De snelle ontwikkeling van AI-computing drijft serverprocessors naar een hoger stroomverbruik en een grotere warmtefluxdichtheid.Aangezien GPU-gebaseerde computing steeds belangrijker wordt voor AI-training en inferentieHet thermisch beheer is niet langer alleen maar een kwestie van het kiezen van een grotere koelplaat.De thermische interface tussen de warmtebron en de koelstructuur kan een aanzienlijke invloed hebben op de algemene prestaties van het systeem.

Voor AI-servers met een hoge dichtheid genereren verschillende componenten verschillende niveaus van warmte en hebben ze verschillende interface-geometrieën.Terwijl geheugen en hulpmiddelen dun en conform materiaal nodig hebbenPCB-vermogenscomponenten kunnen zowel thermische geleidbaarheid als elektrische isolatie vereisen, terwijl structuren op systeemniveau kunnen profiteren van zijdelingse warmteverspreiding.

Deze klantenzaak toont aan hoe een combinatie vanVloeibare metaal TIM, faseveranderingsmateriaal, thermische pads en op grafeen gebaseerde thermische interfacematerialenkan worden gebruikt om een meerniveaus thermische beheersstrategie op te zetten voor AI-computersystemen met een hoge dichtheid.

Moderne AI-servers integreren meerdere high-performance GPU's, CPU's, geheugenapparaten, stroomcomponenten en andere warmteopwekkende elementen in een relatief compacte ruimte.

Dit creëert verschillende thermische uitdagingen.

Als het GPU-vermogen toeneemt, wordt de warmte van de processor vergroot.de thermische weerstand tussen de chip en de koelstructuur wordt steeds belangrijker.

Zelfs wanneer een koelplaat of een koelschip voldoende koelcapaciteit heeft, kan een slecht ontworpen interface de warmteoverdracht beperken.

AI-serverarchitecturen bevatten componenten met verschillende pakkethoogten en oppervlaktegeometrieën.verhoging van de thermische weerstand.

De TIM moet derhalve voldoende conformiteit bieden en de gaten vullen zonder onnodige materiaaldikte te introduceren.

Vermogenscomponenten en PCB-assemblages kunnen thermisch beheer vereisen met behoud van elektrische isolatie.

Het kan ook nodig zijn rekening te houden met de mechanische conformiteit, de compressieprestaties, de assemblagewijze en de dielectrische eigenschappen.

Als de warmte niet effectief kan worden verdeeld, kunnen zich gelokaliseerde hotspots ontwikkelen over de warmtezuiger, het chassis, deof andere thermische structuren.

Dit maakt warmteverspreiding een belangrijk onderdeel van het totale thermische ontwerp van AI-servers.

In plaats van voor elk onderdeel één TIM te gebruiken, is in het project een toepassingsgerichte materiaalstrategie toegepast.

Elke thermische interface werd geëvalueerd op basis van de warmteopwekking, de interfaceploof, het doel van de thermische weerstand, de mechanische en de elektrische vereisten.

De resulterende architectuur combineerde vier verschillende TIM-technologieën:

Deze aanpak stelt elk materiaal in staat de functie te vervullen waarvoor het het meest geschikt is.

De GPU en de CPU behoren doorgaans tot de meest warmtebehoevende componenten in een AI-server.

Voor deze interfaces is het primaire doel de thermische weerstand tussen het halfgeleiderpakket en de koelstructuur te minimaliseren.

Het project gebruikte TIG78 Series vloeibare metaal TIM voor high-power interfaces.

Volgens de aangeleverde gegevens over de gevallen bevat het materiaal:

• met een vermogen van niet meer dan 50 W78 W/m·K

• Gerapporteerde thermische impedantie zo laag als00,02 °C·in2/W

• Werktemperatuurbereik van-45°C tot 200°C

De combinatie van een hoge thermische geleidbaarheid en een gerapporteerde lage thermische impedantie helpt een efficiënt warmte-overdrachtspad van de processor naar de hittezuiger of koelstructuur te creëren.

Vloeibare metaal TIM kan bijzonder aantrekkelijk zijn voor toepassingen met een hoog vermogen, waarbij elke toename van de thermische weerstand van de interface van belang is.

Echter, ingenieurs moeten ook rekening houden met elektrische isolatie, materiaal compatibiliteit, toepassingsproces, opsluiting en betrouwbaarheid op lange termijn bij het ontwerpen van een vloeibare metalen interface.

Niet elke thermische interface in een AI-server vereist de extreem lage thermische weerstand die wordt geassocieerd met vloeibaar metaal.

Geheugen en hulpmiddelen hebben vaak verschillende thermische vereisten en kunnen profiteren van een zeer dun interface-materiaal dat zich aan de paringsoppervlakken kan aanpassen.

Voor deze toepassingen is het TIC800-materiaal voor faseveranderingen geselecteerd.

De verstrekte specificaties omvatten:

• Thermische geleidbaarheid:5.0 W/m·K

• Diktebereik:0.102·0.305 mm

Tijdens de werking kan het materiaal zich aan de interface aanpassen onder de juiste omstandigheden, waardoor microscopische luchtkloofpen tot een minimum worden beperkt.

Voor compacte AI-serverarchitecturen kan een dunne fasewisselingsinterface een praktisch evenwicht bieden tussen thermische prestaties, interfaceconformiteit en integratie op pakketniveau.

De vereisten voor thermisch beheer verschillen met betrekking tot vermogenselektronica en PCB-componenten.

Deze gebieden kunnen onregelmatige oppervlakken of variaties in de hoogte van de onderdelen hebben en kunnen ook elektrische isolatie vereisen.

Voor deze toepassingen werd een TIF800TU-16W thermische pad gebruikt.

De geleverde productgegevens geven aan:

• Thermische geleidbaarheid:16 W/m·K

• Hardheid:45 Shore 00

• Opties voor dikte:0.5·5.0 mm

• Thermische en elektrische isolatie kenmerken

In vergelijking met vloeibaar metaal biedt een thermische pad een handigere verbinding met vaste stoffen voor toepassingen waarbij gapvulling, mechanische conformiteit, isolatie en assemblage-efficiëntie belangrijk zijn.

De mogelijkheid om verschillende diktes te selecteren, stelt het materiaal ook in staat om verschillende spleten tussen componenten en radiatoren te verwerken.

Het beheersen van de warmte op de interface chip-to-heat-sink is slechts een deel van de thermische uitdaging.

In AI-systemen met een hoge dichtheid kan gelokaliseerde warmte zich ook ophopen in warmteputten, chassisstructuren en andere delen van het thermische pad.

Voor deze toepassingen kunnen op grafeen gebaseerde thermische interfacematerialen een extra warmteverspreidingsfunctie bieden.

Uit de verstrekte projectgegevens blijkt dat de thermische geleidbaarheid in het vlak maximaal is:

130 W/m·K

Het primaire doel is niet alleen om warmte verticaal door de interface over te brengen.

Potentiële toepassingen zijn:

• met een breedte van niet meer dan 30 mm

• Thermische verspreiding van het chassis

• Multi-GPU-systemen

• Lokaal beheer van hotspots

• Temperatuurvergelijking

Omdat op grafeen gebaseerde thermische materialen anisotrope thermische gedrag kunnen vertonen,de ingenieurs moeten zowel de thermische prestaties in het vlak als in het vlak beoordelen op basis van de werkelijke warmte-stroomrichting.

Een veel voorkomende fout bij thermisch ontwerp is om een TIM alleen op basis van de thermische geleidbaarheid te kiezen.

In werkelijkheid is de thermische prestatie afhankelijk van de volledige interface.

Een materiaal met een extreem hoge thermische geleidbaarheid is bijvoorbeeld mogelijk niet de beste keuze als de toepassing vereist:

• Grote gaten vullen

• Elektrische isolatie

• Hoge compressievermogen

• Gemakkelijk te monteren

• Complexe conformiteit van oppervlakken

• Automatische afgifte

• Lage mechanische spanning

Omgekeerd kan een thermische pad met matige thermische geleidbaarheid geschikter zijn voor een PCB-vermogencomponent als elektrische isolatie en gapcompensatie van cruciaal belang zijn.

Daarom moet het selectieproces beginnen met dethermische interface vereiste, in plaats van gewoon te vragen welke TIM de hoogste W/m·K waarde heeft.

Een vereenvoudigde selectiestrategie voor AI-serverwarmtebeheer is:

Overweeg een TIM met lage weerstand, zoals vloeibare metaal, wanneer de toepassing de vereiste elektrische, mechanische, compatibiliteits- en betrouwbaarheidsomstandigheden ondersteunt.

Fasewisselingsmaterialen kunnen een dunne en conform interfaces voor gecontroleerde gaten.

Thermische pads kunnen een combinatie van warmteoverdracht, elektrische isolatie, gaten vullen en mechanische conformiteit bieden.

Op grafeen gebaseerde thermische interfacematerialen kunnen helpen om de warmte zijdelings te verdelen en de temperatuurconcentratie te verlagen.

Hierdoor ontstaat een thermische architectuur waarin elk materiaal een duidelijk gedefinieerde rol speelt.

Volgens de aangeleverde projectmaterialen werden de thermische beheersoplossingen geëvalueerd in AI-server- en intelligente computingcentrumtoepassingen.

Een gemeld AI-serverproject voor een cloudserviceprovider heeft:

Chiptemperatuur: 88°C → 65°C

Hetzelfde dossiermateriaal meldde eenVerbetering van de computerprestaties met 28%.

In een ander intelligent computercentrum koeling optimalisatie project, de verstrekte gegevens gemeld:

PUE: 1,42 → 1.08

Het projectmateriaal rapporteerde ook een jaarlijkse elektriciteitsbesparing van meer dan5 miljoen kWh.

Voor een zelf ontwikkelde high-performance AI-server meldde het geleverde case materiaal:

• 10,000 uurvan continue werking

• Temperatuurschommelingen van≤ ±2°C

• Geen gemelde storingen

Deze cijfers moeten worden gecontroleerd tegen de toepasselijke testomstandigheden, testverslagen, goedkeuring door de klant en definitieve productspecificaties voordat ze worden gepubliceerd.

De belangrijkste les uit dit project is dat het thermisch beheer van AI-servers moet worden beschouwd als een compleet thermisch pad.

Het koelsysteem omvat meer dan de GPU en koude plaat.

Het omvat ook:

Halve geleider → TIM → Warmteverspreider / koude plaat → Warmtezuiger → Chassis → Koelsysteem

Elke significante thermische weerstand binnen dit traject kan van invloed zijn op de eindtemperatuur van het systeem.

Daarom kunnen verschillende TIM-technologieën samenwerken binnen dezelfde server.

Vloeibare metaal kan de thermische weerstand bij chipinterfaces met een hoog vermogen verminderen.

Faseveranderingsmateriaal kan dunne en conform interfaces bieden.

Thermische pads kunnen grotere gaten opvangen en tegelijkertijd elektrische isolatie bieden.

Materiaal op basis van grafeen kan de hitte lateral verspreiden en de temperatuur gelijkmatigheid verbeteren.

Samen bieden deze technologieën een flexibelere aanpak voor thermisch beheer van AI-servers met een hoge dichtheid.

Een goed ontworpen thermische strategie met meerdere materialen kan verschillende voordelen opleveren:

• Ondergrenswarmteweerstand

• Betere compensatie van de tekortkomingen

• Verbeterde elektrische veiligheid

• Verbeterde temperatuuruniformiteit

• Meer flexibiliteit in ontwerp

Als AI servers blijven evolueren naar een hogere GPU-vermogendichtheid, compacte architecturen en geavanceerde koelsystemen,thermische interfacemateriaal zal een steeds belangrijkere rol spelen bij het handhaven van de prestaties en betrouwbaarheid van het systeem.

De sleutel is niet simpelweg om de TIM met de hoogste thermische geleidbaarheid te kiezen.

Een succesvolle oplossing voor thermisch beheer moet rekening houden met de volledige combinatie van:

Thermische geleidbaarheid + thermische weerstand + gap + compressie + elektrische isolatie + assemblageproces + betrouwbaarheid

In dit klantproject wordt een combinatie vanVloeibare metaal TIM, faseveranderingsmateriaal, thermische pads met een hoge thermische geleidbaarheid en op grafeen gebaseerde thermische interfacematerialenwerd gebruikt om verschillende thermische interfaces in een AI-server met een hoge dichtheid aan te pakken.

Deze toepassingsspecifieke aanpak biedt een flexibele weg voor het beheer van zowelhotspots op chipniveau en warmteverdeling op systeemniveau, ter ondersteuning van de verdere ontwikkeling van een hoogwaardige AI-computinginfrastructuur.

Voor GPU-to-cooling-interfaces met een hoog vermogen kunnen materialen met een lage thermische weerstand, zoals vloeibaar metaal, worden overwogen wanneer de toepassing voldoet aan de vereiste elektrische,mechanische, verenigbaarheid en betrouwbaarheid.

Thermische pads blijven nuttig voor interfaces die gaten moeten vullen, elektrische isolatie, mechanische conformiteit en handige assemblage vereisen.Ze zijn vooral geschikt voor PCB- en powercomponenttoepassingen.

Faseveranderingsmaterialen kunnen een dunne interface bieden en tegelijkertijd de conformiteit met paringsoppervlakken onder passende bedrijfsomstandigheden verbeteren.Ze kunnen nuttig zijn voor geheugen en andere compacte componenten interfaces.

Op grafeen gebaseerde thermische interfacematerialen kunnen worden gebruikt voor zijdelingse warmteverspreiding en temperatuurevening.Hun hoge thermische geleidbaarheid in het vlak maakt ze bijzonder interessant voor het beheer van hotspots en de thermische distributie op systeemniveau.

De TIM-dikte moet worden bepaald op basis van de werkelijke interfaceploof, de bestanddeelstolerantie, de vereiste compressie en het door de fabrikant aanbevolen toepassingsbereik.terwijl overmatige dikte de thermische weerstand kan verhogen.

Een multi-TIM-strategie kan vloeibaar metaal, faseveranderingsmaterialen, thermische pads, thermische gels,en op grafeen gebaseerde materialen in verschillende delen van dezelfde thermische architectuur.

ZIITEK biedt meerdere thermische interfacetechnologieën en kan TIM-selectie evalueren op basis van thermische geleidbaarheid, thermische weerstand, gat, hardheid, elektrische isolatie, assemblageproces,werktemperatuur, en betrouwbaarheidseisen.