De rol van koellichamen in serverkoelsystemen

Thermische managementfundamenten in data-apparatuur

Servers, routers en switches werken allemaal binnen een modulaire architectuur, waarbij componenten zich specialiseren en samenwerken. Geforceerde luchtkoeling blijft de dominante strategie voor temperatuurbeheersing en zal waarschijnlijk ook in de nabije toekomst relevant blijven. Vloeistofkoeling wint aan populariteit, maar volgens de huidige prognoses zal deze pas in 2025 een penetratiegraad van 50% bereiken in nieuwe datacenters. Belangrijke thermische componenten in luchtgekoelde servers zijn onder andere ventilatoren, koellichamen (zoals geëxtrudeerde, heatpipe- of dampkamermodellen) en thermische interfacematerialen (TIM's).

Koellichamen en thermisch ontwerp van CPU's

De CPU is het thermisch meest kritische onderdeel van een server. X86-processors zijn nog steeds mainstream, hoewel er ook ARM-gebaseerde opties in opkomst zijn. De meeste moderne server-CPU's verbruiken meer dan 140 W, en sommige zelfs meer dan 400 W in thermisch ontwerpvermogen (TDP). Houd er rekening mee dat TDP de maximale warmte weergeeft die een koelsysteem veilig aankan, niet het absolute piekvermogen van de chip.

Server-CPU's maken doorgaans gebruik van een LGA-behuizing (Land Grid Array), wat eenvoudige vervanging mogelijk maakt, maar een hogere montagedruk vereist en meer verticale ruimte in beslag neemt. Deze beperking beperkt de beschikbare ruimte voor koelvinstructuren en dwingt tot het gebruik van dikkere basisplaten om vervorming onder druk te voorkomen. Hierdoor hebben koellichamen in deze configuraties vaak een kleiner vinoppervlak en een hogere luchtstroomweerstand.

SOC en High-Power Packaging in switches en routers

In tegenstelling tot servers gebruiken switches en routers vaak een BGA-behuizing (Ball Grid Array) met een lagere belasting tijdens de installatie. High-end switchingchips kunnen echter ook een stroomverbruik van meer dan 400 W hebben, en veel fabrikanten verwijderen chipdeksels om de thermische weerstand tussen de junctie en het oppervlak te verminderen, waardoor de kale chip aan de koelplaat wordt blootgesteld.

Deze configuratie met kale matrijs vormt een grote uitdaging voor de TIM-selectie. Grotere wafers hebben de neiging krom te trekken en thermische vetten met een lage weerstand hebben moeite met het opvangen van hoogteverschillen of het hechten aan gladde siliciumoppervlakken. TIM 1.5, een materiaal dat de kale matrijs en het koellichaam direct verbindt, is een focus van innovatie geworden. Ideale TIM 1.5-materialen moeten het volgende bieden:

·Lage thermische weerstand

·Sterke hechting en rek om uitpompen te voorkomen

·Mechanische veerkracht over temperatuurcycli heen

Veelbelovende ontwikkelingen zijn onder meer:

1.Flexibele metalen pads – Hoge thermische geleidbaarheid en sterkte, hoewel momenteel beperkt door slechte oppervlaktebevochtiging. Oppervlaktebehandelingen kunnen de grensvlakweerstand aanzienlijk verminderen.

2.Keramische of metalen kern substraten – Deze komen beter overeen met de thermische uitzettingscoëfficiënt van silicium vergeleken met traditionele harsplaten, waardoor kromtrekken wordt verminderd.

3.Structurele ontwerpaanpassingen – Het integreren van ondersteunende elementen met een hoge modulus om thermische spanning te absorberen zonder vervorming.

Warmtebeperking van geheugen en componenten

DIMM's worden verticaal gemonteerd om de serverruimte te maximaliseren, maar deze indeling beperkt de koelmogelijkheden. Daarom worden CPU-koellichamen vaak zijdelings verlengd om de warmteafvoer te verbeteren. Er zijn twee veelvoorkomende ontwerpen:

·Stroomopwaartse uitbreiding: Koelribben worden vóór de DIMM's geplaatst en krijgen als eerste koele lucht. Dit koelt de CPU effectief, maar verwarmt de inkomende lucht voor de geheugenmodules.

·Stroomafwaartse uitbreiding: De vinnen bevinden zich achter de DIMM's en laten voorverwarmde lucht door. Dit brengt de CPU-koeling enigszins in gevaar, maar zorgt wel voor een betere luchtstroom voor het geheugen.

Het vinden van een evenwicht tussen de thermische behoeften van de CPU en het geheugen is een belangrijk onderdeel van thermisch ontwerp.

Andere componenten zoals PCH-chips, condensatoren en driver-IC's hebben doorgaans een lagere warmtebelasting. Hun koelbehoefte wordt vaak gedekt door eenvoudige geëxtrudeerde koellichamen.

Koellichaamtypen in communicatieapparatuur

Er worden drie hoofdtypen koellichamen gebruikt in servers, switches en routers:

1.Heatpipe gesoldeerde koellichamen – Ideaal voor het overbrengen van warmte van de bron naar externe vinnen, waarbij het beschikbare volume optimaal wordt benut.

2.Geëxtrudeerde aluminium koellichamen – Kosteneffectief en geschikt voor gemiddelde vermogensbelastingen.

3.Koellichamen met afgeschuinde vinnen – Zorg voor een goede balans tussen prestatie en maakbaarheid.

Krachtige servers gebruiken vaak "hoornvormige" koellichamen, waarbij heatpipes warmte van de CPU naar verlengde vinnen buiten de geheugenzone overbrengen. Wanneer het chipvermogen echter meer dan 500 W bedraagt, zijn traditionele heatpipe-ontwerpen mogelijk niet toereikend vanwege de beperkte afmetingen. In dergelijke gevallen zijn geavanceerde oplossingen zoals 3D-dampkamer (3D VC)modules worden ingezet. 

Een opvallend voorbeeld is de H100 AI-versneller van NVIDIA, met een stroomverbruik van meer dan 700 W, die het commerciële debuut van 3D VC-technologie op grote schaal markeerde

Thermisch risico in netwerkinfrastructuur

Switches en routers faciliteren interne gegevensuitwisseling en externe netwerktoegang. Afhankelijk van de doorvoervereisten variëren hun vormfactor en integratieniveaus. Net als bij servers is de SOC-chip hun belangrijkste thermische zorg.

Een unieke uitdaging bij deze apparaten is de koeling optische transceivers, die zich niet goed lenen voor traditionele koellichamen vanwege hun compacte vorm en slechte thermische paden. Dit is een knelpunt geworden in snelle communicatiehardware.

Krachtige, in een rack gemonteerde routers en switches maken vaak gebruik van blade-modules die worden gekoeld door behuizingsventilatoren. SOC's worden in deze gevallen gecombineerd met heatpipes of gesoldeerde koellichamen in een dampkamer om de temperatuurbestendigheid te behouden.

Laatste gedachten

Effectief koelontwerp Servers en netwerkapparatuur moeten rekening houden met de behuizing, vermogensdichtheid, luchtstroompaden en mechanische beperkingen. Naarmate het stroomverbruik blijft stijgen, zullen geavanceerde thermische interfacematerialen, behuizingsstrategieën en koellichaamontwerpen essentieel zijn om betrouwbare, krachtige computerinfrastructuur te ondersteunen.

Linda / verkoop directR

●Telefoon: 86-769-26626558

●WhatsApp: +86-15818382164

●E-mailadres: info@tongyu-group.com

●Website:www.tongyucooler.com

●Fabrieksnaam:Dongguan Tongyu Elektronica Co., Ltd.

●Adres:

- Vietnam:Stad Que Vo, provincie Bac Ninh.

- China:DongGuan City, provincie GuangDong.