU/ASIC supera i 1000 W e la densità di potenza aumenta (~150 W/cm²), è necessario utilizzare alette più sottili (spazio ≤ 0.15 mm), con conseguente aumento significativo della resistenza al flusso della piastra fredda.
1.1 Soluzioni convenzionali e limitazioni:
Design tradizionale: un lato della pinna riceve il liquido, l'altro lato lo riceve.
Condizioni applicabili: quando la distanza tra le alette è ≥ 0.2 mm, la resistenza al flusso è relativamente bassa (solitamente <10 kPa), il che è accettabile.
Problema: quando la distanza tra le alette è ≤ 0.15 mm, la resistenza al flusso di questo schema è troppo elevata.
1.2 Piano di ottimizzazione: ingresso superiore, uscita bilaterale Principio: il flusso tra le alette della piastra fredda è solitamente laminare e la resistenza al flusso △ P è approssimativamente proporzionale alla velocità del flusso V e alla lunghezza dell'aletta L, △ P ∝ K * V * L
Dettagli del piano:
Spostare l'ingresso direttamente sopra la zona delle pinne.
Predisporre le uscite del liquido su entrambi i lati dell'area delle alette.
Effetto di ottimizzazione:
La lunghezza del percorso del flusso L viene dimezzata (equivalente al passaggio da una singola estremità a una direzione di flusso centrale).
A parità di portata totale, la velocità del flusso V attraverso le alette si dimezza.
Pertanto, la resistenza al flusso △ P nell'area delle alette è ridotta a circa 1/4 dello schema di ingresso e uscita monolaterale.
Vantaggi: Riducono significativamente la resistenza al flusso delle piastre fredde ad alta densità di potenza e con piccolo spazio tra le alette, garantendo il flusso del sistema.
Pertanto, il canale di flusso 1-in-2-out progettato dai nostri ingegneri Kenfa Tech può risolvere il problema dell'eccessiva resistenza al flusso nelle piastre di raffreddamento a liquido AI.
Miglioramento della resistenza alla pressione della piastra fredda
Per impedire la deformazione della piastra fredda sotto pressione quando il substrato della piastra fredda è estremamente sottile (1-2 mm), garantendo una tenuta affidabile e un buon contatto con il chip.
Problema strutturale convenzionale: tipica piastra fredda con denti a pala in rame: la parte superiore delle alette non è saldata alla piastra di copertura.
Modello meccanico: equivalente a una piastra piana di dimensioni lunghezza (a) x larghezza (b), con bordi vincolati e sottoposti a pressione uniformemente distribuita (P).
Teoria della resistenza alla pressione (teoria classica del guscio):
Formula per la pressione massima ammissibile: P=β * σ * (t/b) ²
P: Pressione (MPa)
σ: Sollecitazione ammissibile del materiale (MPa)
t: Spessore della piastra di copertura (mm)
b: Larghezza della piastra perpendicolare alla direzione del rinforzo (mm) – dimensione critica
β: Fattore di forma (dipendente dal rapporto d'aspetto a:b)
Formula per lo spessore di copertura richiesto: t=b * √ (β * P/σ)
Fattore di forma β (influenza del rapporto d'aspetto a:b):
1:1,β=0.307
2:1,β=0.497
3:1,β=0.616
4:1,β=0.697
6:1,β=0.750
Pertanto, quando si determina la dimensione (axb) dell'area delle alette della piastra fredda, la riduzione della larghezza b può migliorare significativamente la massima resistenza alla pressione P. Aggiunta di nervature di rinforzo centrali: aggiunta di strutture di supporto al centro dell'area delle alette. Saldare il substrato della piastra fredda, le nervature di rinforzo e la piastra di copertura in una struttura rigida nel suo complesso. (Lasciare uno spazio di 0.05~0.1 mm tra le alette e la piastra di copertura). Effetto: riduce efficacemente la dimensione critica b (che diventa la spaziatura tra le nervature di rinforzo) nel calcolo della resistenza alla pressione, migliorando notevolmente la capacità di resistenza alla pressione. Allo stesso tempo, Saldatura delle alette superiori: saldare la parte superiore delle alette alla piastra di copertura nel suo complesso. Effetto: l'uso di alette a microcanali densi come punti di supporto migliora notevolmente la rigidità strutturale e la resistenza alla deformazione. Quando la lavorazione è eccellente, l'uso di nervature di rinforzo può essere sostituito o ridotto. Migliora significativamente la capacità di resistenza alla pressione.
Affidabilità a lungo termine del funzionamento della piastra fredda
Previene il degrado delle prestazioni (aumento della resistenza termica, diminuzione della portata, perdite) e garantisce un funzionamento stabile a lungo termine. Detriti metallici, corpi estranei di assemblaggio, prodotti di corrosione e depositi di calcare/biofilm nelle piccole fessure delle alette, ostacolando il flusso e il trasferimento di calore. Il rame subisce un assottigliamento lento e uniforme in acqua pura. Corrosione localizzata: più dannosa, tra cui corrosione da erosione (significativamente accelerata a portate superiori a 1.5 m/s) e corrosione microbica.
Corrosione acida. Conseguenze: assottigliamento delle alette, riduzione della resistenza, rottura delle guarnizioni (perdite) e degrado delle prestazioni. Allo stesso tempo, è anche soggetta a incrostazioni, con depositi inorganici come carbonato di calcio (CaCO3), carbonato di magnesio (MgCO3) e biofouling sulla superficie delle alette. Aumenta significativamente la resistenza al trasferimento di calore e riduce le prestazioni di dissipazione del calore.
Noi di Kenfa Tech forniamo in genere ai clienti soluzioni di progettazione e raccomandazioni che garantiscono una configurazione del sistema con una precisione di ≤ 50 μm (300 mesh) per filtrare particelle di grandi dimensioni come detriti metallici e scorie di saldatura
Tutti i componenti vengono puliti prima di lasciare la fabbrica per garantire l'assenza di residui di particelle di grandi dimensioni e tutte le interfacce delle tubazioni sono dotate di tappi terminali per la sigillatura. Allo stesso tempo, la qualità dell'acqua viene controllata e i valori di pH <9 devono essere attentamente controllati e monitorati. Inibitori di corrosione <10 ppm, fungicidi <12 ppm, solfuri <15 ppm, solfati <100 ppm, cloruri <50 ppm e conduttività <0.2-20 µs/cm vengono aggiunti al refrigerante in base alle proporzioni.
Conclusione:
La progettazione affidabile delle piastre di raffreddamento a liquido per intelligenza artificiale è un elemento chiave per il successo dei sistemi di dissipazione del calore ad alte prestazioni e non è una semplice estensione dei calcoli prestazionali. Questo articolo esplora tre dimensioni fondamentali:
1) Ottimizzazione della resistenza al flusso: In risposta al problema dell'aumentata resistenza al flusso causata dalla riduzione delle fessure tra le alette in condizioni di elevata densità di potenza, è stato proposto e dimostrato uno schema di ottimizzazione con "ingresso superiore e due uscite laterali". Questo schema può ridurre significativamente la caduta di pressione nell'area del microcanale a circa 1/4 rispetto al tradizionale schema di ingresso e uscita monolaterale, dimezzando la lunghezza effettiva del percorso di flusso e la velocità di flusso.
2) Miglioramento della resistenza alla pressione: Sulla base della teoria classica del guscio, sono stati chiariti gli effetti decisivi dello spessore di copertura (t), della larghezza critica (b), della tensione ammissibile del materiale (σ) e del rapporto di aspetto (β) sulla massima resistenza alla pressione (P) della piastra fredda. Sono state proposte due soluzioni ingegneristiche efficaci: l'aggiunta di nervature di rinforzo intermedie e l'utilizzo della tecnologia di saldatura a denti frontali. La prima migliora la resistenza alla pressione riducendo la dimensione critica b, mentre la seconda utilizza le alette stesse e la piastra di copertura per formare una struttura di supporto integrata, che rappresenta la soluzione preferita per migliorare la rigidità e la resistenza alla pressione.
3) Affidabilità operativa a lungo termine: Sono stati individuati sistematicamente tre rischi principali che minacciano l'affidabilità a lungo termine: ostruzione, corrosione e incrostazioni. Per controllare questi rischi, è necessario implementare un rigoroso controllo della qualità dell'acqua per il refrigerante circolante (TCS) all'interno della piastra fredda, con standard molto più elevati rispetto a quelli per l'acqua primaria (FWS). Secondo le linee guida ASHRAE, vengono dettagliati i requisiti tecnici per i parametri chiave della qualità dell'acqua (pH, inibitori di corrosione, fungicidi, concentrazione di ioni, solidi sospesi, microrganismi, ecc.).
Solo attraverso una progettazione attenta e un controllo rigoroso in queste tre dimensioni la piastra di raffreddamento può mantenere eccellenti prestazioni di dissipazione del calore, integrità strutturale e stabilità del sistema durante carichi elevati e funzionamento a lungo termine, garantendo un raffreddamento affidabile per dispositivi elettronici ad alta potenza.
