El papel de los disipadores de calor en los sistemas de refrigeración de servidores

Fundamentos de la gestión térmica en equipos de datos

Los servidores, routers y switches operan bajo una arquitectura modular, donde los componentes se especializan y cooperan. La refrigeración por aire forzado sigue siendo la estrategia dominante de control de temperatura y es probable que siga siendo relevante en el futuro próximo. La refrigeración líquida está ganando terreno, pero las previsiones actuales sugieren que no alcanzará una tasa de penetración del 50 % en los nuevos centros de datos hasta 2025. Los componentes térmicos clave de los servidores refrigerados por aire incluyen ventiladores, disipadores térmicos (como los modelos extruidos, de tubo de calor o de cámara de vapor) y materiales de interfaz térmica (TIM).

Disipadores de calor y diseño térmico de CPU

La CPU es el componente más crítico térmicamente en un servidor. Los procesadores x86 siguen siendo comunes, aunque están surgiendo opciones basadas en ARM. La mayoría de las CPU de servidor modernas consumen más de 140 W, y algunas superan los 400 W de potencia de diseño térmico (TDP). Cabe destacar que la TDP refleja el calor máximo que un sistema de refrigeración puede gestionar de forma segura, no la potencia máxima absoluta del chip.

Las CPU de servidor suelen utilizar encapsulado LGA (Land Grid Array), que facilita su sustitución, pero requiere mayor presión de montaje y ocupa más espacio vertical. Esta limitación limita el espacio disponible para las aletas del disipador y obliga al uso de placas base más gruesas para evitar la deformación bajo presión. Como resultado, los disipadores en estas configuraciones tienden a tener una superficie de aleta reducida y una mayor resistencia al flujo de aire.

SOC y empaquetado de alta potencia en conmutadores y enrutadores

A diferencia de los servidores, los conmutadores y routers suelen utilizar encapsulado BGA (Ball Grid Array), que reduce la tensión durante la instalación. Sin embargo, los chips de conmutación de alta gama también pueden superar los 400 W de consumo, y muchos fabricantes retiran las tapas de los chips para reducir la resistencia térmica entre la unión y la superficie, exponiendo la matriz desnuda al disipador.

Esta configuración de matriz desnuda plantea importantes desafíos para la selección de TIM. Las obleas más grandes tienden a deformarse, y las grasas térmicas de baja resistencia tienen dificultades para adaptarse a las variaciones de altura o adherirse a superficies lisas de silicio. TIM 1.5, un material que conecta directamente la matriz desnuda con el disipador térmico, se ha convertido en un foco de innovación. Los materiales ideales para TIM 1.5 deben ofrecer:

·Baja resistencia térmica

·Fuerte adhesión y elongación para resistir el bombeo.

·Resiliencia mecánica a través de ciclos de temperatura

Los avances prometedores incluyen:

1.Almohadillas metálicas flexibles Alta conductividad térmica y resistencia, aunque actualmente limitada por una humectación superficial deficiente. Los tratamientos superficiales pueden reducir significativamente la resistencia de la interfaz.

2.Sustratos de cerámica o núcleo metálico – Estos se adaptan mejor al coeficiente de expansión térmica del silicio en comparación con las placas de resina tradicionales, lo que reduce la deformación.

3.Adaptaciones de diseño estructural – Incorporación de elementos de soporte de alto módulo para absorber el estrés térmico sin deformarse.

Mitigación del calor de la memoria y los componentes

Las DIMM se montan verticalmente para maximizar el espacio del servidor, pero esta disposición limita las opciones de refrigeración. Por ello, los disipadores de la CPU suelen extenderse lateralmente para mejorar la disipación del calor. Existen dos diseños comunes:

·Extensión ascendenteLas aletas del disipador térmico se colocan delante de los módulos DIMM, recibiendo primero el aire frío. Esto enfría eficazmente la CPU, pero calienta el aire entrante para los módulos de memoria.

·Extensión aguas abajoLas aletas se ubican detrás de los módulos DIMM, permitiendo el paso del aire precalentado. Esto reduce ligeramente la refrigeración de la CPU, pero preserva un mejor flujo de aire para la memoria.

Lograr un equilibrio entre las necesidades térmicas de la CPU y la memoria es una parte clave del diseño térmico.

Otros componentes, como chips PCH, condensadores y circuitos integrados de controlador, suelen tener cargas térmicas más bajas. Sus necesidades de refrigeración suelen cubrirse con disipadores térmicos extruidos sencillos.

Tipos de disipadores de calor en equipos de comunicación

Se utilizan tres tipos principales de disipadores de calor en servidores, conmutadores y enrutadores:

1.Disipadores de calor soldados con tubos de calor – Ideal para transferir calor desde la fuente a las aletas remotas, aprovechando al máximo el volumen disponible.

2.Disipadores de calor de aluminio extruido – Rentable y adecuado para cargas de potencia moderadas.

3.Disipadores de calor con aletas biseladas – Proporcionar un buen equilibrio entre rendimiento y capacidad de fabricación.

Los servidores de alta potencia suelen utilizar disipadores térmicos tipo bocina, con tubos de calor que transfieren el calor de la CPU a aletas extendidas fuera de la zona de memoria. Sin embargo, cuando la potencia del chip supera los 500 W, los diseños tradicionales de tubos de calor pueden resultar insuficientes debido a limitaciones de tamaño. En tales casos, se utilizan soluciones avanzadas como Cámara de vapor 3D (VC 3D)Se implementan los módulos. 

Un ejemplo notable es el acelerador de IA H100 de NVIDIA, con un consumo de energía de más de 700 W, que marcó el debut comercial de la tecnología 3D VC a escala.

Riesgo térmico en la infraestructura de red

Los conmutadores y enrutadores facilitan el intercambio interno de datos y el acceso externo a la red. Su formato y nivel de integración varían según los requisitos de rendimiento. Al igual que los servidores, su principal preocupación térmica es el chip SOC.

Un desafío único en estos dispositivos es la refrigeración. transceptores ópticos, que no se prestan bien a los disipadores térmicos tradicionales debido a su diseño compacto y a sus deficientes trayectorias térmicas. Esto se ha convertido en un cuello de botella en el hardware de comunicaciones de alta velocidad.

Los routers y switches de alta potencia montados en rack suelen utilizar módulos de tipo blade refrigerados por ventiladores de chasis. En estos casos, los SOC se combinan con disipadores térmicos soldados con tubos de calor o cámaras de vapor para mantener la conformidad térmica.

Reflexiones finales

Diseño de refrigeración eficaz En servidores y equipos de red, se deben considerar el empaquetado, la densidad de potencia, las rutas de flujo de aire y las restricciones mecánicas. A medida que el consumo de energía continúa aumentando, los materiales de interfaz térmica avanzados, las estrategias de empaquetado y los diseños de disipadores térmicos serán esenciales para respaldar una infraestructura informática confiable y de alto rendimiento.

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