Revolusjon av fullstendig væskekjølte servere Effektive kjøleløsninger for CPU, minne og PCIe

 

Under bakteppet av Kinas 14. femårsplan, som legger vekt på utviklingen av den digitale økonomien, fungerer datasentre som kjerneinfrastrukturen som støtter digital transformasjon, men de står også overfor betydelig karbonutslippspress. Med økningen i chip- og serverstrømforbruk øker strømtettheten per rack, og tradisjonell luftkjøling blir gradvis begrenset når det gjelder varmespredning og energioptimalisering.

 

▲ Datasentre

 

Væskekjøling, som en ny kjøleteknologi, bruker flytende kjølevæske for å frakte bort varmen som genereres av komponenter. Sammenlignet med luftkjøling tilbyr væskekjøling flere fordeler, inkludert støtte for høyeffektsbrikker, utvidet brikkelevetid, redusert PUE (Power Usage Effectiveness) for datasentre, forbedret varmeoverføringseffektivitet, minimaliserte varmepunkter, støtte for høyere stativtettheter, redusert støy og forbedret miljøtilpasningsevne. Derfor vil væskekjøling bli en viktig del av fremtidig datasenterkonstruksjon, avgjørende for å oppnå grønn databehandling og karbonnøytralitetsmål.

 

Nodene til fullt væskekjølte servere er sammensatt av et node-chassis, hovedkort, CPU-brikker, minnemoduler, minnekaldplater, CPU-kaldplater, IO-kaldplater, strømforsyninger og strømforsyningsvarmevekslere.

 

 

I CPU Cold Plate Design

 

CPU-kaldplatemodulen er designet basert på kravene til Intel 5. generasjons Xeon-plattform skalerbar prosessor-kaldplate. Den tar hensyn til faktorer som varmespredning, strukturell ytelse, utbytte, kostnader og kompatibilitet med forskjellige materialer i kaldplatedesign, noe som resulterer i en optimalisert referansedesign. CPU-kaldplaten består primært av en aluminiumsbrakett, kaldplate og kaldplatekontakter.

 

▲ CPU Cold Plate

 

 

II Memory Liquid Cooling Design

 

Minnevæskekjøledesignet bruker en innovativ "rail tie" væskekjølende kjøleribbe, oppkalt etter sin likhet med svillene på jernbanespor når minnesporene er fullt opptatt. Denne designen kombinerer tradisjonell luftkjøling med kaldplatekjøling. Kjøleribben, som inneholder varmerør (eller laget av rent aluminium/kobber, VaporChamber, etc.), overfører varmen fra minnet til begge ender, som deretter kommer i kontakt med den kalde platen gjennom utvalgte termiske puter, slik at den flytende kjølevæsken kommer inn i den kalde platen. å bære bort varmen.

 

Minnet og kjøleribben kan settes sammen til en minimal vedlikeholdsenhet (referert til som minnemodulen) utenfor systemet ved hjelp av inventar. Minnekaldplaten er utformet med en struktur for å sikre god kontakt mellom kjøleribben og minnekaldplaten. Denne strukturen kan festes med skruer eller vedlikeholdes uten verktøy etter behov. Toppen av minnekaldplaten kjøler ned minnet, mens bunnen kan avkjøle andre varmegenererende komponenter på hovedkortet, for eksempel VR, og maksimerer bruken av minnekaldplaten. For å forenkle kaldplatedesignet, kan en adapterbrakett mellom minnet og hovedkortet introduseres for å møte høydeklaringen til forskjellige hovedkort.

 

▲ Minne kald plate

 

Sammenlignet med eksisterende rørbaserte væskekjøleløsninger på markedet, har "rail tie" væskekjølingsdesignet følgende fordeler:

 

Enkel vedlikehold:Under vedlikehold av minnet betjenes minnemodulen akkurat som en luftkjølt minnemodul, uten at det er nødvendig å fjerne kjøleribben og festene. Dette forbedrer monteringseffektiviteten og påliteligheten betraktelig, samtidig som potensiell skade på minnebrikker og termiske pads reduseres under installasjon og fjerning.

 

God kompatibilitet: TKjøleytelsen påvirkes ikke av forskjellige minnebrikketykkelser eller avstand. Løsningen støtter en minimumsminneavstand på 7,5 mm og er oppoverkompatibel. Den frakoblede utformingen av kjøleribben og kaldplaten tillater gjenbruk og standardisering av væskekjølt minne.

 

Høyere kostnadseffektivitet:Kjøleribben kan velges basert på minnestrømforbruk, og antall kjøleribber kan konfigureres i henhold til minnekravene. For en minneavstand på 7,5 mm kan denne løsningen dekke kjølebehovet til minnemoduler med strømforbruk over 30W.

 

Enkel å produsere og montere:Det er ingen væskekjølerør mellom minnespor, noe som eliminerer behovet for kompleks rørsveising og prosesskontroll. Kjøleribben kan produseres ved bruk av tradisjonell luftkjøling og standard CPU-kaldplate-produksjonsteknikker. Den termiske ytelsen er ikke følsom for toleransene mellom kjøleribben og hovedkortet i retningen vinkelrett på minnebrikkeplanet, noe som gjør monteringen enklere.

 

Høy pålitelighet:"Rail tie" væskekjølingsdesignet unngår potensiell skade på minnebrikker og termiske pads under montering og oppfyller kravene for flere innsettinger/fjerninger. I tillegg eliminerer det risikoen for signalkontaktproblemer mellom minne og stikkontakter på grunn av feiljustering, noe som i stor grad forbedrer systemets pålitelighet.

 

 

III SSD Liquid Cooling Design

 

Den innovative SSD-væskekjøleløsningen overfører varme fra SSD-området gjennom en kjøleribbe med innebygde varmerør. Varmen ledes deretter til den kalde platen utenfor SSD-området gjennom direkte kontakt med termiske puter.

 

Denne SSD-væskekjøleløsningen består hovedsakelig av en SSD-modul med kjøleribbe, SSD-kaldplate, SSD-modullåsemekanisme og SSD-brakett. Låsemekanismen på SSD-braketten sikrer riktig forhåndsbelastning for å opprettholde pålitelig langtidskontakt mellom SSD-modulen og kaldplaten. For å lette installasjonen i trange rom, har SSD-braketten en skuff-type design i dybderetningen til serveren.

 

▲ SSD Liquid Cooling Design

 

Sammenlignet med eksisterende SSD-væskekjølingsforsøk inkluderer fremskrittene i denne løsningen:

• Støtter over 30 hot-swappable innsettinger/fjerninger uten å slå seg av.
• Ingen risiko for skjæreskader på termiske grensesnittmaterialer under SSD-installasjon; låsemekanismen sikrer langsiktig kontaktpålitelighet.
• Lav produksjonskompleksitet, krever kun tradisjonell luftkjøling og CPU-kaldplate-produksjonsprosesser.
• Ingen vannveier mellom SSD-er, slik at flere SSD-er kan dele en enkelt kald plate, reduserer antallet kontakter og reduserer risikoen for lekkasje.
• Fleksibel tilpasning til forskjellige SSD-tykkelser og systemkonfigurasjoner.

 

 

IV NPCIe/OCP-kort flytende kjøledesign

 

1. PCIe flytende kjøleløsning

PCIe-kortets væskekjøleløsning er basert på det eksisterende luftkjølte PCIe-kortet. Den oppnår kjøling for den optiske modulen og hovedbrikkene på PCIe-kortet ved å utvikle en kjølemodul som kontakter systemets kaldplate. Varmen fra den optiske modulen overføres via varmerør til hovedkjøleledermodulen på PCIe-kortet, som deretter sprer varme gjennom kontakt med IO-kaldplaten ved bruk av passende termiske grensesnittmaterialer.

 

Det væskekjølte PCIe-kortet består først og fremst av en QSFP-kjøleribbeklemme, PCIe-brikkekjølermodul og PCIe-kort. QSFP-klemmen må ha tilstrekkelig elastisitet for å sikre riktig flytende kontakt under installasjonen, forhindre skade på den optiske modulen samtidig som den sikrer god kontakt for optimal kjøleytelse.

 

▲ PCIe væskekjøling

 

2. OCP 3.0 flytende kjøleløsning

OCP 3.0-kortets væskekjøleløsning ligner PCIe-kortet. Den tilpasser en væskekjølende kjøleribbe for OCP 3.0-kortet, og overfører varme fra kortets hovedbrikker til væskekjølekjøleren. Varme fjernes deretter gjennom kontakt mellom kjøleribben og systemets IO-kaldplate.

 

Væskekjølemodulen OCP 3.0 består hovedsakelig av en kjøleribbemodul, OCP 3.0-kort og dens brakett. På grunn av plassbegrensninger bruker låsemekanismen fjærskruer for å sikre langsiktig kontaktpålitelighet mellom kjøleribbemodulen og IO-kaldplaten.

 

▲ OCP 3.0 Væskekjøling

 

Gitt behovet for enkelt vedlikehold og flere hot-swappable innsettinger/fjerninger av OCP 3.0-kortet, har låsemekanismen og termiske grensesnittmaterialer blitt optimalisert for å forbedre den generelle påliteligheten og vedlikeholdsvennligheten.

 

 3. IO Cold Plate Solution 

IO-kaldplaten er en multifunksjonell kaldplate som kjøler ikke bare de varmegenererende komponentene i hovedkortets IO-område, men også de væskekjølte PCIe- og OCP 3.0-kortene.

 

▲ IO Cold Plate

 

IO-kaldplaten består primært av en aluminiumslegering og kobberrør for kjølevæskestrøm og forbedret varmeavledning. Designet må optimaliseres i henhold til hovedkortoppsettet og kravene til varmespredning. De væskekjølte PCIe- og OCP 3.0-kortmodulene kommer i kontakt med IO-kaldplaten langs angitte veier. Kjølevæskematerialene må være kompatible med systemets rørledningskjølevæske og fuktemidler.

 

▲ IO Cold Plate

 

Denne væskekjølingsløsningen for IO-kaldplaten oppfyller de flerdimensjonale monteringsbehovene til flere komponenter, ved å bruke en kombinasjon av kobber- og aluminiumsmaterialer for å løse kompatibilitetsproblemer. Det sikrer effektiv varmeavledning, reduserer kaldplatevekten med 60 % og senker kostnadene.

 

 

V Power Supply Cold Plate Design

 

Strømforsyningsvæskekjøleløsningen integrerer en ekstern luft-til-væske varmeveksler med den eksisterende luftkjølte strømforsyningen (PSU), som kjøler luften ut av PSU-viften og reduserer forvarmingseffekten på det eksterne datasentermiljøet.

 

PSU-varmeveksleren bak har en flerlagsstruktur med overlappende strømningskanaler og finner. Varmevekslerens dimensjoner er optimalisert for plass- og funksjonsbehov uten å påvirke PSU-kabelforbindelsene. Varmeveksleren er uavhengig montert på nodechassiset.

 

▲ Strømforsyning Væskekjøling

 

Denne innovative væskekjøleløsningen for strømforsyning eliminerer behovet for å utvikle nye væskekjølte PSU-er, forkorter utviklingstiden og reduserer kostnadene. Den høye tilpasningsevnen gjør at den kan brukes fleksibelt til ulike PSU-design, og sparer mer enn 60 % sammenlignet med tilpassede væskekjølte PSU-er.

 

For full-rack-applikasjoner kan en sentralisert luft-til-væske varmeveksler brukes i stedet for distribuerte bakre varmevekslere for hver PSU. Denne sentraliserte strukturen erstatter individuelle PSU-varmevekslere, og gir kjøling gjennom et system som integreres med rackets luftstrømveier, og sikrer ingen innvirkning på serverromsmiljøet.

 

En enkelt sentralisert varmeveksler kan håndtere 8 kW kjølekapasitet, og støtter minst 150PSU-er. Hovedkomponentene i den sentraliserte luft-til-væske varmeveksleren inkluderer en varmevekslerkjerne, vanninntaks- og utløpsporter, kobberkjølerør, et aluminiumshus og strømningsstyrefinger. Dette oppsettet tillater effektiv og skalerbar PSU-kjøling i datasentre med høy tetthet.

 

 

Konklusjon

 

▲ Fullt væskekjølt server

 

Væskekjølingsteknologi, som eksemplifisert ved disse optimaliserte designene, er nøkkelen til å håndtere den økende varmeeffekten til moderne datasentre samtidig som effektivitet og bærekraftsmål fremmes. Med innovasjoner innen kaldplateløsninger for CPUer, minne, SSD-er, PCIe/OCP-kort og strømforsyninger, baner disse væskekjølte serverne veien mot en fremtid med grønnere datasentre med høyere ytelse.