Przy gęstości mocy pojedynczej szafy przekraczającej 30 kW i strumieniu ciepła chipów sięgającym ponad 1500 W/cm² w centrach danych AI, tradycyjne chłodzenie powietrzem (maksymalny limit strumienia ciepła ~100 W/cm²) nie jest już w stanie sprostać wymaganiom w zakresie rozpraszania ciepła.
Mikrokanałowe płyty chłodzące zwiększają powierzchnię wymiany ciepła 10 razy i zapewniają 3 razy wyższą wydajność chłodzenia niż konwencjonalne płyty chłodzące na ciecz, redukując wzrost temperatury procesora graficznego o 65%. Technologia ta może obniżyć PUE centrum danych poniżej 1,1 przy bardzo niskim oporze cieplnym do 0,009℃/W, stabilnie obsługując procesory graficzne o dużej mocy 1400 W. Stało się niezbędnym rozwiązaniem chłodzącym dla sprzętu komputerowego o dużej gęstości.
W tym artykule systematycznie kategoryzuje i porównuje popularne płyty chłodzące mikrokanałowe stosowane w centrach danych w czterech wymiarach: struktura kanału, kształt przekroju poprzecznego, poziom integracji i proces produkcyjny. Zapewniamy również krótki przewodnik wyboru do wdrożenia inżynieryjnego.
| Typ | Wygląd i cechy wizualne | Struktura rdzenia | Proces produkcyjny | Typowe scenariusze zastosowań |
|---|---|---|---|---|
| Równoległy prosty mikrokanał | Metaliczne wykończenie miedziano-aluminiowe, równomiernie rozmieszczone proste, jednolite rowki | Jedno-/wielorzędowe proste kanały prostokątne | Precyzyjne frezowanie, skórowanie, wytłaczanie | Standardowe procesory, procesory graficzne o średniej i małej mocy, ogólnie serwery chłodzone cieczą, płyty chłodzące do szaf rack |
| Mikrokanał w kształcie serpentyny/S | Solidne metalowe wykończenie, wygięte w sposób ciągły kanały w kształcie litery S/pętli | Układ jedno-/wielokanałowy z wygięciem posuwisto-zwrotnym w celu wydłużenia ścieżki przepływu płynu | Frezowanie, lutowanie, tłoczenie blach | Procesory graficzne dużej mocy, karty wnioskowania AI, jednowęzłowe szafy o dużej mocy obliczeniowej |
| Mikrokanał drzewny/fraktalny | Wyraźna, hierarchiczna tekstura gałęzi, wielostopniowe przekierowanie Y/H imitujące naczynia krwionośne | Wielopoziomowe rozgałęzienie rozdzielacza Y/H zapewniające dystrybucję przepływu na całej powierzchni | Precyzyjne frezowanie, druk 3D metalu, klejenie dyfuzyjne | Superkomputery, stosy chipów 2,5D/3D, wysokiej klasy klastry szkoleniowe AI |
| Układ mikropin-fin | Gęste cylindryczne/eliptyczne/diamentowe występy na powierzchni o mocnej wklęsło-wypukłej fakturze | Podłoże bazowe pokryte gęstymi żebrami, płyn opływa wokół filarów | Frezowanie, fotolitografia, druk 3D, elektroformowanie | Chipy o bardzo wysokim strumieniu ciepła (>400 W/cm²), pamięć HBM, wysokowydajne akceleratory obliczeniowe |
| Mikrokanał falisty/pofałdowany | Ściany boczne kanałów o fali ciągłej/zygzaku zamiast płaskich, prostych ścian | Proste kanały zmodyfikowane wewnętrznymi ściankami falistymi/zębowymi w celu zwiększenia turbulencji | Formowanie, frezowanie, wytłaczanie, formowanie | Chipsy średniej mocy, kompaktowe płyty chłodzące, urządzenia brzegowe |
| Mikrokanał typu T / z dzieleniem krzyżowym | Tekstura z przeplotem siatkowym z częstym dzieleniem i łączeniem przepływu | Okresowe rozwidlenie i zbieżność głównych kanałów w celu wielokrotnego zakłócania płynu | Frezowanie, lutowanie płyt wielowarstwowych | Moduły o dużej gęstości, zintegrowane płyty chłodzące z wieloma chipami |
| Typ przekroju | Wygląd wizualny | Charakterystyka strukturalna | Wydajność i zastosowanie |
|---|---|---|---|
| Prostokątny | Kwadratowe wycięcia z ostrymi krawędziami, główny nurt branży | Regulowany współczynnik proporcji, maksymalna zgodność produkcyjna | Zrównoważona ogólna wydajność, uniwersalna dla prawie wszystkich komercyjnych płyt zimnych |
| Trapezowy | Szeroka góra, wąski dół, pochylone ściany boczne | Lepsza przyczepność płynu, nieco niższy spadek ciśnienia niż w przypadku kanałów prostokątnych o tej samej wielkości | Standardowe zimne płyty serwerowe, w których priorytetem jest niski opór przepływu |
| Okrągłe / eliptyczne | Gładkie zaokrąglone ściany wewnętrzne bez ostrych narożników | Minimalne opory przepływu, brak martwych stref wirowych | Duże natężenie przepływu i niski spadek ciśnienia zintegrowane z rurociągami |
| Sześciokątny | Gęsty, regularny układ o strukturze plastra miodu | Maksymalne wykorzystanie przestrzeni, duża sztywność konstrukcyjna | Kompaktowe moduły, wbudowane mikrokanały |
| Specjalny wzmocniony profil | Ściany wewnętrzne z wypukłymi kropkami, rowkami lub opływowymi łukami | Aktywne wzmocnienie turbulencji w celu poprawy wymiany ciepła | Niestandardowe płyty zimne dedykowane do sprzętu dużej mocy |
| Poziom integracji | Współczynnik kształtu | Metoda produkcji | Stopień odporności termicznej | Podstawowe zalety | Pozycjonowanie aplikacji |
|---|---|---|---|---|---|
| Niezależna zewnętrzna płyta chłodząca z mikrokanałami | Oddzielna metalowa płyta z portami wlotowymi/wylotowymi, odłączany standardowy osprzęt | Obróbka CNC miedzi/aluminium, lutowanie | Średni | Modułowa konstrukcja, łatwa konserwacja i wymiana, dojrzała, tania technologia | Modernizacje istniejących centrów danych, ogólnie serwery chłodzone cieczą |
| Pokrywka mikrokanałowa (MLCP / poziom opakowania) | Zintegrowane kanały przepływowe wbudowane w chip IHS, taki sam zarys jak oryginalna standardowa pokrywa grzewcza | Precyzyjna obróbka kompozytów, łączenie dyfuzyjne | Niski | Eliminuje jedną warstwę materiału interfejsu termicznego, skraca drogę wymiany ciepła | Fabryczne opakowanie chłodzące GPU/CPU nowej generacji, wysokiej klasy karty obliczeniowe |
| Mikrokanał z wbudowanym chipem | Mikrorowki wytrawione wewnątrz płytki krzemowej/podłoża, maleńkie niewidoczne kanały, ogólny wygląd jak goły chip | Fotolitografia półprzewodnikowa, głębokie trawienie krzemowe | Bardzo niski | Najkrótsza droga wymiany ciepła, bezpośredni kontakt ze źródłem ciepła, najwyższa wydajność chłodzenia | Najnowocześniejsze układy scalone 3D, chipy superkomputerowe, chipy obliczeniowe nowej generacji (próba laboratoryjna i w małych partiach) |
| Technologia wytwarzania | Kolor materiału i powierzchni | Tekstura powierzchni | Kompatybilne struktury kanałów | Koszty i możliwości produkcji masowej |
|---|---|---|---|---|
| Precyzyjne frezowanie/skórowanie | Czysta miedź (odcień czerwonej miedzi), aluminium (srebrzysty metalik) | Gładka powierzchnia, proste ściany kanałów, standardowe wykończenie przemysłowe | Kanały proste, serpentynowe, o przekrojach trapezowych/prostokątnych | Niski koszt, wysoka produktywność masowa, najczęściej stosowany proces przemysłowy |
| Lutowanie/wiązanie dyfuzyjne | Wielowarstwowe ułożone miedź/aluminium, srebrzystoszary/czerwony odcień miedzi, bezszwowe połączenia | Płaska powierzchnia płyty z niewidocznymi szwami | Wielowarstwowe kanały kompozytowe, wielkoformatowe płyty zimne | Średni koszt, idealny do zintegrowanych modułów o dużej powierzchni |
| Druk 3D w metalu | Miedź/stal nierdzewna, matowe metaliczne wykończenie, subtelna, warstwowa faktura druku | Widoczne linie warstw druku, formowanie jednoczęściowe dla złożonych geometrii | Kanały fraktalne, układy pin-fin, nieregularne skręcone ścieżki przepływu | Wysoki koszt, ograniczony do produktów niestandardowych w małych partiach |
| Fotolitografia / trawienie krzemu | Podłoże silikonowe, wykończenie srebrzyste i lustrzane | Ultra gładkie, precyzyjne rowki na poziomie mikrona | Mikrokanały osadzone w chipie | Proces płytek półprzewodnikowych, tylko do zaawansowanych, przyszłościowych zastosowań |
- Standardowa sala komputerowa, priorytet kosztowy: Równoległe kanały proste + przekrój prostokątny + proces precyzyjnego frezowania
- Serwery AI o dużej mocy, priorytet jednolitości temperatury: mikrokanały serpentynowe / faliste
- Scenariusze superkomputerów o ultrawysokim strumieniu ciepła: układ pin-fin / mikrokanały fraktalne drzew
- Nowy projekt Planowanie pakowania chipów nowej generacji: zintegrowana pokrywa mikrokanałowa MLCP
-
Równoległy prosty mikrokanał (najczęściej)
Wygląd: metaliczna powierzchnia miedziano-aluminiowa, równomiernie rozmieszczone proste, jednolite rowki
Zalety: Prosta produkcja, niski spadek ciśnienia, równomierny rozkład płynu
Zastosowanie: standardowe procesory, zwykłe procesory graficzne, ogólne serwery z chłodzeniem cieczą
-
Mikrokanał w kształcie serpentyny/S
Wygląd: Stale wygięte, połączone rowki w kształcie litery S
Zalety: Większa powierzchnia wymiany ciepła, jednolita temperatura wiórów; Wada: większy spadek ciśnienia
Zastosowanie: procesory graficzne dużej mocy, karty akceleratorów wnioskowania AI
-
Mikrokanał drzewny / fraktalny (bioniczny projekt naczyniowy)
Wygląd: wielostopniowa, rozgałęziona hierarchiczna tekstura Y/H
Zalety: Bardzo równomierny rozkład przepływu, kilka gorących punktów, minimalna różnica temperatur; Wada: skomplikowana produkcja
Zastosowanie: Superkomputery, zintegrowane układy scalone 2,5D/3D
-
Układ mikropin-fin (porowata struktura)
Wygląd: Gęste cylindryczne/diamentowe wypukłe filary z mocną wklęsło-wypukłą powierzchnią
Zalety: Maksymalna powierzchnia właściwa i najsilniejsza wymiana ciepła; Wada: skłonność do zatykania, duży spadek ciśnienia
Zastosowanie: chipy o bardzo wysokim strumieniu ciepła (>400 W/cm²), pamięć HBM, wysokowydajne akceleratory AI
-
Mikrokanał falisty/pofałdowany
Wygląd: Faliste/zygzakowate, nieregularne ściany boczne kanałów
Zalety: Zwiększona turbulencja płynu, transfer ciepła zwiększony o 20 ~ 40%; Wada: podwyższony spadek ciśnienia
Zastosowanie: Chipsy średniej i dużej mocy, kompaktowe płyty zimne o małych rozmiarach
-
Mikrokanał typu T / z dzieleniem krzyżowym
Wygląd: Siatka schodkowa z powtarzającym się podziałem i łączeniem przepływu
Zalety: Wielokrotnie przerywa termiczną warstwę graniczną, zapewniając niski opór cieplny; Wada: nierówne lokalne opory przepływu
Zastosowanie: Opakowania o dużej gęstości, zintegrowane płyty zimne z wieloma chipami
- Prostokątny: Kwadratowe ostre wycięcia, uniwersalny, mainstreamowy design
- Trapezowy: Szerokie górne, wąskie dolne, nachylone ściany boczne, standardowa płyta zimna o niskim spadku ciśnienia
- Okrągły/Eliptyczny: Gładka, zaokrąglona ścianka wewnętrzna, niski opór dla systemów o dużym natężeniu przepływu
- Sześciokątny: gęsty układ plastra miodu, kompaktowe moduły wbudowane
- Specjalnie wzmocniony profil: wewnętrzne wypukłe rowki i opływowe zakrzywione powierzchnie, dostosowane do indywidualnych potrzeb chłodzenie o dużej mocy
-
Niezależna zewnętrzna płyta chłodząca z mikrokanałami
Forma: samodzielna metalowa płyta z portami wlotowymi/wylotowymi, odłączany modułowy sprzęt
Zalety: Łatwa konserwacja, dojrzała, tania technologia
Zastosowanie: Modernizacje starszych centrów danych, ogólne serwery z chłodzeniem cieczą
-
Pokrywka mikrokanałowa na poziomie pakietu MLCP
Forma: Zintegrowane kanały przepływowe wewnątrz rozpraszacza ciepła, kształt identyczny jak w przypadku standardowego IHS
Zalety: Usuwa jedną warstwę interfejsu termicznego, niższy opór cieplny, fabrycznie zintegrowane opakowanie
Zastosowanie: Nowa generacja procesorów graficznych/procesorów dużej mocy (np. seria NVIDIA Rubin)
-
Mikrokanał z wbudowanym chipem
Forma: Wytrawione rowki w skali mikronowej wewnątrz płytki krzemowej/podłoża, niewidoczne gołym okiem
Zalety: Najkrótsza droga wymiany ciepła, bezpośredni kontakt ze źródłem ciepła; Wada: niezwykle złożona produkcja
Zastosowanie: najnowocześniejsze układy scalone 3D, chipy superkomputerowe, przyszły sprzęt obliczeniowy o dużej gęstości
- Precyzyjne frezowanie/skórowanie: czysta miedź (odcień czerwony)/aluminium (srebrzyste), gładkie, płaskie, proste ściany kanałów
- Lutowanie i łączenie dyfuzyjne: wielowarstwowy kompozyt miedziano-aluminiowy, bezszwowa płaska powierzchnia płyty
- Druk 3D w metalu: matowe wykończenie miedzi/stali nierdzewnej, widoczna warstwowa tekstura druku, jednoczęściowe, złożone formowanie kanałów
- Fotolitografia krzemowa Trawienie: Srebrzysta lustrzana powierzchnia krzemu, wewnętrzne rowki o bardzo drobnej precyzji mikronów
