Revolução de servidores totalmente refrigerados a líquido Soluções de resfriamento eficientes para CPU, memória e PCIe

 

Sob o pano de fundo do 14º Plano Quinquenal da China, que enfatiza o desenvolvimento da economia digital, os data centers servem como a infraestrutura central que dá suporte à transformação digital, mas também enfrentam pressões significativas de emissão de carbono. Com o aumento do consumo de energia de chips e servidores, a densidade de energia por rack está aumentando, e o resfriamento a ar tradicional está gradualmente se tornando limitado em termos de dissipação de calor e otimização de energia.

 

▲ Centros de Dados

 

O resfriamento líquido, como uma tecnologia de resfriamento emergente, usa refrigerante líquido para transportar o calor gerado pelos componentes. Comparado ao resfriamento a ar, o resfriamento líquido oferece várias vantagens, incluindo suporte para chips de alta potência, vida útil estendida do chip, PUE (Power Usage Effectiveness) reduzido de data centers, eficiência de transferência de calor aprimorada, pontos de calor minimizados, suporte para densidades de rack mais altas, ruído reduzido e adaptabilidade ambiental aprimorada. Portanto, o resfriamento líquido se tornará uma parte importante da construção futura de data centers, crucial para atingir as metas de computação verde e neutralidade de carbono.

 

Os nós de servidores totalmente refrigerados a líquido são compostos por um chassi de nó, placa-mãe, chips de CPU, módulos de memória, placas frias de memória, placas frias de CPU, placas frias de E/S, fontes de alimentação e trocadores de calor de fonte de alimentação.

 

 

Projeto de placa fria de CPU

 

O módulo de placa fria da CPU é projetado com base nos requisitos para a placa fria do processador escalável da plataforma Intel Xeon de 5ª geração. Ele leva em consideração fatores como dissipação de calor, desempenho estrutural, rendimento, custo e compatibilidade com diferentes materiais no design da placa fria, resultando em um design de referência otimizado. A placa fria da CPU consiste principalmente em um suporte de alumínio, placa fria e conectores de placa fria.

 

▲ Placa fria da CPU

 

 

II Design de resfriamento líquido de memória

 

O design de resfriamento líquido de memória emprega um inovador dissipador de calor de resfriamento líquido "rail tie", nomeado por sua semelhança com os dormentes em trilhos ferroviários quando os slots de memória estão totalmente ocupados. Este design combina resfriamento a ar tradicional com resfriamento de placa fria. O dissipador de calor, incorporando tubos de calor (ou feitos de alumínio/cobre puro, VaporChamber, etc.), transfere o calor da memória para ambas as extremidades, que então entra em contato com a placa fria por meio de almofadas térmicas selecionadas, permitindo que o líquido de arrefecimento na placa fria leve o calor embora.

 

A memória e o dissipador de calor podem ser montados em uma unidade de manutenção mínima (chamada de módulo de memória) fora do sistema usando acessórios. A placa fria de memória é projetada com uma estrutura para garantir um bom contato entre o dissipador de calor e a placa fria de memória. Essa estrutura pode ser fixada com parafusos ou mantida sem ferramentas, conforme necessário. A parte superior da placa fria de memória resfria a memória, enquanto a parte inferior pode resfriar outros componentes geradores de calor na placa-mãe, como VR, maximizando o uso da placa fria de memória. Para simplificar o design da placa fria, um suporte adaptador entre a memória e a placa-mãe pode ser introduzido para atender à folga de altura de diferentes placas-mãe.

 

▲ Placa fria de memória

 

Comparado às soluções de resfriamento líquido baseadas em tubos existentes no mercado, o projeto de resfriamento líquido "rail tie" tem as seguintes vantagens:

 

Facilidade de manutenção:Durante a manutenção da memória, o módulo de memória é atendido como um módulo de memória resfriado a ar, sem a necessidade de remover o dissipador de calor e os fixadores. Isso melhora muito a eficiência e a confiabilidade da montagem, ao mesmo tempo em que reduz danos potenciais aos chips de memória e às almofadas térmicas durante a instalação e a remoção.

 

Boa compatibilidade: TO desempenho de resfriamento não é afetado por diferentes espessuras ou espaçamentos de chips de memória. A solução suporta um espaçamento mínimo de memória de 7,5 mm e é compatível com versões anteriores. O design desacoplado do dissipador de calor e da placa fria permite a reutilização e a padronização da memória resfriada a líquido.

 

Maior Custo-Efetividade:O dissipador de calor pode ser selecionado com base no consumo de energia da memória, e o número de dissipadores de calor pode ser configurado de acordo com os requisitos de memória. Para um espaçamento de memória de 7,5 mm, esta solução pode atender às necessidades de resfriamento de módulos de memória com consumo de energia superior a 30 W.

 

Fácil de fabricar e montar:Não há tubos de resfriamento líquido entre os slots de memória, eliminando a necessidade de soldagem de tubos complexos e controle de processo. O dissipador de calor pode ser fabricado usando técnicas tradicionais de resfriamento a ar e fabricação de placa fria de CPU padrão. O desempenho térmico não é sensível às tolerâncias entre o dissipador de calor e a placa-mãe na direção perpendicular ao plano do chip de memória, facilitando a montagem.

 

Alta confiabilidade:O design de resfriamento líquido "rail tie" evita danos potenciais aos chips de memória e almofadas térmicas durante a montagem e atende aos requisitos para múltiplas inserções/remoções. Além disso, elimina o risco de problemas de contato de sinal entre a memória e os soquetes devido ao desalinhamento, aumentando muito a confiabilidade do sistema.

 

 

III Design de resfriamento líquido SSD

 

A inovadora solução de resfriamento líquido SSD transfere calor da área do SSD por meio de um dissipador de calor com tubos de calor integrados. O calor é então conduzido para a placa fria fora da área do SSD por meio de contato direto com almofadas térmicas.

 

Esta solução de resfriamento líquido SSD consiste principalmente em um módulo SSD com um dissipador de calor, placa fria SSD, mecanismo de travamento do módulo SSD e suporte SSD. O mecanismo de travamento no suporte SSD garante o pré-carregamento adequado para manter contato confiável de longo prazo entre o módulo SSD e a placa fria. Para facilitar a instalação em espaços confinados, o suporte SSD adota um design do tipo gaveta na direção da profundidade do servidor.

 

▲ Design de resfriamento líquido SSD

 

Em comparação com as tentativas existentes de resfriamento líquido de SSD, os avanços nesta solução incluem:

• Suporta mais de 30 inserções/remoções hot-swappable sem desligar.
• Não há risco de danos por cisalhamento nos materiais da interface térmica durante a instalação do SSD; o mecanismo de travamento garante confiabilidade de contato a longo prazo.
• Baixa complexidade de fabricação, exigindo apenas processos tradicionais de resfriamento a ar e fabricação de placa fria de CPU.
• Não há passagens de água entre os SSDs, permitindo que vários SSDs compartilhem uma única placa fria, reduzindo o número de conectores e diminuindo o risco de vazamento.
• Adaptação flexível a diferentes espessuras de SSD e configurações de sistema.

 

 

Projeto de resfriamento líquido de cartão IV NPCIe/OCP

 

1. Solução de resfriamento líquido PCIe

A solução de resfriamento líquido da placa PCIe é baseada na placa PCIe resfriada a ar existente. Ela obtém resfriamento para o módulo óptico e chips principais na placa PCIe desenvolvendo um módulo de resfriamento que entra em contato com a placa fria do sistema. O calor do módulo óptico é transferido por meio de tubos de calor para o módulo dissipador de calor principal na placa PCIe, que então dissipa o calor por meio do contato com a placa fria de E/S usando materiais de interface térmica apropriados.

 

A placa PCIe resfriada a líquido consiste principalmente de um grampo de dissipador de calor QSFP, módulo de dissipador de calor de chip PCIe e placa PCIe. O grampo QSFP deve ter elasticidade suficiente para garantir contato flutuante adequado durante a instalação, evitando danos ao módulo óptico enquanto garante bom contato para desempenho de resfriamento ideal.

 

▲ Resfriamento líquido PCIe

 

2. OCP 3.0 Solução de resfriamento líquido

A solução de resfriamento líquido da placa OCP 3.0 é semelhante à placa PCIe. Ela personaliza um dissipador de calor de resfriamento líquido para a placa OCP 3.0, transferindo calor dos chips principais da placa para o dissipador de calor de resfriamento líquido. O calor é então removido através do contato entre o dissipador de calor e a placa fria de E/S do sistema.

 

O módulo de resfriamento líquido OCP 3.0 consiste principalmente de um módulo dissipador de calor, placa OCP 3.0 e seu suporte. Devido a limitações de espaço, o mecanismo de travamento usa parafusos de mola para garantir confiabilidade de contato de longo prazo entre o módulo dissipador de calor e a placa fria IO.

 

▲ OCP 3.0 Resfriamento Líquido

 

Dada a necessidade de fácil manutenção e múltiplas inserções/remoções hot-swappable do cartão OCP 3.0, o mecanismo de travamento e os materiais da interface térmica foram otimizados para melhorar a confiabilidade geral e a conveniência da manutenção.

 

 3. Solução de placa fria IO 

A placa fria de E/S é uma placa fria multifuncional que resfria não apenas os componentes geradores de calor na área de E/S da placa-mãe, mas também as placas PCIe e OCP 3.0 refrigeradas a líquido.

 

▲ Placa fria IO

 

A placa fria IO consiste principalmente de um corpo de liga de alumínio e tubos de cobre para fluxo de refrigerante e dissipação de calor aprimorada. O design deve ser otimizado de acordo com o layout da placa-mãe e os requisitos de dissipação de calor. Os módulos de placa PCIe e OCP 3.0 resfriados a líquido entram em contato com a placa fria IO ao longo dos caminhos designados. Os materiais de refrigerante devem ser compatíveis com o refrigerante do pipeline do sistema e os agentes umectantes.

 

▲ Placa fria IO

 

Esta solução de resfriamento líquido para a placa fria IO atende às necessidades de montagem multidimensional de vários componentes, usando uma combinação de materiais de cobre e alumínio para resolver problemas de compatibilidade. Ela garante dissipação de calor eficaz, reduz o peso da placa fria em 60% e diminui os custos.

 

 

Projeto de placa fria de fonte de alimentação V

 

A solução de resfriamento líquido da fonte de alimentação integra um trocador de calor ar-líquido externo com a fonte de alimentação resfriada a ar (PSU) existente, resfriando o ar expelido pelo ventilador da PSU e reduzindo o efeito de pré-aquecimento no ambiente externo do data center.

 

O trocador de calor traseiro da PSU apresenta uma estrutura multicamadas com canais de fluxo sobrepostos e aletas. As dimensões do trocador de calor são otimizadas para necessidades de espaço e funcionais sem afetar as conexões do cabo da PSU. O trocador de calor é montado independentemente no chassi do nó.

 

▲ Fonte de alimentação Resfriamento líquido

 

Esta solução inovadora de resfriamento líquido de fonte de alimentação elimina a necessidade de desenvolver novas PSUs resfriadas a líquido, encurtando o tempo de desenvolvimento e reduzindo custos. Sua alta adaptabilidade permite que seja aplicada de forma flexível a vários designs de PSU, economizando mais de 60% em comparação com PSUs resfriadas a líquido personalizadas.

 

Para aplicações de rack completo, um trocador de calor ar-líquido centralizado pode ser usado em vez de trocadores de calor traseiros distribuídos para cada PSU. Essa estrutura centralizada substitui trocadores de calor PSU individuais, fornecendo resfriamento por meio de um sistema que se integra aos caminhos de fluxo de ar do rack, garantindo que não haja impacto no ambiente da sala do servidor.

 

Um único trocador de calor centralizado pode lidar com 8 kW de capacidade de resfriamento, suportando pelo menos 150PSUs. Os principais componentes do trocador de calor ar-líquido centralizado incluem um núcleo de trocador de calor, portas de entrada e saída de água, tubos de resfriamento de cobre, um invólucro de alumínio e aletas de guia de fluxo. Esta configuração permite resfriamento de PSU eficiente e escalável em data centers de alta densidade.

 

 

Conclusão

 

▲ Servidor totalmente refrigerado a líquido

 

A tecnologia de resfriamento líquido, como exemplificada por esses designs otimizados, é essencial para gerenciar a crescente saída de calor dos data centers modernos, ao mesmo tempo em que impulsiona metas de eficiência e sustentabilidade. Com inovações em soluções de placa fria para CPUs, memória, SSDs, placas PCIe/OCP e fontes de alimentação, esses servidores resfriados a líquido estão abrindo caminho para um futuro de data centers mais ecológicos e de alto desempenho.