ปฏิวัติเซิร์ฟเวอร์ระบายความร้อนด้วยของเหลวเต็มรูปแบบด้วยโซลูชันระบายความร้อนที่มีประสิทธิภาพสำหรับ CPU หน่วยความจำ และ PCIe

 

ภายใต้แผนพัฒนาเศรษฐกิจดิจิทัลฉบับที่ 14 ของจีน ซึ่งเน้นการพัฒนาเศรษฐกิจดิจิทัล ศูนย์ข้อมูลทำหน้าที่เป็นโครงสร้างพื้นฐานหลักที่รองรับการเปลี่ยนแปลงทางดิจิทัล แต่ยังเผชิญกับแรงกดดันด้านการปล่อยคาร์บอนอย่างมาก ด้วยการใช้พลังงานของชิปและเซิร์ฟเวอร์ที่เพิ่มขึ้น ความหนาแน่นของพลังงานต่อแร็คจึงเพิ่มขึ้น และการระบายความร้อนด้วยอากาศแบบเดิมก็ค่อยๆ ลดน้อยลงในแง่ของการกระจายความร้อนและการเพิ่มประสิทธิภาพการใช้พลังงาน

 

▲ ศูนย์ข้อมูล

 

การระบายความร้อนด้วยของเหลวเป็นเทคโนโลยีระบายความร้อนรูปแบบใหม่ที่ใช้สารหล่อเย็นของเหลวเพื่อระบายความร้อนที่เกิดจากส่วนประกอบต่างๆ เมื่อเปรียบเทียบกับการระบายความร้อนด้วยอากาศ การระบายความร้อนด้วยของเหลวมีข้อดีหลายประการ เช่น รองรับชิปที่มีกำลังไฟฟ้าสูง อายุการใช้งานของชิปที่ยาวนานขึ้น ประสิทธิภาพการใช้พลังงาน (PUE) ของศูนย์ข้อมูลลดลง ประสิทธิภาพการถ่ายเทความร้อนดีขึ้น จุดความร้อนลดลง รองรับความหนาแน่นของแร็คที่สูงขึ้น เสียงรบกวนลดลง และปรับตัวเข้ากับสภาพแวดล้อมได้ดีขึ้น ดังนั้น การระบายความร้อนด้วยของเหลวจะกลายเป็นส่วนสำคัญของการก่อสร้างศูนย์ข้อมูลในอนาคต ซึ่งมีความสำคัญต่อการบรรลุเป้าหมายการประมวลผลแบบเป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมและความเป็นกลางทางคาร์บอน

 

โหนดของเซิร์ฟเวอร์ที่ระบายความร้อนด้วยของเหลวทั้งหมดประกอบด้วยแชสซีโหนด เมนบอร์ด ชิป CPU โมดูลหน่วยความจำ แผ่นเย็นหน่วยความจำ แผ่นเย็น CPU แผ่นเย็น IO แหล่งจ่ายไฟ และตัวแลกเปลี่ยนความร้อนแหล่งจ่ายไฟ

 

 

การออกแบบแผ่นระบายความร้อนซีพียู

 

โมดูลแผ่นระบายความร้อนของ CPU ได้รับการออกแบบโดยอิงตามข้อกำหนดสำหรับแผ่นระบายความร้อนของโปรเซสเซอร์ Intel Xeon รุ่นที่ 5 ที่ปรับขนาดได้ โดยคำนึงถึงปัจจัยต่างๆ เช่น การกระจายความร้อน ประสิทธิภาพโครงสร้าง ผลผลิต ต้นทุน และความเข้ากันได้กับวัสดุต่างๆ ในการออกแบบแผ่นระบายความร้อน ส่งผลให้ได้การออกแบบอ้างอิงที่เหมาะสมที่สุด แผ่นระบายความร้อนของ CPU ประกอบด้วยตัวยึดอะลูมิเนียม แผ่นระบายความร้อน และขั้วต่อแผ่นระบายความร้อนเป็นหลัก

 

▲ แผ่นระบายความร้อนซีพียู

 

 

II การออกแบบระบบระบายความร้อนด้วยของเหลว

 

การออกแบบระบบระบายความร้อนด้วยของเหลวในหน่วยความจำนั้นใช้ฮีทซิงค์ระบายความร้อนด้วยของเหลวแบบ "rail tie" ที่เป็นนวัตกรรมใหม่ ซึ่งตั้งชื่อตามรูปร่างของหมอนไม้บนรางรถไฟเมื่อสล็อตหน่วยความจำถูกใช้งานจนเต็ม การออกแบบนี้ผสมผสานการระบายความร้อนด้วยอากาศแบบดั้งเดิมเข้ากับการระบายความร้อนด้วยแผ่นระบายความร้อน ฮีทซิงค์ซึ่งใช้ท่อระบายความร้อน (หรือทำจากอลูมิเนียม/ทองแดงบริสุทธิ์ VaporChamber เป็นต้น) จะถ่ายเทความร้อนจากหน่วยความจำไปยังทั้งสองด้าน จากนั้นจึงสัมผัสกับแผ่นระบายความร้อนผ่านแผ่นระบายความร้อนที่เลือกไว้ ทำให้สารทำความเย็นด้วยของเหลวในแผ่นระบายความร้อนสามารถถ่ายเทความร้อนออกไปได้

 

หน่วยความจำและฮีตซิงก์สามารถประกอบเป็นหน่วยบำรุงรักษาขั้นต่ำ (เรียกว่าโมดูลหน่วยความจำ) นอกระบบโดยใช้อุปกรณ์ยึด แผ่นระบายความร้อนหน่วยความจำได้รับการออกแบบด้วยโครงสร้างเพื่อให้แน่ใจว่าฮีตซิงก์และแผ่นระบายความร้อนหน่วยความจำมีการสัมผัสที่ดี โครงสร้างนี้สามารถยึดด้วยสกรูหรือบำรุงรักษาโดยไม่ต้องใช้เครื่องมือตามความจำเป็น ด้านบนของแผ่นระบายความร้อนหน่วยความจำช่วยระบายความร้อนหน่วยความจำ ในขณะที่ด้านล่างช่วยระบายความร้อนให้กับส่วนประกอบที่สร้างความร้อนอื่นๆ บนเมนบอร์ด เช่น VR ทำให้ใช้แผ่นระบายความร้อนหน่วยความจำได้อย่างเต็มที่ เพื่อลดความซับซ้อนของการออกแบบแผ่นระบายความร้อน สามารถติดตั้งตัวยึดอะแดปเตอร์ระหว่างหน่วยความจำและเมนบอร์ดเพื่อให้รองรับความสูงที่ห่างกันของเมนบอร์ดต่างๆ

 

▲ แผ่นความจำเย็น

 

เมื่อเปรียบเทียบกับโซลูชันการระบายความร้อนด้วยของเหลวแบบท่อที่มีอยู่ในตลาด การออกแบบการระบายความร้อนด้วยของเหลวแบบ "รางผูก" จะมีข้อดีดังต่อไปนี้:

 

ความสะดวกในการบำรุงรักษา:ระหว่างการบำรุงรักษาหน่วยความจำ โมดูลหน่วยความจำจะได้รับการซ่อมบำรุงเช่นเดียวกับโมดูลหน่วยความจำระบายความร้อนด้วยอากาศ โดยไม่จำเป็นต้องถอดแผ่นระบายความร้อนและตัวยึดออก วิธีนี้ช่วยเพิ่มประสิทธิภาพและความน่าเชื่อถือในการประกอบได้อย่างมาก ขณะเดียวกันก็ลดความเสียหายที่อาจเกิดขึ้นกับชิปหน่วยความจำและแผ่นระบายความร้อนระหว่างการติดตั้งและการถอดออก

 

ความเข้ากันได้ดี: Tประสิทธิภาพการระบายความร้อนไม่ได้รับผลกระทบจากความหนาหรือระยะห่างของชิปหน่วยความจำที่แตกต่างกัน โซลูชันนี้รองรับระยะห่างของหน่วยความจำขั้นต่ำ 7.5 มม. และเข้ากันได้แบบด้านบน การออกแบบที่แยกจากกันของแผ่นระบายความร้อนและแผ่นทำความเย็นช่วยให้สามารถนำหน่วยความจำที่ระบายความร้อนด้วยของเหลวกลับมาใช้ซ้ำและทำให้หน่วยความจำเป็นมาตรฐานได้

 

ความคุ้มทุนที่สูงขึ้น:สามารถเลือกฮีทซิงก์ได้ตามการใช้พลังงานของหน่วยความจำ และสามารถกำหนดค่าจำนวนฮีทซิงก์ได้ตามข้อกำหนดของหน่วยความจำ สำหรับระยะห่างของหน่วยความจำ 7.5 มม. โซลูชันนี้สามารถตอบสนองความต้องการในการระบายความร้อนของโมดูลหน่วยความจำที่มีการใช้พลังงานเกิน 30W ได้

 

ผลิตและประกอบง่าย:ไม่มีท่อระบายความร้อนด้วยของเหลวระหว่างช่องหน่วยความจำ จึงไม่จำเป็นต้องเชื่อมท่อที่ซับซ้อนและควบคุมกระบวนการ สามารถผลิตแผ่นระบายความร้อนโดยใช้ระบบระบายความร้อนด้วยอากาศแบบดั้งเดิมและเทคนิคการผลิตแผ่นระบายความร้อนซีพียูมาตรฐาน ประสิทธิภาพความร้อนไม่ไวต่อความคลาดเคลื่อนระหว่างแผ่นระบายความร้อนและเมนบอร์ดในทิศทางที่ตั้งฉากกับระนาบชิปหน่วยความจำ ทำให้ประกอบได้ง่ายขึ้น

 

ความน่าเชื่อถือสูง:การออกแบบระบายความร้อนด้วยของเหลวแบบ "rail tie" ช่วยหลีกเลี่ยงความเสียหายที่อาจเกิดขึ้นกับชิปหน่วยความจำและแผ่นระบายความร้อนในระหว่างการประกอบ และตรงตามข้อกำหนดสำหรับการใส่/ถอดหลายครั้ง นอกจากนี้ ยังช่วยขจัดความเสี่ยงของปัญหาการติดต่อสัญญาณระหว่างหน่วยความจำและซ็อกเก็ตอันเนื่องมาจากการจัดตำแหน่งที่ไม่ถูกต้อง ช่วยเพิ่มความน่าเชื่อถือของระบบได้อย่างมาก

 

 

III การออกแบบระบบระบายความร้อนด้วยของเหลว SSD

 

โซลูชันระบายความร้อนด้วยของเหลว SSD ที่เป็นนวัตกรรมใหม่จะถ่ายเทความร้อนจากพื้นที่ SSD ผ่านแผ่นระบายความร้อนที่มีท่อระบายความร้อนในตัว จากนั้นความร้อนจะถูกส่งต่อไปยังแผ่นระบายความร้อนภายนอกพื้นที่ SSD โดยสัมผัสกับแผ่นระบายความร้อนโดยตรง

 

โซลูชันระบายความร้อนด้วยของเหลว SSD นี้ประกอบด้วยโมดูล SSD พร้อมแผ่นระบายความร้อน แผ่นระบายความร้อน SSD กลไกการล็อกโมดูล SSD และตัวยึด SSD กลไกการล็อกบนตัวยึด SSD ช่วยให้โหลดล่วงหน้าได้อย่างเหมาะสมเพื่อรักษาการสัมผัสระยะยาวที่เชื่อถือได้ระหว่างโมดูล SSD และแผ่นระบายความร้อน เพื่อให้ติดตั้งในพื้นที่จำกัดได้ง่าย ตัวยึด SSD จึงใช้การออกแบบแบบลิ้นชักในทิศทางความลึกของเซิร์ฟเวอร์

 

▲ การออกแบบระบบระบายความร้อนด้วยของเหลว SSD

 

เมื่อเปรียบเทียบกับความพยายามระบายความร้อนด้วยของเหลว SSD ที่มีอยู่ ความก้าวหน้าในโซลูชันนี้ประกอบด้วย:

• รองรับการใส่/ถอดแบบ Hot-swap มากกว่า 30 รายการโดยไม่ต้องปิดเครื่อง
• ไม่มีความเสี่ยงต่อการเสียหายจากการเฉือนของวัสดุอินเทอร์เฟซทางความร้อนในระหว่างการติดตั้ง SSD กลไกการล็อคช่วยให้มั่นใจได้ว่าจะสัมผัสได้ในระยะยาว
• ความซับซ้อนในการผลิตต่ำ ต้องใช้เพียงกระบวนการผลิตระบบระบายความร้อนด้วยอากาศแบบดั้งเดิม และแผ่นเย็น CPU เท่านั้น
• ไม่มีเส้นทางน้ำระหว่าง SSD ทำให้ SSD หลายตัวสามารถแบ่งปันแผ่นเย็นเดียวกันได้ ลดจำนวนขั้วต่อและลดความเสี่ยงในการรั่วไหล
• ความยืดหยุ่นในการปรับให้เข้ากับความหนาของ SSD และการกำหนดค่าระบบที่แตกต่างกัน

 

 

การออกแบบระบบระบายความร้อนด้วยของเหลวสำหรับการ์ด IV NPCIe/OCP

 

1. โซลูชันระบายความร้อนด้วยของเหลว PCIe

โซลูชันระบายความร้อนด้วยของเหลวสำหรับการ์ด PCIe นั้นใช้การ์ด PCIe ระบายความร้อนด้วยอากาศที่มีอยู่แล้ว โดยโซลูชันนี้จะทำให้โมดูลออปติคัลและชิปหลักบนการ์ด PCIe เย็นลงได้ด้วยการพัฒนาโมดูลระบายความร้อนที่สัมผัสกับแผ่นระบายความร้อนของระบบ ความร้อนจากโมดูลออปติคัลจะถูกถ่ายโอนผ่านท่อระบายความร้อนไปยังโมดูลฮีตซิงก์หลักบนการ์ด PCIe จากนั้นโมดูลดังกล่าวจะระบายความร้อนผ่านการสัมผัสกับแผ่นระบายความร้อนของ IO โดยใช้วัสดุอินเทอร์เฟซทางความร้อนที่เหมาะสม

 

การ์ด PCIe ที่ระบายความร้อนด้วยของเหลวประกอบด้วยแคลมป์ฮีทซิงก์ QSFP โมดูลฮีทซิงก์ชิป PCIe และการ์ด PCIe แคลมป์ QSFP จะต้องมีความยืดหยุ่นเพียงพอเพื่อให้แน่ใจว่ามีการสัมผัสลอยที่เหมาะสมระหว่างการติดตั้ง ป้องกันไม่ให้โมดูลออปติกได้รับความเสียหาย พร้อมทั้งต้องแน่ใจว่ามีการสัมผัสที่ดีเพื่อประสิทธิภาพการระบายความร้อนที่เหมาะสมที่สุด

 

▲ ระบบระบายความร้อนด้วยของเหลว PCIe

 

2. OCP 3.0 โซลูชันระบายความร้อนด้วยของเหลว

โซลูชันระบายความร้อนด้วยของเหลวของการ์ด OCP 3.0 นั้นคล้ายคลึงกับการ์ด PCIe โดยโซลูชันนี้ปรับแต่งฮีทซิงก์ระบายความร้อนด้วยของเหลวสำหรับการ์ด OCP 3.0 โดยถ่ายโอนความร้อนจากชิปหลักของการ์ดไปยังฮีทซิงก์ระบายความร้อนด้วยของเหลว จากนั้นความร้อนจะถูกกำจัดออกผ่านการสัมผัสระหว่างฮีทซิงก์และแผ่นระบายความร้อน IO ของระบบ

 

โมดูลระบายความร้อนด้วยของเหลว OCP 3.0 ประกอบด้วยโมดูลฮีทซิงก์ การ์ด OCP 3.0 และตัวยึด เนื่องจากพื้นที่จำกัด กลไกการล็อกจึงใช้สกรูสปริงเพื่อให้แน่ใจว่าโมดูลฮีทซิงก์และแผ่นทำความเย็น IO สามารถสัมผัสกันได้ในระยะยาว

 

▲ OCP 3.0 ระบบระบายความร้อนด้วยของเหลว

 

เนื่องจากมีความจำเป็นต้องมีการบำรุงรักษาที่ง่ายดายและการใส่/ถอดการ์ด OCP 3.0 แบบฮอตสวอปหลายจุด กลไกการล็อคและวัสดุอินเทอร์เฟซความร้อนจึงได้รับการปรับให้เหมาะสมเพื่อปรับปรุงความน่าเชื่อถือโดยรวมและความสะดวกในการบำรุงรักษา

 

 3. โซลูชันแผ่นเย็น IO 

แผ่นทำความเย็น IO คือแผ่นทำความเย็นแบบมัลติฟังก์ชันที่ไม่เพียงแต่ช่วยระบายความร้อนให้กับส่วนประกอบที่สร้างความร้อนในพื้นที่ IO ของเมนบอร์ดเท่านั้น แต่ยังรวมถึงการ์ด PCIe และ OCP 3.0 ที่ระบายความร้อนด้วยของเหลวด้วย

 

▲ แผ่นเย็น IO

 

แผ่นระบายความร้อน IO ประกอบด้วยตัวเครื่องที่ทำด้วยโลหะผสมอลูมิเนียมและท่อทองแดงเป็นหลักสำหรับการไหลของสารหล่อเย็นและการกระจายความร้อนที่ดีขึ้น การออกแบบจะต้องได้รับการปรับให้เหมาะสมตามเค้าโครงของเมนบอร์ดและข้อกำหนดการกระจายความร้อน โมดูลการ์ด PCIe และ OCP 3.0 ที่ระบายความร้อนด้วยของเหลวจะสัมผัสกับแผ่นระบายความร้อน IO ตามเส้นทางที่กำหนด วัสดุสารหล่อเย็นจะต้องเข้ากันได้กับสารหล่อเย็นและสารลดแรงตึงผิวในระบบ

 

▲ แผ่นเย็น IO

 

โซลูชันระบายความร้อนด้วยของเหลวสำหรับแผ่นระบายความร้อน IO นี้ตอบสนองความต้องการในการประกอบชิ้นส่วนหลายชิ้นแบบหลายมิติโดยใช้ส่วนผสมของทองแดงและอลูมิเนียมเพื่อแก้ไขปัญหาความเข้ากันได้ ช่วยให้ระบายความร้อนได้อย่างมีประสิทธิภาพ ลดน้ำหนักแผ่นระบายความร้อนลง 60% และลดต้นทุน

 

 

การออกแบบแผ่นเย็นแหล่งจ่ายไฟ V

 

โซลูชันระบายความร้อนด้วยของเหลวของแหล่งจ่ายไฟจะผสานตัวแลกเปลี่ยนความร้อนแบบอากาศต่อของเหลวภายนอกเข้ากับแหล่งจ่ายไฟระบายความร้อนด้วยอากาศ (PSU) ที่มีอยู่ โดยทำหน้าที่ระบายความร้อนอากาศที่ปล่อยออกมาจากพัดลม PSU และลดผลกระทบของการอุ่นเครื่องล่วงหน้าต่อสภาพแวดล้อมของศูนย์ข้อมูลภายนอก

 

ตัวแลกเปลี่ยนความร้อนด้านหลังของ PSU มีโครงสร้างหลายชั้นพร้อมช่องไหลและครีบที่ทับซ้อนกัน ขนาดของตัวแลกเปลี่ยนความร้อนได้รับการปรับให้เหมาะสมกับพื้นที่และความต้องการใช้งานโดยไม่ส่งผลกระทบต่อการเชื่อมต่อสายเคเบิล PSU ตัวแลกเปลี่ยนความร้อนติดตั้งบนแชสซีโหนดโดยอิสระ

 

▲ แหล่งจ่ายไฟ ระบายความร้อนด้วยของเหลว

 

โซลูชันระบายความร้อนด้วยของเหลวสำหรับแหล่งจ่ายไฟแบบนวัตกรรมนี้ช่วยลดความจำเป็นในการพัฒนาแหล่งจ่ายไฟแบบระบายความร้อนด้วยของเหลวใหม่ ทำให้ระยะเวลาในการพัฒนาสั้นลงและลดต้นทุนลง ความสามารถในการปรับตัวสูงทำให้สามารถนำไปใช้กับการออกแบบแหล่งจ่ายไฟต่างๆ ได้อย่างยืดหยุ่น ช่วยประหยัดได้มากกว่า 60% เมื่อเทียบกับแหล่งจ่ายไฟแบบระบายความร้อนด้วยของเหลวแบบกำหนดเอง

 

สำหรับการใช้งานแบบแร็คเต็ม สามารถใช้เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบอากาศต่อของเหลวรวมศูนย์แทนเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบกระจายด้านหลังสำหรับ PSU แต่ละตัวได้ โครงสร้างแบบรวมศูนย์นี้มาแทนที่เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน PSU แต่ละเครื่อง โดยให้การระบายความร้อนผ่านระบบที่ผสานกับเส้นทางการไหลของอากาศในแร็ค ทำให้ไม่ส่งผลกระทบต่อสภาพแวดล้อมในห้องเซิร์ฟเวอร์

 

เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบรวมศูนย์ตัวเดียวสามารถรองรับความสามารถในการทำความเย็นได้ 8 กิโลวัตต์ รองรับได้อย่างน้อย 150PSU ส่วนประกอบหลักของเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบอากาศสู่ของเหลวรวมศูนย์ ได้แก่ แกนเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน พอร์ตทางเข้าและทางออกของน้ำ ท่อระบายความร้อนทองแดง ตัวเรือนอะลูมิเนียม และครีบนำทางการไหล การตั้งค่านี้ช่วยให้สามารถระบายความร้อน PSU ได้อย่างมีประสิทธิภาพและปรับขนาดได้ในศูนย์ข้อมูลที่มีความหนาแน่นสูง

 

 

บทสรุป

 

▲ เซิร์ฟเวอร์ระบายความร้อนด้วยของเหลวทั้งหมด

 

เทคโนโลยีระบายความร้อนด้วยของเหลว ซึ่งเป็นตัวอย่างจากการออกแบบที่ได้รับการปรับให้เหมาะสมเหล่านี้ ถือเป็นกุญแจสำคัญในการจัดการกับความร้อนที่เพิ่มขึ้นของศูนย์ข้อมูลสมัยใหม่ ขณะเดียวกันก็ขับเคลื่อนเป้าหมายด้านประสิทธิภาพและความยั่งยืน ด้วยนวัตกรรมในโซลูชันแผ่นทำความเย็นสำหรับ CPU หน่วยความจำ SSD การ์ด PCIe/OCP และแหล่งจ่ายไฟ เซิร์ฟเวอร์ระบายความร้อนด้วยของเหลวเหล่านี้กำลังปูทางไปสู่อนาคตของศูนย์ข้อมูลที่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมและประสิทธิภาพสูงขึ้น