La revolución de los servidores con refrigeración líquida completa Soluciones de refrigeración eficientes para CPU, memoria y PCIe

 

En el contexto del XIV Plan Quinquenal de China, que pone énfasis en el desarrollo de la economía digital, los centros de datos sirven como infraestructura central que respalda la transformación digital, pero también enfrentan importantes presiones de emisiones de carbono. Con el aumento del consumo de energía de los chips y servidores, la densidad de energía por rack está aumentando y la refrigeración por aire tradicional se está volviendo gradualmente limitada en términos de disipación de calor y optimización energética.

 

▲ Centros de datos

 

La refrigeración líquida, como tecnología de refrigeración emergente, utiliza refrigerante líquido para eliminar el calor generado por los componentes. En comparación con la refrigeración por aire, la refrigeración líquida ofrece varias ventajas, entre ellas, compatibilidad con chips de alta potencia, mayor vida útil de los chips, menor PUE (eficacia de uso de energía) de los centros de datos, mejor eficiencia de transferencia de calor, minimización de puntos de calor, compatibilidad con mayores densidades de rack, reducción del ruido y mejor adaptabilidad ambiental. Por lo tanto, la refrigeración líquida se convertirá en una parte importante de la construcción de centros de datos futuros, crucial para lograr los objetivos de computación ecológica y neutralidad de carbono.

 

Los nodos de los servidores totalmente refrigerados por líquido se componen de un chasis de nodo, placa base, chips de CPU, módulos de memoria, placas frías de memoria, placas frías de CPU, placas frías de E/S, fuentes de alimentación e intercambiadores de calor de fuente de alimentación.

 

 

Diseño de placa fría para CPU

 

El módulo de placa fría de CPU está diseñado en función de los requisitos de la placa fría del procesador escalable de la plataforma Intel Xeon de quinta generación. Tiene en cuenta factores como la disipación de calor, el rendimiento estructural, el rendimiento, el costo y la compatibilidad con diferentes materiales en el diseño de la placa fría, lo que da como resultado un diseño de referencia optimizado. La placa fría de CPU consta principalmente de un soporte de aluminio, una placa fría y conectores de placa fría.

 

▲ Placa de enfriamiento de CPU

 

 

Diseño de refrigeración líquida con memoria II

 

El diseño de refrigeración líquida de la memoria emplea un innovador disipador térmico de refrigeración líquida de tipo "traviesa de riel", llamado así por su parecido con las traviesas de las vías del tren cuando las ranuras de memoria están completamente ocupadas. Este diseño combina la refrigeración por aire tradicional con la refrigeración por placa fría. El disipador térmico, que incorpora tubos de calor (o está hecho de aluminio/cobre puro, VaporChamber, etc.), transfiere el calor de la memoria a ambos extremos, que luego entran en contacto con la placa fría a través de almohadillas térmicas seleccionadas, lo que permite que el refrigerante líquido de la placa fría se lleve el calor.

 

La memoria y el disipador de calor se pueden ensamblar en una unidad de mantenimiento mínimo (denominada módulo de memoria) fuera del sistema mediante accesorios. La placa de enfriamiento de memoria está diseñada con una estructura para garantizar un buen contacto entre el disipador de calor y la placa de enfriamiento de memoria. Esta estructura se puede asegurar con tornillos o se puede mantener sin herramientas según sea necesario. La parte superior de la placa de enfriamiento de memoria enfría la memoria, mientras que la parte inferior puede enfriar otros componentes que generan calor en la placa base, como VR, maximizando el uso de la placa de enfriamiento de memoria. Para simplificar el diseño de la placa de enfriamiento, se puede introducir un soporte adaptador entre la memoria y la placa base para cumplir con el espacio libre de altura de las diferentes placas base.

 

▲ Placa de enfriamiento con memoria

 

En comparación con las soluciones de refrigeración líquida basadas en tubos existentes en el mercado, el diseño de refrigeración líquida de "traviesas de riel" tiene las siguientes ventajas:

 

Facilidad de mantenimiento:Durante el mantenimiento de la memoria, el módulo de memoria se repara como si fuera un módulo de memoria refrigerado por aire, sin necesidad de quitar el disipador de calor ni los sujetadores. Esto mejora enormemente la eficiencia y la confiabilidad del ensamblaje, al mismo tiempo que reduce los posibles daños a los chips de memoria y las almohadillas térmicas durante la instalación y el desmontaje.

 

Buena compatibilidad: TEl rendimiento de refrigeración no se ve afectado por los diferentes grosores o espaciados de los chips de memoria. La solución admite un espaciado mínimo de memoria de 7,5 mm y es compatible con versiones posteriores. El diseño desacoplado del disipador de calor y la placa fría permite la reutilización y estandarización de la memoria refrigerada por líquido.

 

Mayor relación costo-beneficio:El disipador térmico se puede seleccionar en función del consumo de energía de la memoria y la cantidad de disipadores térmicos se puede configurar según los requisitos de la memoria. Para una separación de memoria de 7,5 mm, esta solución puede satisfacer las necesidades de refrigeración de los módulos de memoria con un consumo de energía superior a 30 W.

 

Fácil de fabricar y montar:No hay tubos de refrigeración líquida entre las ranuras de memoria, lo que elimina la necesidad de realizar complejas soldaduras de tubos y controlar el proceso. El disipador térmico se puede fabricar utilizando técnicas tradicionales de refrigeración por aire y de fabricación de placas frías para CPU estándar. El rendimiento térmico no es sensible a las tolerancias entre el disipador térmico y la placa base en la dirección perpendicular al plano del chip de memoria, lo que facilita el montaje.

 

Alta confiabilidad:El diseño de refrigeración líquida con "rieles de unión" evita posibles daños a los chips de memoria y a las almohadillas térmicas durante el montaje y cumple con los requisitos de múltiples inserciones y extracciones. Además, elimina el riesgo de problemas de contacto de señal entre la memoria y los zócalos debido a una desalineación, lo que mejora enormemente la confiabilidad del sistema.

 

 

Diseño de refrigeración líquida para SSD III

 

La innovadora solución de refrigeración líquida para SSD transfiere el calor desde el área SSD a través de un disipador térmico con tubos de calor integrados. Luego, el calor se conduce a la placa fría fuera del área SSD a través del contacto directo con almohadillas térmicas.

 

Esta solución de refrigeración líquida para SSD consta principalmente de un módulo SSD con un disipador de calor, una placa de enfriamiento para SSD, un mecanismo de bloqueo del módulo SSD y un soporte para SSD. El mecanismo de bloqueo del soporte para SSD garantiza una precarga adecuada para mantener un contacto confiable a largo plazo entre el módulo SSD y la placa de enfriamiento. Para facilitar la instalación en espacios reducidos, el soporte para SSD adopta un diseño tipo cajón en la dirección de profundidad del servidor.

 

▲ Diseño de refrigeración líquida SSD

 

En comparación con los intentos de refrigeración líquida SSD existentes, los avances en esta solución incluyen:

• Admite más de 30 inserciones/extracciones intercambiables en caliente sin apagar.
• No hay riesgo de daños por corte en los materiales de la interfaz térmica durante la instalación del SSD; el mecanismo de bloqueo garantiza la confiabilidad del contacto a largo plazo.
• Baja complejidad de fabricación, requiriendo únicamente procesos tradicionales de refrigeración por aire y fabricación de placas frías de CPU.
• No hay vías de agua entre los SSD, lo que permite que varios SSD compartan una única placa fría, lo que reduce la cantidad de conectores y disminuye el riesgo de fugas.
• Adaptación flexible a diferentes espesores de SSD y configuraciones del sistema.

 

 

Diseño de refrigeración líquida para tarjetas NPCIe/OCP IV

 

1. Solución de refrigeración líquida PCIe

La solución de refrigeración líquida de la tarjeta PCIe se basa en la tarjeta PCIe refrigerada por aire existente. Se logra la refrigeración del módulo óptico y los chips principales de la tarjeta PCIe mediante el desarrollo de un módulo de refrigeración que entra en contacto con la placa fría del sistema. El calor del módulo óptico se transfiere a través de tubos de calor al módulo disipador de calor principal de la tarjeta PCIe, que luego disipa el calor a través del contacto con la placa fría de E/S utilizando materiales de interfaz térmica adecuados.

 

La tarjeta PCIe refrigerada por líquido consta principalmente de una abrazadera de disipador de calor QSFP, un módulo de disipador de calor de chip PCIe y una tarjeta PCIe. La abrazadera QSFP debe tener suficiente elasticidad para garantizar un contacto flotante adecuado durante la instalación, evitando daños al módulo óptico y asegurando un buen contacto para un rendimiento de refrigeración óptimo.

 

▲ Refrigeración líquida PCIe

 

2. OCP 3.0 Solución de refrigeración líquida

La solución de refrigeración líquida de la tarjeta OCP 3.0 es similar a la de la tarjeta PCIe. Personaliza un disipador térmico de refrigeración líquida para la tarjeta OCP 3.0, transfiriendo el calor de los chips principales de la tarjeta al disipador térmico de refrigeración líquida. Luego, el calor se elimina a través del contacto entre el disipador térmico y la placa fría de E/S del sistema.

 

El módulo de refrigeración líquida OCP 3.0 consta principalmente de un módulo disipador de calor, una tarjeta OCP 3.0 y su soporte. Debido a las limitaciones de espacio, el mecanismo de bloqueo utiliza tornillos de resorte para garantizar la fiabilidad del contacto a largo plazo entre el módulo disipador de calor y la placa de refrigeración de E/S.

 

▲ OCP 3.0 Refrigeración líquida

 

Dada la necesidad de un fácil mantenimiento y múltiples inserciones/extracciones intercambiables en caliente de la tarjeta OCP 3.0, el mecanismo de bloqueo y los materiales de la interfaz térmica se han optimizado para mejorar la confiabilidad general y la conveniencia del mantenimiento.

 

 3. Solución de placa fría IO 

La placa fría IO es una placa fría multifuncional que enfría no solo los componentes que generan calor en el área IO de la placa base sino también las tarjetas PCIe y OCP 3.0 refrigeradas por líquido.

 

▲ Placa fría IO

 

La placa de enfriamiento de E/S consta principalmente de un cuerpo de aleación de aluminio y tubos de cobre para el flujo de refrigerante y una mejor disipación del calor. El diseño debe optimizarse de acuerdo con la disposición de la placa base y los requisitos de disipación del calor. Los módulos de tarjeta PCIe y OCP 3.0 refrigerados por líquido entran en contacto con la placa de enfriamiento de E/S a lo largo de las vías designadas. Los materiales refrigerantes deben ser compatibles con el refrigerante de la tubería del sistema y los agentes humectantes.

 

▲ Placa fría IO

 

Esta solución de refrigeración líquida para la placa fría de E/S satisface las necesidades de ensamblaje multidimensional de varios componentes, utilizando una combinación de materiales de cobre y aluminio para resolver problemas de compatibilidad. Garantiza una disipación de calor eficaz, reduce el peso de la placa fría en un 60 % y reduce los costos.

 

 

Diseño de placa fría de fuente de alimentación en forma de V

 

La solución de enfriamiento líquido de la fuente de alimentación integra un intercambiador de calor aire-líquido externo con la fuente de alimentación enfriada por aire (PSU) existente, enfriando el aire expulsado por el ventilador de la PSU y reduciendo el efecto de precalentamiento en el entorno externo del centro de datos.

 

El intercambiador de calor trasero de la fuente de alimentación presenta una estructura multicapa con canales de flujo y aletas superpuestos. Las dimensiones del intercambiador de calor están optimizadas para las necesidades funcionales y de espacio sin afectar las conexiones de los cables de la fuente de alimentación. El intercambiador de calor está montado de forma independiente en el chasis del nodo.

 

▲ Fuente de alimentación Refrigeración líquida

 

Esta innovadora solución de refrigeración líquida para fuentes de alimentación elimina la necesidad de desarrollar nuevas fuentes de alimentación refrigeradas por líquido, lo que acorta el tiempo de desarrollo y reduce los costos. Su alta adaptabilidad permite que se aplique de manera flexible a varios diseños de fuentes de alimentación, lo que permite ahorrar más del 60 % en comparación con las fuentes de alimentación refrigeradas por líquido personalizadas.

 

Para aplicaciones de rack completo, se puede utilizar un intercambiador de calor aire-líquido centralizado en lugar de intercambiadores de calor traseros distribuidos para cada fuente de alimentación. Esta estructura centralizada reemplaza los intercambiadores de calor de las fuentes de alimentación individuales y proporciona refrigeración a través de un sistema que se integra con las vías de flujo de aire del rack, lo que garantiza que no se produzca ningún impacto en el entorno de la sala de servidores.

 

Un solo intercambiador de calor centralizado puede manejar 8 kW de capacidad de enfriamiento y soportar al menos 150Fuentes de alimentación. Los componentes principales del intercambiador de calor aire-líquido centralizado incluyen un núcleo de intercambiador de calor, puertos de entrada y salida de agua, tubos de refrigeración de cobre, una carcasa de aluminio y aletas de guía de flujo. Esta configuración permite una refrigeración eficiente y escalable de las fuentes de alimentación en centros de datos de alta densidad.

 

 

Conclusión

 

▲ Servidor totalmente refrigerado por líquido

 

La tecnología de refrigeración líquida, ejemplificada por estos diseños optimizados, es clave para gestionar la creciente producción de calor de los centros de datos modernos y, al mismo tiempo, impulsar los objetivos de eficiencia y sostenibilidad. Con innovaciones en soluciones de placas frías para CPU, memoria, SSD, tarjetas PCIe/OCP y fuentes de alimentación, estos servidores refrigerados por líquido están allanando el camino hacia un futuro de centros de datos más ecológicos y de mayor rendimiento.