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Die Rolle von Kühlkörpern in Serverkühlsystemen
In der heutigen digitalen Landschaft bilden Server die zentrale Infrastruktur für Rechenaufgaben – von Spielen und Bilderkennung bis hin zu wissenschaftlicher Forschung und technischen Simulationen. Router und Switches ergänzen sie durch die Organisation und Übertragung von Datensignalen. Mit zunehmender Komplexität dieser Produkte wird ein effektives Wärmemanagement – insbesondere aus struktureller Sicht – immer wichtiger. Die drei wichtigsten Serverformate – Tower-, Rack- und Blade-Server – stellen jeweils einzigartige Anforderungen an die Kühlung.
Grundlagen des Wärmemanagements in Datengeräten
Server, Router und Switches basieren alle auf einer modularen Architektur, bei der die Komponenten spezialisiert sind und zusammenarbeiten. Die forcierte Luftkühlung bleibt die vorherrschende Temperaturregelungsstrategie und wird dies voraussichtlich auch in naher Zukunft bleiben. Die Flüssigkeitskühlung gewinnt zwar an Bedeutung, aktuelle Prognosen gehen jedoch davon aus, dass sie in neuen Rechenzentren erst 2025 eine Durchdringungsrate von 50 % erreichen wird. Zu den wichtigsten thermischen Komponenten luftgekühlter Server gehören Lüfter, Kühlkörper (z. B. extrudierte, Heatpipe- oder Vapor-Chamber-Modelle) und thermische Schnittstellenmaterialien (TIMs).
Kühlkörper und CPU-Wärmedesign
Die CPU ist die thermisch kritischste Komponente eines Servers. x86-Prozessoren sind nach wie vor weit verbreitet, obwohl ARM-basierte Optionen auf dem Vormarsch sind. Die meisten modernen Server-CPUs verbrauchen über 140 W, einige erreichen sogar eine Thermal Design Power (TDP) von über 400 W. Beachten Sie, dass die TDP die maximale Wärme widerspiegelt, die ein Kühlsystem sicher bewältigen kann – nicht die absolute Spitzenleistung des Chips.
Server-CPUs verwenden typischerweise LGA-Gehäuse (Land Grid Array), die einen einfachen Austausch ermöglichen, aber einen höheren Montagedruck erfordern und mehr vertikalen Raum einnehmen. Diese Einschränkung begrenzt den verfügbaren Platz für Kühlrippenstrukturen und erfordert die Verwendung dickerer Grundplatten, um Verformungen unter Druck zu verhindern. Infolgedessen weisen Kühlkörper in diesen Konfigurationen tendenziell eine reduzierte Lamellenfläche und einen höheren Luftstromwiderstand auf.
SOC und Hochleistungsverpackungen in Switches und Routern
Im Gegensatz zu Servern werden bei Switches und Routern häufig BGA-Gehäuse (Ball Grid Array) verwendet, die bei der Installation weniger Belastungen ausgesetzt sind. Allerdings kann auch die Leistungsaufnahme von High-End-Switching-Chips 400 W überschreiten. Viele Hersteller entfernen daher die Chipabdeckungen, um den Wärmewiderstand zwischen den Kontaktstellen und der Oberfläche zu verringern. Dadurch wird der blanke Chip dem Kühlkörper ausgesetzt.
Diese Bare-Die-Konfiguration stellt die TIM-Auswahl vor große Herausforderungen. Größere Wafer neigen zum Verziehen, und Wärmeleitpasten mit geringem Widerstand können Höhenunterschiede nur schwer ausgleichen oder haften nur schwer auf glatten Siliziumoberflächen. TIM 1.5, ein Material, das Bare-Die und Kühlkörper direkt verbindet, ist zu einem Innovationsschwerpunkt geworden. Ideale TIM 1.5-Materialien müssen Folgendes bieten:
·Niedriger Wärmewiderstand
·Starke Haftung und Dehnung, um dem Auspumpen zu widerstehen
·Mechanische Belastbarkeit über Temperaturzyklen hinweg
Zu den vielversprechenden Entwicklungen gehören:
1.Flexible Metallpads – Hohe Wärmeleitfähigkeit und Festigkeit, derzeit jedoch durch schlechte Oberflächenbenetzung eingeschränkt. Oberflächenbehandlungen können den Grenzflächenwiderstand deutlich reduzieren.
2.Keramik- oder Metallkernsubstrate – Diese passen sich dem Wärmeausdehnungskoeffizienten von Silizium besser an als herkömmliche Harzplatten, wodurch Verformungen reduziert werden.
3.Strukturelle Designanpassungen – Einbeziehung hochmoduliger Stützelemente zur Aufnahme thermischer Spannungen ohne Verformung.
Wärmeminderung bei Speicher und Komponenten
DIMMs werden vertikal montiert, um den Serverplatz zu maximieren. Diese Anordnung schränkt jedoch die Kühlmöglichkeiten ein. Daher werden CPU-Kühlkörper oft seitlich verlängert, um die Wärmeableitung zu verbessern. Es gibt zwei gängige Designs:
·Upstream-Erweiterung: Kühlrippen befinden sich vor den DIMMs und werden zuerst mit kühler Luft versorgt. Dadurch wird die CPU effektiv gekühlt, die Zuluft für die Speichermodule erwärmt sich jedoch.
·Downstream-Erweiterung: Die Lamellen befinden sich hinter den DIMMs und nehmen vorgewärmte Luft auf. Dies beeinträchtigt die CPU-Kühlung etwas, sorgt aber für eine bessere Luftzirkulation im Speicher.
Ein wichtiger Teil des thermischen Designs besteht darin, ein Gleichgewicht zwischen den thermischen Anforderungen von CPU und Speicher zu finden.
Andere Komponenten wie PCH-Chips, Kondensatoren und Treiber-ICs weisen typischerweise eine geringere Wärmebelastung auf. Ihr Kühlbedarf wird oft durch einfache extrudierte Kühlkörper gedeckt.
Kühlkörpertypen in Kommunikationsgeräten
Bei Servern, Switches und Routern werden drei Hauptkühlkörpertypen verwendet:
1.Heatpipe-gelötete Kühlkörper – Ideal für die Übertragung von Wärme von der Quelle zu entfernten Lamellen unter voller Ausnutzung des verfügbaren Volumens.
2.Kühlkörper aus extrudiertem Aluminium – Kostengünstig und für mittlere Leistungslasten geeignet.
3.Kühlkörper mit geschälten Lamellen – Sorgen Sie für ein gutes Gleichgewicht zwischen Leistung und Herstellbarkeit.
Hochleistungsserver verwenden häufig „Horn“-Kühlkörper, bei denen Heatpipes die Wärme von der CPU zu verlängerten Lamellen außerhalb des Speicherbereichs leiten. Bei Chipleistungen über 500 W reichen herkömmliche Heatpipe-Designs jedoch aufgrund von Größenbeschränkungen möglicherweise nicht aus. In solchen Fällen sind fortschrittliche Lösungen wie 3D-Dampfkammer (3D VC)Module werden bereitgestellt.
Thermisches Risiko in der Netzwerkinfrastruktur
Switches und Router ermöglichen den internen Datenaustausch und den externen Netzwerkzugriff. Je nach Durchsatzanforderungen variieren Formfaktor und Integrationsgrad. Wie bei Servern ist auch bei ihnen der SOC-Chip das Hauptproblem hinsichtlich der Wärmeentwicklung.
Eine besondere Herausforderung bei diesen Geräten ist die Kühlung optische Transceiver, die sich aufgrund ihrer kompakten Form und der schlechten Wärmeleitfähigkeit nicht gut für herkömmliche Kühlkörper eignen. Dies ist zu einem Engpass bei Hochgeschwindigkeits-Kommunikationshardware geworden.
Leistungsstarke, in Racks montierte Router und Switches verwenden häufig Blade-Module, die durch Gehäuselüfter gekühlt werden. SOCs werden in diesen Fällen mit Heatpipe- oder Vapor-Chamber-Kühlkörpern kombiniert, um die Temperaturkonformität zu gewährleisten.
Abschließende Gedanken
Effektives Kühldesign Bei der Entwicklung von Servern und Netzwerkgeräten müssen Verpackung, Leistungsdichte, Luftströmungswege und mechanische Einschränkungen berücksichtigt werden. Da der Stromverbrauch weiter steigt, sind fortschrittliche Wärmeleitmaterialien, Verpackungsstrategien und Kühlkörperdesigns für eine zuverlässige und leistungsstarke Computerinfrastruktur unerlässlich.
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