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El rápido desarrollo de la computación de IA está empujando a los procesadores de servidores hacia un mayor consumo de energía y una mayor densidad de flujo de calor.A medida que la computación basada en GPU se vuelve cada vez más importante para el entrenamiento y la inferencia de IALa gestión térmica ya no es simplemente una cuestión de seleccionar un disipador de calor más grande.La interfaz térmica entre la fuente de calor y la estructura de refrigeración puede tener un impacto significativo en el rendimiento general del sistema.
Para los servidores de IA de alta densidad, los diferentes componentes generan diferentes niveles de calor y tienen diferentes geometrías de interfaz.mientras que la memoria y los componentes auxiliares pueden necesitar materiales delgados y conformablesLos componentes de potencia de los PCB pueden requerir tanto conductividad térmica como aislamiento eléctrico, mientras que las estructuras a nivel del sistema pueden beneficiarse de la propagación lateral del calor.
Este caso de cliente muestra cómo una combinación deTIM de metal líquido, material de cambio de fase, almohadillas térmicas y materiales de interfaz térmica a base de grafenopuede utilizarse para construir una estrategia de gestión térmica de varios niveles para sistemas informáticos de IA de alta densidad.
Los servidores modernos de IA integran múltiples GPU, CPU, dispositivos de memoria, componentes de energía y otros elementos generadores de calor de alto rendimiento en un espacio relativamente compacto.
Esto crea varios desafíos térmicos.
Los procesadores de alto rendimiento generan calor concentrado en áreas relativamente pequeñas.la resistencia térmica entre el chip y la estructura de enfriamiento se vuelve cada vez más importante.
Incluso cuando una placa de frío o un disipador de calor tiene una capacidad de enfriamiento suficiente, una interfaz mal diseñada puede limitar la transferencia de calor.
Las arquitecturas de servidores de IA contienen componentes con diferentes alturas de paquetes y geometrías de superficie.aumento de la resistencia térmica.
Por consiguiente, el TIM debe proporcionar una conformidad suficiente y cubrir los huecos sin introducir un espesor innecesario del material.
Los componentes de potencia y los conjuntos de PCB pueden requerir una gestión térmica mientras se mantiene el aislamiento eléctrico.
También puede ser necesario tener en cuenta la conformidad mecánica, el rendimiento de compresión, el método de ensamblaje y las propiedades dieléctricas.
Si el calor no puede ser distribuido de manera efectiva, pueden desarrollarse puntos calientes localizados en el disipador de calor, chasis,o otras estructuras térmicas.
Esto hace que la propagación de calor sea una parte importante del diseño térmico general del servidor de IA.
En lugar de utilizar un TIM para cada componente, el proyecto adoptó una estrategia de materiales específica de la aplicación.
Cada interfaz térmica se evaluó de acuerdo con su generación de calor, la brecha de interfaz, el objetivo de resistencia térmica, los requisitos mecánicos y los requisitos eléctricos.
La arquitectura resultante combinó cuatro tecnologías TIM diferentes:
| Zona térmica | Tecnología TIM | Propiedad térmica comunicada | Función primaria |
|---|---|---|---|
| GPU / CPU | TIM de metales líquidos | Hasta 78 W/m·K | Minimizar la resistencia térmica de la interfaz |
| Memoria / chips auxiliares | Material de cambio de fase | 5.0 W/m·K | Interfaz fina y conformidad de las lagunas |
| PCB / componentes de energía | Pad térmico | 16 W/m·K | Transferencia térmica y aislamiento eléctrico |
| Áreas de difusión del calor | El grafeno TIM | Hasta 130 W/m·K en el plano | Distribución lateral del calor |
Este enfoque permite a cada material realizar la función para la que es más adecuado.
La GPU y la CPU suelen estar entre los componentes más exigentes térmicamente en un servidor de IA.
Para estas interfaces, el objetivo principal es minimizar la resistencia térmica entre el paquete de semiconductores y la estructura de enfriamiento.
El proyecto utilizó TIM de metal líquido de la serie TIG78 para interfaces de alta potencia.
De acuerdo con los datos de casos suministrados, el material proporciona:
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conductividad térmica de hasta78 W/m·K
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Impedancia térmica declarada tan baja como0.02 °C·in2/W
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Rango de temperatura de funcionamiento de-45 °C a 200 °C
La combinación de alta conductividad térmica y baja impedancia térmica informada ayuda a establecer una ruta eficiente de transferencia de calor desde el procesador hasta el disipador de calor o la estructura de refrigeración.
El TIM de metal líquido puede ser particularmente atractivo para aplicaciones de alta potencia donde cada incremento de la resistencia térmica de la interfaz es importante.
Sin embargo, los ingenieros también deben considerar el aislamiento eléctrico, la compatibilidad del material, el proceso de aplicación, la contención y la fiabilidad a largo plazo al diseñar una interfaz de metal líquido.
No todas las interfaces térmicas en un servidor de IA requieren la resistencia térmica extremadamente baja asociada con el metal líquido.
La memoria y los componentes auxiliares a menudo tienen diferentes requisitos térmicos y pueden beneficiarse de un material de interfaz muy delgado capaz de ajustarse a las superficies de apareamiento.
Para estas aplicaciones se seleccionó el material de cambio de fase TIC800.
Las especificaciones suministradas incluyen:
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Conductividad térmica:5.0 W/m·K
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Rango de espesor:0.102 ∼ 0,305 mm
Durante el funcionamiento, el comportamiento de cambio de fase permite que el material se ajuste a la interfaz en condiciones apropiadas, ayudando a minimizar los huecos de aire microscópicos.
Para arquitecturas de servidores de IA compactas, una interfaz de cambio de fase delgada puede proporcionar un equilibrio práctico entre el rendimiento térmico, la conformidad de la interfaz y la integración a nivel de paquete.
Los requisitos de gestión térmica son diferentes en torno a la electrónica de potencia y los componentes de PCB.
Estas zonas pueden tener superficies irregulares o variaciones de altura de los componentes y también pueden requerir aislamiento eléctrico.
Para estas aplicaciones se utilizó una almohadilla térmica TIF800TU-16W.
Los datos del producto suministrados indican:
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Conductividad térmica:16 W/m·K
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Dureza:45 Costa 00
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Opciones de espesor:0.5 ∙ 5.0 mm
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Características de aislamiento térmico y eléctrico
En comparación con el metal líquido, una almohadilla térmica proporciona una interfaz de estado sólido más conveniente para aplicaciones donde el llenado de huecos, el cumplimiento mecánico, el aislamiento y la eficiencia del ensamblaje son importantes.
La capacidad de seleccionar diferentes espesores también permite al material acomodar diferentes espacios entre componentes y disipadores de calor.
La gestión del calor en la interfaz de chip a disipador de calor es sólo una parte del desafío térmico.
En los sistemas de IA de alta densidad, el calor localizado también puede acumularse en disipadores de calor, estructuras de chasis y otras partes de la trayectoria térmica.
Para estas aplicaciones, los materiales de interfaz térmica a base de grafeno pueden proporcionar una función adicional de propagación del calor.
Los datos del proyecto proporcionados indican una conductividad térmica en el plano de hasta:
El valor de las emisiones de gases de efecto invernadero
El objetivo principal no es simplemente transferir calor verticalmente a través de la interfaz, sino que la alta conductividad térmica en el plano ayuda a distribuir el calor localizado en un área más grande.
Las aplicaciones potenciales incluyen:
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Placas de base para disipadores de calor
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Difusión térmica del chasis
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Sistemas con múltiples GPU
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Gestión de puntos de acceso localizados
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Equalización de la temperatura
Debido a que los materiales térmicos basados en grafeno pueden mostrar un comportamiento térmico anisotrópico,Los ingenieros deben evaluar el rendimiento térmico tanto en el plano como en el plano a través de acuerdo con la dirección real del flujo de calor.
Un error común en el diseño térmico es seleccionar un TIM basado solo en su conductividad térmica.
En realidad, el rendimiento térmico depende de la interfaz completa.
Por ejemplo, un material con conductividad térmica extremadamente alta puede no ser la mejor opción si la aplicación requiere:
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Relleno de huecos grandes
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Aislamiento eléctrico
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Alta compresibilidad
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Fácil de montar
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Conformidad de superficies complejas
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Distribución automática
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Baja tensión mecánica
Por el contrario, una almohadilla térmica con conductividad térmica moderada puede ser más adecuada para un componente de potencia de PCB si el aislamiento eléctrico y la compensación de la brecha son críticos.
Por lo tanto, el proceso de selección debe comenzar con elrequisitos de interfaz térmica, en lugar de simplemente preguntar qué TIM tiene el valor más alto de W/m·K.
Una estrategia de selección simplificada para la gestión térmica de los servidores de IA es:
Considere un TIM de baja resistencia como el metal líquido cuando la aplicación admita las condiciones eléctricas, mecánicas, de compatibilidad y fiabilidad requeridas.
Los materiales de cambio de fase pueden proporcionar una interfaz delgada y conformable para espacios controlados.
Las almohadillas térmicas pueden proporcionar una combinación de transferencia térmica, aislamiento eléctrico, llenado de huecos y cumplimiento mecánico.
Los materiales de interfaz térmica a base de grafeno pueden ayudar a distribuir el calor lateralmente y reducir la concentración de temperatura.
Esto crea una arquitectura térmica en la que cada material tiene un papel claramente definido.
De acuerdo con los materiales del proyecto suministrados, las soluciones de gestión térmica se evaluaron en aplicaciones de servidores de IA y centros informáticos inteligentes.
Un proyecto de servidor de IA reportado para un proveedor de servicios en la nube logró:
Temperatura del chip: 88°C → 65°C
En el mismo caso, se informó de unMejora del 28% del rendimiento informático.
En otro proyecto inteligente de optimización de refrigeración del centro de computación, los datos suministrados informaron:
PUE: 1,42 → 1.08
Los materiales del proyecto también reportaron ahorros anuales de electricidad de más de5 millones de kWh.
Para un servidor de inteligencia artificial de alto rendimiento desarrollado por nosotros mismos, el material de caso suministrado informó:
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10,000 horasde funcionamiento continuo
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Fluctuación de la temperatura de≤ ± 2°C
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Cero fallas reportadas
Estas cifras deben verificarse con las condiciones de ensayo aplicables, los informes de ensayo, las aprobaciones de los clientes y las especificaciones finales del producto antes de su publicación externa.
La lección más importante de este proyecto es que la gestión térmica del servidor de IA debe considerarse como una trayectoria térmica completa.
El sistema de enfriamiento incluye más que la GPU y la placa fría.
También incluye:
Semiconductor → TIM → Distribuidor de calor / placa de frío → disipador de calor → chasis → sistema de enfriamiento
Cualquier resistencia térmica significativa dentro de este camino puede afectar a la temperatura final del sistema.
Es por ello que diferentes tecnologías TIM pueden trabajar juntas dentro del mismo servidor.
El metal líquido puede reducir la resistencia térmica en las interfaces de chips de alta potencia.
El material de cambio de fase puede proporcionar interfaces delgadas y conformables.
Las almohadillas térmicas pueden acomodar huecos más grandes mientras proporcionan aislamiento eléctrico.
Los materiales basados en grafeno pueden propagar el calor lateralmente y mejorar la uniformidad de la temperatura.
Juntas, estas tecnologías proporcionan un enfoque más flexible para la gestión térmica de servidores de IA de alta densidad.
Una estrategia térmica de múltiples materiales adecuadamente diseñada puede proporcionar varios beneficios:
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Resistencia térmica de la interfaz inferior
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Mejor compensación de la brecha
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Mejora de la seguridad eléctrica
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Mejora de la uniformidad de la temperatura
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Mayor flexibilidad en el diseño
A medida que los servidores de IA continúan evolucionando hacia una mayor densidad de potencia de la GPU, arquitecturas compactas y sistemas de enfriamiento avanzados,Los materiales de interfaz térmica desempeñarán un papel cada vez más importante en el mantenimiento del rendimiento informático y la fiabilidad del sistema.
La clave no es simplemente elegir el TIM con la mayor conductividad térmica.
Una solución exitosa de gestión térmica debe considerar la combinación completa de:
Conductividad térmica + resistencia térmica + espacio + compresión + aislamiento eléctrico + proceso de ensamblaje + fiabilidad
En este proyecto del cliente, una combinación deTIM de metal líquido, material de cambio de fase, almohadillas térmicas de alta conductividad térmica y materiales de interfaz térmica a base de grafenose utilizó para dirigir diferentes interfaces térmicas en un servidor de IA de alta densidad.
Este enfoque específico de la aplicación proporciona una vía flexible para gestionar tantopuntos de acceso a nivel del chip y distribución de calor a nivel del sistema, apoyando el desarrollo continuo de una infraestructura informática de IA de alto rendimiento.
Para las interfaces GPU-enfriamiento de alta potencia, se pueden considerar materiales de baja resistencia térmica como el metal líquido cuando la aplicación cumple con los requisitos eléctricos requeridos,Mecánico, compatibilidad y fiabilidad.
Las almohadillas térmicas siguen siendo útiles para interfaces que requieren llenar huecos, aislamiento eléctrico, conformidad mecánica y montaje conveniente.Son especialmente adecuados para aplicaciones de PCB y componentes de potencia..
Los materiales de cambio de fase pueden proporcionar una interfaz delgada al tiempo que mejoran la conformidad con las superficies de apareamiento en condiciones de funcionamiento adecuadas.Pueden ser útiles para la memoria y otras interfaces de componentes compactos.
Los materiales de interfaz térmica a base de grafeno se pueden utilizar para la propagación lateral del calor y la ecualización de la temperatura.Su alta conductividad térmica en el plano las hace particularmente interesantes para la gestión de puntos de acceso y la distribución térmica a nivel del sistema.
El espesor del TIM debe basarse en el hueco real de la interfaz, la tolerancia de los componentes, la compresión requerida y el rango de aplicación recomendado por el fabricante.mientras que el espesor excesivo puede aumentar la resistencia térmica.
Sí, los diferentes componentes tienen diferentes requisitos térmicos y mecánicos.y materiales a base de grafeno dentro de diferentes partes de la misma arquitectura térmica.
ZIITEK proporciona múltiples tecnologías de interfaz térmica y puede evaluar la selección de TIM basándose en la conductividad térmica, la resistencia térmica, el hueco, la dureza, el aislamiento eléctrico, el proceso de montaje,temperatura de funcionamiento, y los requisitos de fiabilidad.