Sélection de la structure de la plaque de refroidissement liquide pour centre de données

Avec la croissance continue de l'informatique basée sur l'IA, des services cloud, du calcul haute performance et du traitement de données à grande échelle, les centres de données sont confrontés à des charges thermiques bien plus élevées qu'auparavant. Les processeurs, les cartes graphiques, les accélérateurs d'IA et les modules de serveurs haute densité modernes génèrent une chaleur concentrée que les systèmes de refroidissement par air traditionnels ne peuvent plus dissiper efficacement.

C’est pourquoi le refroidissement liquide des centres de données est devenu une solution essentielle pour la gestion thermique de nouvelle génération. Parmi les différentes technologies de refroidissement liquide, la plaque de refroidissement liquide, également appelée plaque froide liquide ou plaque de refroidissement à eau, joue un rôle crucial dans le transfert de la chaleur des puces haute puissance vers le circuit de refroidissement.

Cependant, le choix d'une structure de plaque de refroidissement liquide adaptée ne se résume pas à choisir entre le cuivre et l'aluminium. Les ingénieurs doivent trouver un équilibre entre les performances thermiques, la perte de charge, le débit, le coût de fabrication, la compatibilité des matériaux, la fiabilité et l'efficacité du refroidissement au niveau du rack.

Pour les centres de données utilisant des processeurs, des GPU et des puces d'IA haute puissance, une conception appropriée de la plaque froide peut avoir un impact direct sur la température de la puce, la stabilité du système, la puissance de pompage, l'efficacité énergétique et le coût d'exploitation à long terme.

Pourquoi les plaques de refroidissement liquide deviennent-elles essentielles dans les centres de données ?

Le refroidissement par air traditionnel utilise des ventilateurs et des dissipateurs thermiques pour évacuer la chaleur des serveurs. Cette méthode fonctionne pour des charges thermiques modérées, mais à mesure que la puissance des puces augmente, le refroidissement par air présente plusieurs limites :

• consommation électrique du ventilateur plus élevée

• capacité d'évacuation de chaleur limitée

• différence de température plus élevée entre l'entrée et la sortie du serveur

• Points chauds autour des processeurs, des GPU et des accélérateurs d'IA

• difficulté à refroidir les configurations de racks denses

• plus de bruit et une efficacité énergétique moindre

• Évolutivité limitée pour les clusters d'IA et de calcul haute performance

Une plaque de refroidissement liquide pour centre de données résout ces problèmes en plaçant un canal de liquide de refroidissement près de la source de chaleur. La chaleur est transférée de la puce à la base froide de la plaque, puis évacuée par la circulation du liquide de refroidissement.

Comparé au refroidissement par air, le refroidissement liquide offre une efficacité de transfert thermique bien supérieure, car le liquide possède une meilleure capacité de transport de chaleur que l'air. De ce fait, les plaques froides à liquide sont particulièrement adaptées aux applications suivantes :

• refroidissement des serveurs d'IA

• refroidissement du GPU

• refroidissement du processeur

• refroidissement des clusters HPC

• refroidissement de rack haute densité

• refroidissement des centres de données périphériques

• infrastructure de cloud computing

• électronique de puissance à l'intérieur des systèmes de centres de données

Pour les centres de données qui évoluent vers une densité de puissance plus élevée, le refroidissement liquide n'est plus seulement une option de pointe ; il devient une stratégie de gestion thermique indispensable.

facteurs clés dans le choix de la structure des plaques de refroidissement liquide

La structure « optimale » d'une plaque de refroidissement liquide dépend des conditions de fonctionnement réelles. Une plaque froide présentant la plus faible résistance thermique n'est pas toujours le meilleur choix si elle engendre une chute de pression trop importante ou si son coût de fabrication est trop élevé.

Avant de choisir une plaque froide à liquide sur mesure, les ingénieurs doivent évaluer les facteurs suivants.

1. Charge thermique et flux de chaleur

La première étape consiste à définir la charge thermique totale du composant. Celle-ci est généralement mesurée en watts. Par exemple, un GPU haute puissance ou un accélérateur d'IA peut générer plusieurs centaines de watts, voire plus, tandis que plusieurs puces sur une même carte peuvent créer une charge thermique combinée bien plus importante.

Outre la puissance totale, le flux thermique est également important. Le flux thermique décrit la concentration de chaleur dans une zone spécifique. Une puce présentant un flux thermique élevé nécessite une dissipation thermique plus rapide et une structure de plaque froide interne plus efficace.

Pour les GPU haute puissance et les puces d'IA, le débit peut souvent se situer dans la plage de 1 à 3 lpm par plaque froide, en fonction de la puissance de la puce, du type de liquide de refroidissement, de l'objectif de chute de pression et des exigences de résistance thermique.

2. résistance thermique

La résistance thermique est l'un des indicateurs les plus importants des performances d'une plaque froide. Une résistance thermique plus faible signifie que la plaque froide peut transférer la chaleur plus efficacement de la puce au fluide de refroidissement.

Cependant, la résistance thermique est influencée par de nombreux facteurs :

• matériau de plaque froide

• épaisseur de base

• structure du canal interne

• débit du liquide de refroidissement

• planéité de la surface de contact

• matériau d'interface thermique

• taille de la puce et répartition de la chaleur

• qualité de fabrication

• température d'entrée du liquide de refroidissement

Une plaque froide à microcanaux haute performance peut offrir une très faible résistance thermique, mais elle peut également augmenter la chute de pression et la complexité de fabrication.

3. Perte de charge et puissance de pompage

La perte de charge est un autre facteur clé dans la conception des plaques de refroidissement liquide. Si le canal interne est trop étroit ou trop complexe, le fluide de refroidissement peut subir une forte résistance à l'écoulement. Cela nécessite des pompes plus puissantes et augmente la consommation d'énergie.

Dans une seule plaque froide, la chute de pression peut sembler gérable. Mais dans une baie de centre de données complète avec plusieurs serveurs et plusieurs plaques froides, la chute de pression devient un problème à l'échelle du système.

Une bonne plaque de refroidissement liquide pour centre de données doit non seulement évacuer efficacement la chaleur, mais aussi maintenir des performances hydrauliques satisfaisantes. Ceci contribue à réduire la puissance de pompage et à améliorer l'efficacité globale du système de refroidissement.

4. répartition du flux

Pour les modules multi-puces, les processeurs, les GPU ou les cartes d'accélération de grande taille, une distribution uniforme du liquide de refroidissement est essentielle. Une mauvaise répartition du flux peut entraîner une diminution du refroidissement dans certaines zones, créant ainsi des points chauds localisés.

La structure interne de la plaque froide doit assurer une répartition uniforme du liquide de refroidissement sur la zone de la source de chaleur. Ceci est particulièrement important pour le refroidissement des puces d'IA et des GPU haute densité, où la chaleur est concentrée et les marges thermiques faibles.

5. Sélection des matériaux

Le choix des matériaux influe sur les performances thermiques, le coût, le poids, la résistance à la corrosion et le processus de fabrication.

Les deux matériaux les plus courants pour les plaques froides liquides sont l'aluminium et le cuivre.

Pour les centres de données, les plaques froides en aluminium sont souvent privilégiées en raison de leur coût et de leur légèreté avantageux. Les plaques froides en cuivre sont quant à elles préférées lorsque le flux thermique des puces est très élevé et que les performances thermiques sont primordiales.

6. Méthode de fabrication

Les différentes méthodes de fabrication entraînent des structures de plaques froides, des coûts et des niveaux de performance différents.

Les méthodes de fabrication courantes comprennent :

• usinage CNC

• brasage

• soudage par friction-malaxage

• brasage sous vide

• fabrication d'ailerons équarris

• traitement par microcanaux

• liaison cuivre-aluminium

• estampage et formage pour certains modèles en grande série

Pour un fabricant de plaques froides liquides sur mesure, l'essentiel n'est pas seulement de concevoir un canal haute performance, mais aussi de garantir que la structure puisse être fabriquée de manière fiable à grande échelle.

Structures courantes de plaques de refroidissement liquide pour centres de données

Différentes structures de plaques froides internes sont adaptées aux différentes charges de travail des centres de données. Les principaux types comprennent les plaques froides à ailettes biseautées, les plaques froides à microcanaux, les plaques froides à topologie optimisée et d'autres structures hautes performances avancées.

1. Plaque froide liquide à ailettes biseautées

Une plaque froide à ailettes biseautées utilise de fines ailettes à l'intérieur du canal de liquide pour augmenter la surface d'échange thermique. Le fluide de refroidissement circule à travers la structure des ailettes et évacue la chaleur de la base.

Il s'agit d'une architecture relativement traditionnelle et largement répandue. Elle offre des performances stables et convient aux charges de travail générales des centres de données.

avantages des plaques froides à ailettes biseautées

• processus de fabrication mature

• bonne surface de transfert de chaleur

• adapté aux composants de moyenne à haute puissance

• rentable par rapport aux structures plus complexes

• plus facile à personnaliser pour différentes tailles

limites

• La résistance thermique peut être supérieure à celle des conceptions de microcanaux avancées

• La perte de charge dépend fortement de la densité des ailettes et du trajet de l'écoulement.

• Ce n'est pas toujours la meilleure option pour les puces d'IA à flux thermique extrêmement élevé.

Les plaques froides à ailettes biseautées conviennent au refroidissement général des serveurs, au refroidissement des processeurs et aux applications de centres de données où le coût, la fiabilité et la facilité de fabrication sont importants.

2. Plaque froide à liquide à microcanaux

Une plaque froide à microcanaux utilise des canaux internes très fins pour augmenter la surface de contact du fluide de refroidissement et améliorer les performances de transfert thermique. Cette structure fonctionne comme un dissipateur thermique à refroidissement liquide haute performance intégré à la plaque froide.

Les architectures à microcanaux sont particulièrement utiles pour les sources de chaleur à haute densité telles que les GPU, les accélérateurs d'IA et les processeurs HPC.

avantages des plaques froides à microcanaux

• très faible résistance thermique

• efficacité de transfert de chaleur élevée

• performances élevées pour les sources de chaleur concentrées

• Convient au refroidissement des puces d'IA et des GPU.

• structure compacte pour les applications à haute densité de puissance

limites

• chute de pression plus élevée que les conceptions de canaux simples

• plus sensible à la propreté du liquide de refroidissement

• plus difficile à fabriquer

• coût plus élevé que celui des plaques froides standard

• nécessite une conception soignée de la distribution des flux

Pour les centres de données d'IA modernes, les plaques froides à liquide à microcanaux deviennent de plus en plus importantes car la puissance des puces et le flux thermique augmentent rapidement.

3. Plaque froide à topologie optimisée

Une plaque froide à topologie optimisée utilise des méthodes de conception avancées pour optimiser les flux internes. L'objectif est de réduire la perte de charge tout en maintenant de bonnes performances thermiques.

Dans certaines conceptions, l'optimisation topologique peut réduire la perte de charge de plus de 20 %. Ceci peut s'avérer précieux dans les systèmes où la puissance de pompage constitue une contrainte majeure.

avantages

• chute de pression plus faible

• meilleure efficacité hydraulique

• peut être optimisé pour des configurations de puces spécifiques

• utile pour l'efficacité énergétique au niveau des racks

limites

• processus de conception plus complexe

• coûts de fabrication plus élevés

• L'amélioration des performances ne justifie pas toujours le coût

• nécessite une simulation et une validation

Les structures à topologie optimisée conviennent aux centres de données où la boucle de refroidissement doit gérer de nombreuses plaques froides et où la puissance de pompage est un facteur clé.

4. Structures de plaques froides haute puissance avancées

Pour les puces ou modules de très haute puissance, des structures avancées peuvent être nécessaires. Ces structures sont conçues pour gérer des TDP très élevés, parfois supérieurs à plusieurs milliers de watts au niveau du système.

Ces modèles peuvent combiner :

• microcanaux

• distribution du flux du collecteur

• agencement optimisé des entrées et sorties

• structures de canaux multicouches

• bases en cuivre à haute conductivité

• géométrie interne à faible perte de charge

• procédés de scellage et de soudage personnalisés

Ces plaques froides sont généralement utilisées dans les clusters d'IA, les systèmes HPC, les modules d'accélération haute puissance et les solutions de refroidissement denses au niveau des racks.

comparaison des performances des structures de plaques de refroidissement liquide

Le tableau suivant récapitule les caractéristiques de performance typiques des différentes structures de plaques froides liquides.

Le choix approprié dépend de ce que le client privilégie : la température la plus basse pour la puce, la chute de pression la plus faible, le coût le plus bas, la facilité de fabrication ou l'efficacité globale optimale du système.

résistance thermique et perte de charge : le compromis essentiel

Dans la conception des plaques froides à liquide, la résistance thermique et la perte de charge sont souvent liées.

Une structure d'ailettes plus dense ou des microcanaux plus petits peuvent réduire la résistance thermique car ils augmentent la surface d'échange thermique. Cependant, cela peut également accroître la résistance à l'écoulement, engendrant une chute de pression plus importante.

En revanche, un canal plus large peut réduire la chute de pression, mais il peut ne pas offrir des performances de transfert de chaleur suffisantes pour les puces haute puissance.

Cela crée un compromis courant en ingénierie :

Pour les applications de centres de données, l'objectif n'est pas de concevoir la plaque froide la plus performante de manière isolée, mais de concevoir la plaque froide optimale pour l'ensemble du circuit de refroidissement, incluant les pompes, les collecteurs, les raccords rapides, les unités de distribution de liquide de refroidissement et les exigences thermiques au niveau des racks.

Comment sélectionner la structure de plaque froide adaptée aux différentes applications de centres de données

Les différentes charges de travail des centres de données nécessitent des structures de plaques froides différentes.

serveurs de centre de données généraux

Pour les serveurs à processeur standard et les charges thermiques modérées, les plaques froides à ailettes en aluminium ou en cuivre peuvent offrir un bon équilibre entre performance, coût et fiabilité.

structure recommandée :

• plaque froide en aluminium ou en cuivre

• structure à canal simple ou à aileron biseauté

• débit modéré

• chute de pression faible à moyenne

• méthode de fabrication rentable

serveurs d'entraînement d'IA

Les serveurs d'entraînement d'IA utilisent généralement des GPU et des accélérateurs haute puissance. Ces puces génèrent un flux thermique important et nécessitent souvent des systèmes de refroidissement plus sophistiqués.

structure recommandée :

• plaque froide à base de cuivre

• structure de microcanaux

• distribution de flux optimisée

• capacité de débit plus élevée

• conception à faible résistance thermique

clusters HPC

Les systèmes HPC nécessitent souvent un fonctionnement stable à long terme et une efficacité de refroidissement élevée. La résistance thermique et la perte de charge doivent être contrôlées avec précision.

structure recommandée :

• plaque froide en cuivre ou en cuivre-aluminium

• Conception de microcanaux ou de collecteurs d'écoulement

• optimisation à faible perte de charge

• étanchéité et soudure fiables

• validation au niveau du système

centres de données périphériques

Les centres de données périphériques peuvent disposer d'un espace limité et être déployés dans des environnements moins contrôlés. La fiabilité et une structure compacte sont donc essentielles.

structure recommandée :

• Plaque froide en aluminium pour une conception légère

• structure de canal compacte

• traitement de surface résistant à la corrosion

• tests d'étanchéité fiables

• installation et entretien faciles

Liste de contrôle de conception pour les plaques de refroidissement liquide des centres de données

Avant de développer une plaque de refroidissement liquide sur mesure, les ingénieurs doivent confirmer les paramètres clés dès les premières étapes de la conception.

Cette liste de contrôle permet de réduire les erreurs de conception et permet au client et au fabricant de communiquer plus efficacement.

Considérations relatives à la fabrication des plaques froides pour centres de données

Une plaque froide haute performance ne doit pas seulement bien fonctionner en simulation ; elle doit également être facile à fabriquer, fiable et adaptée à un fonctionnement à long terme dans un centre de données.

1. Fiabilité d'étanchéité

Les centres de données exigent une fiabilité extrêmement élevée. Toute fuite de liquide de refroidissement peut causer de graves dommages aux serveurs et aux systèmes électriques. Par conséquent, les plaques froides doivent subir des tests d'étanchéité et de pression rigoureux.

2. Contrôle de la corrosion

Lors de l'utilisation de plaques froides en aluminium, la compatibilité du liquide de refroidissement et la protection contre la corrosion doivent être soigneusement étudiées. Le traitement de surface et la composition chimique du liquide de refroidissement sont essentiels à la fiabilité à long terme.

3. Planéité et état de surface

La surface de contact entre la puce et la plaque froide doit être suffisamment plane et lisse pour réduire la résistance thermique d'interface. Une mauvaise planéité peut entraîner une pression de contact inégale et des points chauds.

4. Propreté intérieure

Pour les plaques froides à microcanaux, la propreté interne est primordiale. De petites particules peuvent obstruer les microcanaux et affecter les performances de refroidissement. Un nettoyage et un contrôle rigoureux sont donc indispensables en cours de production.

5. Production à grande échelle

Les projets de centres de données nécessitent souvent une production par lots. La conception d'une plaque froide doit être optimisée non seulement pour ses performances, mais aussi pour la reproductibilité de la fabrication, le contrôle qualité et la stabilité des coûts.

Comment Kingka soutient les projets de plaques de refroidissement liquide pour centres de données

Kingka propose des plaques froides à liquide personnalisées, des plaques de refroidissement à eau, des plaques froides à liquide FSW, des plaques froides usinées CNC, des plaques froides en aluminium, des plaques froides en cuivre et des solutions complètes de gestion thermique pour les applications électroniques haute puissance et les centres de données.

Pour les projets de refroidissement de centres de données, Kingka peut apporter son soutien :

• conception structurelle de la plaque froide

• sélection des matériaux

• optimisation des canaux internes

• développement de plaques froides à microcanaux

• fabrication de plaques froides à ailettes biseautées

• usinage CNC

• soudage par friction-malaxage

• brasage et soudage

• traitement de surface

• test d'étanchéité

• évaluation de la chute de pression

• conception personnalisée basée sur les dessins du client

L'assistance technique de Kingka est axée sur la performance pratique, la faisabilité de fabrication, la maîtrise des coûts et la fiabilité à long terme. Au lieu de simplement choisir une structure de plaque froide, nous aidons nos clients à évaluer l'ensemble du système thermique et à sélectionner la solution la plus adaptée à leur application.

Résumé de la sélection de la structure de la plaque froide

Le choix de la structure de plaque de refroidissement liquide adaptée à un centre de données nécessite un équilibre entre les performances thermiques, la perte de charge, le coût de fabrication, le choix des matériaux et la fiabilité du système.

Pour les serveurs de centres de données classiques, les plaques froides à ailettes biseautées ou à canaux simples constituent une solution pratique et économique. Pour les puces d'IA haute densité, les GPU et les processeurs HPC, des plaques froides à microcanaux ou des collecteurs de conception avancée peuvent être nécessaires afin de réduire la résistance thermique. Dans les systèmes où la puissance de pompage est primordiale, les plaques froides à topologie optimisée contribuent à réduire les pertes de charge et à améliorer le rendement hydraulique.

La meilleure plaque froide liquide n'est pas toujours la plus complexe. C'est sa structure qui correspond à la charge thermique réelle, au débit, à la limite de perte de charge, aux exigences en matière de matériaux, au budget de fabrication et à l'architecture de refroidissement au niveau du rack.

Kingka propose des plaques de refroidissement liquide sur mesure, des plaques de refroidissement à eau, des dissipateurs thermiques et des solutions complètes de gestion thermique pour les centres de données, les serveurs d'IA, les systèmes HPC et l'électronique de puissance. Grâce à son expertise des matériaux, sa conception structurelle, sa fabrication de précision et ses tests de fiabilité, Kingka aide ses clients à concevoir des solutions de refroidissement efficaces, stables et évolutives pour les centres de données de nouvelle génération.