با تراکم توان تک رک بیش از 30 کیلو وات و شار حرارتی تراشه به بیش از 1500 وات بر سانتیمتر مربع در مراکز داده هوش مصنوعی، خنککننده هوای سنتی (حداکثر حد شار گرما ~ 100 وات بر سانتیمتر مربع) دیگر نمیتواند نیازهای اتلاف گرما را برآورده کند.
صفحات سرد میکروکانالی 10 برابر فضای تبادل گرما را افزایش می دهند و 3 برابر راندمان خنک کنندگی بالاتر نسبت به صفحات سرد مایع معمولی ارائه می دهند و افزایش دمای GPU را تا 65 درصد کاهش می دهند. این فناوری می تواند مرکز داده PUE را به زیر 1.1 با مقاومت حرارتی بسیار کم تا 0.009 ℃/W کاهش دهد و به طور پایدار از پردازنده های گرافیکی پرقدرت 1400 وات پشتیبانی کند. این به یک راه حل خنک کننده ضروری برای سخت افزار محاسباتی با چگالی بالا تبدیل شده است.
این مقاله به طور سیستماتیک صفحات سرد میکروکانال اصلی مستقر در مراکز داده را از چهار بعد طبقهبندی و مقایسه میکند: ساختار کانال، شکل مقطع، سطح یکپارچهسازی و فرآیند تولید. ما همچنین یک راهنمای انتخاب سریع برای پیاده سازی مهندسی ارائه می دهیم.
| تایپ کنید | ویژگی های ظاهری و بصری | ساختار هسته | فرآیند تولید | سناریوهای کاربردی معمولی |
|---|---|---|---|---|
| میکروکانال مستقیم موازی | روکش فلزی مس/آلومینیوم، شیارهای یکنواخت مستقیم با فاصله یکنواخت | کانال های مستطیلی مستقیم تک / چند ردیفه | فرز دقیق، اسکیو، اکستروژن | پردازندههای مرکزی استاندارد، پردازندههای گرافیکی با توان متوسط، سرورهای معمولی خنککننده مایع، صفحات سرد رک |
| میکروکانال سرپانتین / S شکل | روکش فلزی جامد، کانال های S/Loop شکل خمیده پیوسته | طرح خمیده رفت و برگشتی تک / چند کاناله برای گسترش مسیر جریان سیال | فرزکاری، لحیم کاری، مهر زنی ورق | پردازندههای گرافیکی پرقدرت، کارتهای استنتاج هوش مصنوعی، رکهای محاسباتی تک نود |
| درخت / میکروکانال فراکتال | بافت شاخه سلسله مراتبی شفاف، انحراف چند مرحله ای Y/H با تقلید از عروق خونی | انشعاب چند سطحی منیفولد Y/H برای توزیع جریان کامل | فرز دقیق، پرینت سه بعدی فلزی، پیوند انتشار | ابررایانهها، تراشههای انباشته 2.5D/3D، خوشههای آموزشی هوش مصنوعی پیشرفته |
| Micro Pin-fin Array | برجستگی های متراکم استوانه ای / بیضی / الماس در سراسر سطح با بافت مقعر - محدب قوی | بستر پایه پوشیده از باله های متراکم، سیال در اطراف ستون ها جریان دارد | فرز، فتولیتوگرافی، چاپ سه بعدی، الکتروفرمینگ | تراشه های شار حرارتی فوق العاده بالا (> 400W/cm²)، حافظه HBM، شتاب دهنده های محاسباتی با کارایی بالا |
| میکروکانال موج دار / راه راه | دیوارهای کناری کانال موج پیوسته/زیگزاگ به جای دیوارهای صاف صاف | کانال های مستقیم اصلاح شده با دیواره های داخلی موج/دندان برای افزایش تلاطم | شکل دهی فرز، اکستروژن، قالب گیری | تراشههای توان متوسط، صفحات سرد فشرده، دستگاههای محاسباتی لبه |
| میکروکانال از نوع T / Cross Split | بافت در هم آمیخته شبکه با تقسیم و ادغام جریان مکرر | انشعاب دوره ای و همگرایی کانال های اصلی برای ایجاد اختلال مکرر در سیال | فرز، لحیم کاری صفحه چند لایه | ماژول های بسته بندی شده با چگالی بالا، صفحات سرد یکپارچه چند تراشه |
| نوع مقطع | ظاهر بصری | ویژگی های ساختاری | عملکرد و کاربرد |
|---|---|---|---|
| مستطیل شکل | بریدگی های مربعی با لبه های تیز، طراحی جریان اصلی صنعت | نسبت ابعاد قابل تنظیم، حداکثر سازگاری با تولید | عملکرد کلی متعادل، جهانی برای تقریباً تمام صفحات سرد تجاری |
| ذوزنقه ای | بالا پهن، پایین باریک، دیوارهای جانبی مایل | چسبندگی سیال بهتر، افت فشار کمی کمتر از کانال های مستطیلی هم اندازه | صفحات سرد سرور استاندارد با اولویت مقاومت جریان کم |
| دایره ای / بیضوی | دیوارهای داخلی گرد و صاف بدون گوشه های تیز | حداقل مقاومت جریان، بدون مناطق گرداب مرده | سرعت جریان بزرگ، افت فشار کم صفحات سرد یکپارچه با خطوط لوله |
| شش ضلعی | طرح منظم متراکم لانه زنبوری | حداکثر استفاده از فضا، استحکام ساختاری قوی | ماژول های فشرده، میکروکانال های تعبیه شده |
| پروفایل تقویت شده ویژه | دیوارهای داخلی با نقاط محدب، شیارها یا کمان های ساده | افزایش تلاطم فعال برای انتقال حرارت ارتقا یافته | صفحات سرد سفارشی اختصاص داده شده به سخت افزار با قدرت بالا |
| ردیف یکپارچه سازی | فاکتور فرم | روش تولید | درجه مقاومت حرارتی | مزایای اصلی | موقعیت یابی برنامه |
|---|---|---|---|---|---|
| صفحه سرد میکروکانال خارجی مستقل | صفحه فلزی مجزا با درگاه های ورودی/خروجی، سخت افزار استاندارد قابل جدا شدن | ماشینکاری CNC مس / آلومینیوم، لحیم کاری | متوسط | طراحی مدولار، تعمیر و نگهداری آسان و جایگزینی، تکنولوژی بالغ کم هزینه | بهسازی مراکز داده موجود، سرورهای کلی خنک شونده با مایع |
| درب میکرو کانال (MLCP / سطح بسته) | کانال های جریان یکپارچه ساخته شده در تراشه IHS، همان طرح کلی درب حرارتی استاندارد اصلی | ماشینکاری کامپوزیت دقیق، پیوند انتشار | کم | یک لایه از مواد رابط حرارتی را حذف می کند، مسیر انتقال حرارت را کوتاه می کند | بسته بندی خنک کننده مایع کارخانه GPU/CPU نسل جدید، کارت های محاسباتی سطح بالا |
| میکروکانال تعبیه شده در تراشه | شیارهای میکرو حک شده در داخل ویفر/ بستر سیلیکونی، کانال های نامرئی کوچک، ظاهر کلی به صورت تراشه خالی | فتولیتوگرافی نیمه هادی، حکاکی سیلیکونی عمیق | فوق العاده کم | کوتاه ترین مسیر انتقال حرارت، تماس مستقیم با منبع گرما، عملکرد خنک کننده نهایی | آی سی سه بعدی پیشرفته، تراشه های ابر رایانه، تراشه های محاسباتی نسل بعدی (آزمایشگاه و آزمایش دسته ای کوچک) |
| تکنولوژی ساخت | رنگ مواد و سطح | بافت سطحی | ساختارهای کانال سازگار | هزینه و ظرفیت تولید انبوه |
|---|---|---|---|---|
| فرز دقیق / اسکی | مس خالص (تن مس قرمز)، آلومینیوم (متالیک نقره ای) | سطح صاف، دیوارهای کانال مستقیم، روکش صنعتی استاندارد | کانال های مستقیم، مارپیچ، ذوزنقه ای/مستطیل شکل مقطع | هزینه کم، بهره وری انبوه بالا، رایج ترین فرآیند صنعتی |
| لحیم کاری / پیوند انتشار | انباشته چند لایه مس/آلومینیوم، رنگ مسی خاکستری نقره ای / قرمز، اتصالات بدون درز | سطح صفحه صاف با درزهای اتصال نامرئی | کانال های کامپوزیت چند لایه، صفحات سرد با فرمت بزرگ | هزینه متوسط، ایده آل برای ماژول های یکپارچه با مساحت بزرگ |
| پرینت سه بعدی فلزی | مس/فولاد ضد زنگ، روکش فلزی مات، بافت چاپ لایهای ظریف | خطوط لایه چاپی قابل مشاهده، تشکیل یک تکه برای هندسه های پیچیده | کانال های فراکتال، آرایه های پین باله، مسیرهای جریان نامنظم پیچ خورده | هزینه بالا، محدود به محصولات سفارشی دسته کوچک |
| فتولیتوگرافی سیلیکونی / اچینگ | بستر سیلیکونی، روکش آینه ای نقره ای | شیارهای بسیار صاف در سطح میکرون دقیق | میکروکانال های تعبیه شده در تراشه | فرآیند ویفر نیمه هادی، فقط برای برنامه های کاربردی آینده نگر |
- اتاق کامپیوتر استاندارد، اولویت هزینه: کانال های مستقیم موازی + مقطع مستطیلی + فرآیند فرز دقیق
- سرورهای هوش مصنوعی با قدرت بالا، اولویت یکنواختی دما: میکروکانال های سرپانتین / موج دار
- سناریوهای ابر محاسباتی با شار حرارتی بسیار بالا: آرایه پین فین / میکروکانال های فراکتال درختی
- پروژه جدید برنامه ریزی بسته بندی تراشه نسل بعدی: درب میکروکانال یکپارچه MLCP
-
میکروکانال مستقیم موازی (متداول ترین)
ظاهر: سطح فلزی مس/آلومینیوم، شیارهای یکنواخت مستقیم با فاصله یکنواخت
مزایا: ساخت ساده، افت فشار کم، توزیع یکنواخت سیال
کاربرد: CPUهای استاندارد، GPUهای معمولی، سرورهای خنک کننده مایع عمومی
-
میکروکانال سرپانتین / S شکل
شکل ظاهری: شیارهای متصل به شکل S/حلقه ای به طور پیوسته خم می شوند
مزایا: منطقه تبادل حرارت بزرگتر، دمای یکنواخت تراشه. جنبه منفی: افت فشار بیشتر
کاربرد: پردازندههای گرافیکی پرقدرت، کارتهای شتابدهنده استنتاج هوش مصنوعی
-
میکروکانال درختی / فراکتال (طراحی عروق بیونیک)
ظاهر: بافت سلسله مراتبی شاخه دار Y/H چند مرحله ای
مزایا: توزیع فوق العاده یکنواخت جریان، چند نقطه داغ، حداقل اختلاف دما. نقطه ضعف: ساخت پیچیده
کاربرد: ابررایانه ها، تراشه های یکپارچه 2.5D/3D
-
آرایه میکرو پین باله (ساختار متخلخل)
شکل ظاهری: ستون های محدب استوانه ای/الماسی متراکم با سطح مقعر محدب قوی
مزایا: حداکثر سطح ویژه و قوی ترین تبادل حرارتی. جنبه منفی: مستعد گرفتگی، افت فشار بالا
کاربرد: تراشه های شار حرارتی فوق العاده بالا (> 400W/cm²)، حافظه HBM، شتاب دهنده های هوش مصنوعی با کارایی بالا
-
میکروکانال موج دار / راه راه
شکل ظاهری: دیواره های کناری کانال نامنظم موجی/زیگزاگ
مزایا: تلاطم سیال افزایش یافته، انتقال حرارت 20 تا 40٪ افزایش یافته است. جنبه منفی: افت فشار بالا
کاربرد: تراشه های با قدرت متوسط بالا، صفحات سرد فشرده با اندازه کوچک
-
میکروکانال از نوع T / Cross Split
ظاهر: طرحبندی پلکانی شبکهای با تقسیم و ادغام جریان مکرر
مزایا: لایه مرزی حرارتی را برای مقاومت حرارتی کم به طور مکرر می شکند. جنبه منفی: مقاومت در برابر جریان موضعی ناهموار
کاربرد: بسته بندی با چگالی بالا، صفحات سرد یکپارچه چند تراشه
- مستطیل: بریدگی های مربعی تیز، طراحی رایج جهانی
- ذوزنقه ای: دیوارهای جانبی شیب دار پایین باریک از بالا، صفحه سرد استاندارد افت فشار کم
- دایره ای / بیضوی: دیواره داخلی گرد صاف، مقاومت کم برای سیستم های با سرعت جریان زیاد
- شش ضلعی: آرایش متراکم لانه زنبوری، ماژول های جاسازی شده فشرده
- نمایه تقویت شده ویژه: شیارهای محدب داخلی و سطوح منحنی ساده، خنک کننده با توان بالا سفارشی
-
صفحه سرد میکروکانال خارجی مستقل
فرم: صفحه فلزی مستقل با پورت های ورودی/خروجی، سخت افزار ماژولار قابل جدا شدن
مزایا: تعمیر و نگهداری آسان، تکنولوژی کم هزینه بالغ
کاربرد: بازسازی مرکز داده قدیمی، سرورهای خنک کننده مایع عمومی
-
درب میکروکانال سطح بسته MLCP
شکل: کانال های جریان یکپارچه در داخل پخش کننده حرارت تراشه، طرح کلی یکسان با استاندارد IHS
مزایا: حذف یک لایه رابط حرارتی، مقاومت حرارتی کمتر، بسته بندی یکپارچه کارخانه
کاربرد: نسل جدید GPU/CPU های پرقدرت (به عنوان مثال سری NVIDIA Rubin)
-
میکروکانال تعبیه شده در تراشه
فرم: شیارهای حکاکی شده در مقیاس میکرو در داخل ویفر/ بستر سیلیکونی، نامرئی با چشم غیر مسلح
مزایا: کوتاه ترین مسیر انتقال حرارت، تماس مستقیم با منبع گرما. نقطه ضعف: ساخت بسیار پیچیده
کاربرد: آی سی سه بعدی پیشرفته، تراشه های ابر رایانه، سخت افزار محاسباتی با چگالی بالا در آینده
- فرز دقیق / اسکی: مس خالص (تن قرمز) / آلومینیوم (نقره ای)، دیوارهای کانال صاف صاف
- لحیم کاری و چسبندگی پخش: کامپوزیت چند لایه مس/آلومینیوم، سطح صفحه تخت بدون درز
- چاپ سه بعدی فلزی: روکش مات مس/فولاد ضد زنگ، بافت چاپ لایه ای قابل مشاهده، تشکیل کانال پیچیده یک تکه
- اچینگ فوتولیتوگرافی سیلیکونی: سطح سیلیکونی آینه ای نقره ای، شیارهای داخلی با دقت میکرون بسیار ریز
