Die Rolle von Kühlkörpern in Serverkühlsystemen

Grundlagen des Wärmemanagements in Datengeräten

Server, Router und Switches arbeiten alle mit einer modularen Architektur, in der die Komponenten spezialisiert sind und zusammenarbeiten. Die Zwangsluftkühlung ist nach wie vor die dominierende Temperaturregelungsmethode und wird voraussichtlich auch in naher Zukunft relevant bleiben. Flüssigkeitskühlung gewinnt zwar an Bedeutung, aktuelle Prognosen gehen jedoch davon aus, dass sie in neuen Rechenzentren erst 2025 eine Marktdurchdringung von 50 % erreichen wird. Zu den wichtigsten thermischen Komponenten luftgekühlter Server gehören Lüfter, Kühlkörper (z. B. extrudierte Kühlkörper, Heatpipes oder Dampfkammer-Kühlkörper) und Wärmeleitmaterialien (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 Alternativen zunehmend an Bedeutung gewinnen. Die meisten modernen Server-CPUs verbrauchen über 140 W, einige sogar über 400 W (TDP). Die TDP gibt die maximale Wärme an, die ein Kühlsystem sicher abführen kann – nicht die absolute Spitzenleistungsaufnahme des Chips.

Server-CPUs verwenden typischerweise das LGA-Sockelsystem (Land Grid Array), das zwar einen einfachen Austausch ermöglicht, aber einen höheren Anpressdruck erfordert und mehr Platz in der Höhe benötigt. Diese Einschränkung begrenzt den verfügbaren Platz für Kühlrippen und erfordert dickere Grundplatten, um Verformungen unter Druck zu verhindern. Daher weisen Kühlkörper in diesen Konfigurationen tendenziell eine geringere Lamellenfläche und einen höheren Luftwiderstand auf.

SOC- und Hochleistungsgehäuse in Switches und Routern

Im Gegensatz zu Servern verwenden Switches und Router häufig BGA-Gehäuse (Ball Grid Array), die bei der Installation weniger Belastungen verursachen. Allerdings können auch High-End-Switching-Chips einen Stromverbrauch von über 400 W aufweisen, und viele Hersteller entfernen die Chipabdeckungen, um den Wärmewiderstand zwischen Sperrschicht und Oberfläche zu reduzieren – wodurch der Chip direkt dem Kühlkörper ausgesetzt wird.

Diese Konfiguration mit unbeschichteten Chips stellt die Auswahl des Wärmeleitmaterials (TIM) vor große Herausforderungen. Größere Wafer neigen zum Verziehen, und Wärmeleitpasten mit niedrigem Widerstand können Höhenunterschiede nur schwer ausgleichen oder auf glatten Siliziumoberflächen haften. TIM 1.5, ein Material, das die unbeschichtete Chipoberfläche direkt mit dem Kühlkörper verbindet, ist daher in den Fokus der Innovation gerückt. Ideale TIM-1.5-Materialien müssen folgende Eigenschaften aufweisen:

·Niedriger Wärmewiderstand

·Starke Haftung und Dehnbarkeit zur Verhinderung des Auspumpens

·Mechanische Belastbarkeit über Temperaturzyklen hinweg

Zu den vielversprechenden Entwicklungen gehören:

1.Flexible Metallplatten – Hohe Wärmeleitfähigkeit und Festigkeit, derzeit jedoch durch mangelhafte Oberflächenbenetzung eingeschränkt. Oberflächenbehandlungen können den Grenzflächenwiderstand deutlich reduzieren.

2.Keramik- oder Metallkernsubstrate – Diese passen besser zum Wärmeausdehnungskoeffizienten von Silizium als herkömmliche Harzplatten, wodurch Verformungen reduziert werden.

3.Anpassungen der baulichen Konstruktion – Einbeziehung von Stützelementen mit hohem Elastizitätsmodul zur Absorption von Wärmespannungen ohne Verformung.

Wärmeableitung für Speicher und Komponenten

DIMMs werden vertikal montiert, um den Platz im Server optimal zu nutzen. Diese Anordnung schränkt jedoch die Kühlmöglichkeiten ein. Daher werden CPU-Kühlkörper oft seitlich verlängert, um die Wärmeableitung zu verbessern. Es gibt zwei gängige Bauformen:

·Upstream-ErweiterungDie Kühlrippen des Kühlkörpers sind vor den DIMMs angeordnet und werden zuerst von kühler Luft angesaugt. Dies kühlt die CPU effektiv, erwärmt aber die einströmende Luft für die Speichermodule.

·Downstream-ErweiterungDie Kühlrippen befinden sich hinter den DIMMs und nehmen vorgewärmte Luft auf. Dies beeinträchtigt die CPU-Kühlung geringfügig, gewährleistet aber einen besseren Luftstrom für den Arbeitsspeicher.

Ein ausgewogenes Verhältnis zwischen den thermischen Anforderungen von CPU und Arbeitsspeicher herzustellen, ist ein wichtiger Bestandteil des Wärmedesigns.

Andere Komponenten wie PCH-Chips, Kondensatoren und Treiber-ICs weisen typischerweise geringere Wärmelasten auf. Ihr Kühlbedarf wird häufig durch einfache extrudierte Kühlkörper gedeckt.

Kühlkörpertypen in Kommunikationsgeräten

Bei Servern, Switches und Routern werden hauptsächlich drei Kühlkörpertypen verwendet:

1.Heatpipe-verlötete Kühlkörper – Ideal zur Wärmeübertragung von der Wärmequelle zu den entfernten Kühlrippen unter optimaler Ausnutzung des verfügbaren Volumens.

2.Extrudierte Aluminium-Kühlkörper – Kostengünstig und geeignet für mittlere Leistungslasten.

3.Kühlkörper mit abgeschrägten Lamellen – Ein gutes Gleichgewicht zwischen Leistung und Herstellbarkeit gewährleisten.

Hochleistungsserver verwenden häufig sogenannte Horn-Kühlkörper, bei denen Heatpipes die Wärme von der CPU zu verlängerten Kühlrippen außerhalb des Speicherbereichs ableiten. Übersteigt die Leistungsaufnahme des Chips jedoch 500 W, reichen herkömmliche Heatpipe-Designs aufgrund von Platzbeschränkungen möglicherweise nicht mehr aus. In solchen Fällen kommen fortschrittliche Lösungen wie … zum Einsatz. 3D-Dampfkammer (3D-VC)Module werden bereitgestellt. 

Ein bemerkenswertes Beispiel ist NVIDIAs KI-Beschleuniger H100 mit einem Stromverbrauch von über 700 W, der den kommerziellen Einzug der 3D-VC-Technologie in großem Maßstab markierte.

Thermisches Risiko in der Netzwerkinfrastruktur

Switches und Router ermöglichen den internen Datenaustausch und den Zugriff auf externe Netzwerke. Je nach Durchsatzanforderungen variieren ihre Bauform und ihr Integrationsgrad. Wie bei Servern ist die Wärmeentwicklung primär auf den SoC-Chip zurückzuführen.

Eine besondere Herausforderung bei diesen Geräten ist die Kühlung. optische TransceiverAufgrund ihrer kompakten Bauform und der unzureichenden Wärmeleitfähigkeit eignen sie sich nicht gut für herkömmliche Kühlkörper. Dies hat sich zu einem Flaschenhals bei Hochgeschwindigkeits-Kommunikationshardware entwickelt.

Hochleistungsfähige, rackmontierte Router und Switches verwenden häufig Blade-Module, die von Gehäuselüftern gekühlt werden. Die System-on-a-Chip (SoCs) in diesen Gehäusen sind mit Heatpipes oder verlöteten Dampfkammer-Kühlkörpern ausgestattet, um die Temperaturvorgaben einzuhalten.

Schlussbetrachtung

Effektives Kühldesign Bei Servern und Netzwerkgeräten müssen Gehäuse, Leistungsdichte, Luftstrom und mechanische Einschränkungen berücksichtigt werden. Angesichts des stetig steigenden Stromverbrauchs sind fortschrittliche Wärmeleitmaterialien, Gehäusestrategien und Kühlkörperdesigns unerlässlich für eine zuverlässige und leistungsstarke Computerinfrastruktur.

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