I. Introducción: el desafío térmico extremo de la computación con IA
La demanda de potencia informática es enorme. Los chips de IA, como las GPU y CPU avanzadas, ahora superan los límites. Su poder de diseño térmico (TDP) es muy alto. A menudo supera los 700 vatios por chip. A veces incluso se acerca a los 1000 vatios. Los sistemas de refrigeración por aire tradicionales no pueden soportar esta carga de calor. La refrigeración por aire ha fallado por completo con estas densidades de potencia.
La refrigeración líquida directa (DTC) es ahora la solución necesaria. DTC implica colocar una placa fría directamente sobre el chip. Esta es la principal tendencia en los centros de datos modernos. Pero la placa fría líquida necesita una interfaz térmica extremadamente eficiente. Esta interfaz debe conectar el chip pequeño y caliente a la placa fría grande.
Aquí es donde el entra en juego Actúa como un componente central de dispersión térmica. Se encuentra entre el chip y la placa fría de líquido final. módulo de tubos de calor . Este módulo incluye tubos de calor estándar y cámaras de vapor (VC).
Este artículo explica el papel fundamental de estos módulos de tubos de calor. Muestra cómo utilizan la transferencia de calor por cambio de fase . Esta transferencia resuelve dos problemas principales. Resuelve el problema de la alta densidad del flujo de calor local . También resuelve el problema de la generación de calor no uniforme en los chips de IA.
II. Principio del módulo de tubo de calor: cambio de fase y conductividad ultraalta
Los módulos de tubos de calor son dispositivos superiores de transferencia de calor. Utilizan el cambio de fase para mover el calor. Esto los hace mucho más eficientes que los conductores metálicos sólidos.
A. La principal ventaja de la transferencia de calor por cambio de fase
Los tubos de calor funcionan mediante un ciclo simple y continuo. Un fluido de trabajo está sellado dentro de un tubo de vacío.
El ciclo de funcionamiento del tubo de calor
Evaporación (zona de calentamiento): el calor del chip de IA hace que el fluido se vaporice. Esto absorbe una gran cantidad de energía térmica (calor latente).
Transporte: El vapor viaja rápidamente por el tubo hasta la zona más fría.
Condensación (Zona de Enfriamiento): El vapor se enfría y vuelve a convertirse en líquido. Esto libera el calor latente a la placa fría.
Retorno: El líquido regresa a la zona de calentamiento a través de una estructura de mecha (acción capilar).
Todo el proceso es extremadamente rápido. Este ciclo de cambio de fase le da al heatpipe su ventaja especial. La conductividad térmica efectiva (keff) del tubo de calor es mucho mayor que la del cobre. Puede ser de 5 a 100 veces mayor.
B. Cámara de vapor (VC) para dispersión plana
La cámara de vapor (VC) es una forma especial de tubo de calor. Está diseñado para ser plano y bidimensional.
Función de la cámara de vapor
El VC funciona según el mismo principio que un heatpipe. Sin embargo, propaga el calor a través de un plano en lugar de una línea. Esta función es esencial para los chips de IA. Estos chips tienen puntos de calor concentrados. El VC capta rápidamente el calor de estos puntos. Luego dispersa el calor uniformemente por toda su superficie superior. Esta acción prepara el calor para la siguiente etapa de enfriamiento.
El VC garantiza que el calor no permanezca en la fuente. Esta capacidad lo hace indispensable para los conjuntos de refrigeración de GPU modernos.
III. Dos misiones principales en el enfriamiento de chips de IA
El diseño térmico del chip de IA enfrenta dos desafíos físicos principales. Los módulos de tubos de calor están diseñados específicamente para abordar ambos desafíos de manera efectiva.
A. Misión uno: Manejo de la densidad de flujo de calor no uniforme (puntos calientes)
Las matrices de GPU y CPU no se calientan de manera uniforme. Ciertos bloques funcionales, como los principales núcleos informáticos, generan un calor intenso y localizado.
El desafío de los puntos calientes de chips de IA
La densidad del flujo de calor (W/cm^2) en estas áreas centrales es extrema. Pueden ser cientos de vatios por centímetro cuadrado. Si se coloca una placa fría estándar directamente encima, el calor no se propagará lo suficientemente rápido. Esto hace que la temperatura de la unión local (Tj) aumente rápidamente. Un Tj alto conduce a una limitación del rendimiento. También provoca la degradación del material.
El mecanismo de eliminación de puntos calientes de VC
La Cámara de Vapor soluciona este problema inmediatamente. La placa base de VC hace contacto con el chip. Capta instantáneamente el intenso calor de los puntos calientes. Convierte este calor en vapor dentro de su cámara. Este vapor se condensa rápidamente en las áreas más frías de la superficie del VC. Este proceso homogeneiza eficazmente el flujo de calor . Toda la superficie superior del VC se vuelve casi isotérmica. Esto evita peligrosos sobrecalentamientos localizados.
B. Misión dos: transferir calor al sistema de refrigeración líquida
El calor debe llegar finalmente al líquido refrigerante. Los módulos de tubos de calor actúan como puente vital en esta transferencia.
Reducir la brecha de tamaño y flujo
Las placas frías líquidas suelen ser componentes grandes. Necesitan grandes áreas de contacto para un intercambio de calor eficiente. El chip AI en sí es pequeño. El módulo de tubo de calor es la mejor interfaz entre estos dos tamaños. Recibe el calor de alto flujo del pequeño chip. Luego distribuye ese calor de manera eficiente por la superficie más grande de la placa fría líquida.
Maximización de la eficiencia de la placa fría líquida
Cuando el calor se transfiere a través de un VC isotérmico, suceden dos cosas. En primer lugar, la entrada de calor a la placa fría de líquido se vuelve uniforme. En segundo lugar, la placa fría de líquido puede maximizar su propia eficiencia. Puede utilizar plenamente todos sus canales internos y aletas. Esto asegura la mejor transferencia de calor por convección posible al fluido. Sin el VC o los tubos de calor, la placa fría líquida solo funcionaría de manera eficiente directamente encima del núcleo del chip.
IV. Opciones de diseño e integración de sistemas: Heat Pipe versus VC
Los ingenieros deben elegir el tipo correcto de dispositivo de cambio de fase. Esta elección depende de la disposición del chip y de la geometría del sistema.
A. Compensaciones de ingeniería entre Heat Pipe y VC
Tanto los heatpipes como los VC utilizan el mismo principio. Pero su geometría dicta su mejor uso.
Comparación de rendimiento, costos y estructura
| Parámetro | Cámara de vapor (VC) | Tubo de calor (HP) | Mejor escenario de aplicación |
| Capacidad de propagación/isotermal | Excelente (dispersión plana rápida) | Moderado (mejor para transporte direccional) | Contacto directo con el núcleo del chip de alto flujo. |
| Flexibilidad estructural | Bajo (debe permanecer prácticamente estable) | Alto (se puede doblar y moldear para sortear obstáculos) | Trasladar calor a largas distancias a un disipador de calor remoto. |
| Costo | Superior (estructura interna compleja) | Inferior (Fabricación de tubos estandarizados) |
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| Flujo de calor aplicable | Extremo ($>500 ext{W}/ ext{cm}^2$) | Moderado a alto |
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El VC es la mejor opción para la interfaz directa del chip . Maneja mejor el flujo extremo no uniforme. Los tubos de calor se utilizan entonces a menudo como conductos . Mueven el calor esparcido a una placa fría de líquido remota o a un intercambiador de calor.
B. Integración del diseño del módulo de refrigeración híbrido
Una solución típica de refrigeración de IA es un módulo híbrido. Vincula el chip al sistema DTC.
La pila del módulo de refrigeración líquida DTC
El calor debe atravesar una pila específica de materiales. La pila incluye:
El diseño debe centrarse en minimizar la resistencia térmica en las dos interfaces TIM. El VC debe tener una planitud excelente. Esta planitud es necesaria para acoplarse perfectamente tanto con el chip como con la placa fría. El VC actúa como un isotérmico perfecto . Convierte una fuente de calor compleja en una simple y uniforme para la placa fría de líquido.
V. Optimización del rendimiento y desafíos de la industria
Los módulos de tubos de calor son más que simples motores de calor. Son componentes clave para aumentar el rendimiento del sistema y garantizar la confiabilidad a largo plazo.
A. Beneficios de rendimiento: reducción de Tj y estabilidad
La alta eficiencia del módulo de tubo de calor tiene beneficios directos para el chip.
Reducción de la temperatura de la unión (Tj)
La baja resistencia térmica del módulo significa que el chip funciona a menor temperatura. Esto se traduce directamente en una temperatura de unión del chip más baja (T_j). Un $Tj más bajo es fundamental. Permite que el chip AI funcione a velocidades de reloj más altas. Permite períodos de impulso más largos. Esto maximiza el rendimiento computacional.
Mejora de la confiabilidad y la vida útil
Los módulos de tubos de calor proporcionan una excelente uniformidad térmica. Eliminan eficazmente los puntos calientes. Esta eliminación reduce la diferencia máxima de temperatura (DeltaT_max) en la superficie del chip. Los ciclos de temperatura reducidos y los gradientes térmicos reducen significativamente el riesgo de estrés térmico. Esta acción aumenta sustancialmente la vida útil general y la confiabilidad del hardware de IA.
B. Desafíos de ingeniería y fabricación
Diseñar y fabricar dispositivos de cambio de fase es complejo.
Desafíos en la fabricación de dispositivos de cambio de fase
Efecto de gravedad: los heatpipes estándar pueden verse afectados por la gravedad. Su rendimiento disminuye si están mal orientados contra la gravedad. El diseño del servidor debe tener en cuenta el ángulo de trabajo óptimo del tubo de calor para garantizar la confiabilidad.
Sellado y limpieza: Los heatpipes y VC requieren un sellado interno perfecto. El fluido de trabajo y la estructura de la mecha deben estar extremadamente limpios. Cualquier gas no condensable reduce drásticamente la eficiencia. Esto requiere estampado de alta precisión y soldadura fuerte o soldadura fuerte (procesos dominados por Winshare Thermal).
Integridad de alta presión: el VC debe soportar alta presión interna a temperaturas elevadas. La estructura debe ser robusta.
Escalado H3 para futuros TDP
Los TDP seguirán subiendo. La industria avanza hacia soluciones híbridas. Estas soluciones incluyen VC muy gruesos o incluso placas frías líquidas de microcanales colocadas directamente sobre el VC. El papel del componente de dispersión térmica sigue siendo fundamental para las futuras soluciones de refrigeración de IA.
VI. Conclusión: el valor térmico de los caloductos en la cadena de enfriamiento de IA
El módulo de tubería de calor es un componente central de gestión térmica. Es indispensable en la moderna cadena de refrigeración de servidores de IA. Resuelve eficientemente los problemas fundamentales de los puntos calientes localizados y el difícil transporte de calor.
El módulo proporciona una superficie isotérmica. Esta superficie es necesaria para que la placa fría de líquido final funcione con la máxima eficiencia. A medida que el TDP continúa aumentando, la capacidad de dispersión térmica de los VC y los heatpipes se convierte en la base esencial. Es la clave para desbloquear todo el potencial de rendimiento de la refrigeración líquida directa.
Winshare Thermal ofrece capacidades de un extremo a otro. Diseñamos y fabricamos VC, módulos de tubos de calor personalizados y placas de refrigeración líquida de alto rendimiento. Ofrecemos soluciones térmicas integradas para las aplicaciones de IA más exigentes. Contáctenos para optimizar la arquitectura térmica de su servidor de IA.
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