توسعه سریع محاسبات هوش مصنوعی پردازنده های سرور را به سمت مصرف انرژی بیشتر و تراکم جریان حرارتی بیشتر می راند.همانطور که محاسبات مبتنی بر GPU به طور فزاینده ای برای آموزش و نتیجه گیری هوش مصنوعی مهم می شود، مدیریت حرارتی دیگر فقط یک مسئله انتخاب یک بخارگر بزرگتر نیست.رابط حرارتی بین منبع حرارتی و ساختار خنک کننده می تواند تأثیر قابل توجهی بر عملکرد کلی سیستم داشته باشد.

برای سرورهای هوش مصنوعی با تراکم بالا، اجزای مختلف سطوح مختلفی از گرما را تولید می کنند و هندسه های رابط مختلف دارند. بسته های GPU و CPU ممکن است به مقاومت حرارتی بسیار پایین نیاز داشته باشند،در حالی که حافظه و اجزای کمکی ممکن است به مواد نازک و سازگار نیاز داشته باشنداجزای قدرت PCB ممکن است به هردو رسانایی حرارتی و عایق برق نیاز داشته باشند، در حالی که سازه های سطح سیستم ممکن است از گسترش حرارتی جانبی بهره مند شوند.

این مورد مشتری نشان می دهد که چگونه ترکیبی ازTIM فلز مایع، مواد تغییر فاز، پد های حرارتی و مواد رابط حرارتی مبتنی بر گرافنمی تواند برای ساخت یک استراتژی مدیریت حرارتی چند سطحی برای سیستم های محاسباتی هوش مصنوعی با چگالی بالا استفاده شود.

سرورهای هوش مصنوعی مدرن چندین GPU با عملکرد بالا، CPU، دستگاه های حافظه، اجزای قدرت و سایر عناصر تولید کننده گرما را در یک فضای نسبتا فشرده ادغام می کنند.

این باعث ایجاد چندین چالش حرارتی می شود.

پردازنده های با کارایی بالا حرارت متمرکز را در مناطق نسبتا کوچک تولید می کنند.مقاومت حرارتی بین تراشه و ساختار خنک کننده به طور فزاینده ای مهم می شود.

حتی زمانی که یک صفحه سرد یا بخارگر دارای ظرفیت خنک کننده کافی باشد، یک رابط طراحی نامناسب می تواند انتقال گرما را محدود کند.

معماری های سرور هوش مصنوعی شامل اجزای دارای ارتفاع بسته های مختلف و هندسه های سطحی هستند. شکاف های کوچک بین یک جزء تولید کننده گرما و ساختار خنک کننده آن می تواند جیب های هوا را وارد کند،افزایش مقاومت حرارتی.

بنابراین، TIM باید مطابقت کافی و پر کردن شکاف را بدون معرفی ضخامت مواد غیرضروری فراهم کند.

اجزای قدرت و مجموعه های PCB ممکن است نیاز به مدیریت حرارتی در حالی که عایق الکتریکی را حفظ کنند. یک ماده با رسانایی حرارتی بالا ممکن است به تنهایی کافی نباشد.

سازگاری مکانیکی، عملکرد فشرده سازی، روش مونتاژ و خواص دی الکتریک نیز ممکن است لازم باشد در نظر گرفته شود.

چندین GPU که همزمان کار می کنند می توانند مناطق حرارتی متمرکز ایجاد کنند. اگر گرما به طور موثر توزیع نشود، نقاط گرم محلی ممکن است در سراسر بخاری، شاسی،یا سایر سازه های حرارتی.

این باعث می شود که انتشار گرما بخش مهمی از طراحی حرارتی سرور هوش مصنوعی باشد.

به جای استفاده از یک TIM برای هر جزء، پروژه یک استراتژی مواد خاص را برای هر کاربرد اتخاذ کرد.

هر رابط حرارتی بر اساس تولید گرما، شکاف رابط، هدف مقاومت حرارتی، الزامات مکانیکی و الزامات الکتریکی آن ارزیابی شد.

معماری حاصل از این ترکیب چهار فناوری TIM مختلف:

این رویکرد به هر ماده اجازه می دهد تا عملکردی را انجام دهد که برای آن مناسب است.

GPU و CPU به طور معمول در میان اجزای گرمایی مورد نیاز در یک سرور هوش مصنوعی هستند.

برای این رابط ها، هدف اصلی به حداقل رساندن مقاومت حرارتی بین بسته نیمه هادی و ساختار خنک کننده است.

این پروژه از سری TIG78 از فلز مایع TIM برای رابط های قدرتمند استفاده می کند.

بر اساس داده های موردی ارائه شده، این ماده ارائه می دهد:

• رسانایی حرارتی تا78 W/m·K

• مقاومت حرارتی گزارش شده به پایین ترین حد ممکن است:0.02 °C·in2/W

• محدوده دمای کار-45 تا 200 درجه سانتیگراد

ترکیبی از رسانایی حرارتی بالا و مقاومت حرارتی پایین گزارش شده کمک می کند تا یک مسیر انتقال گرما کارآمد از پردازنده به بخارگر یا ساختار خنک کننده ایجاد شود.

TIM فلز مایع می تواند به ویژه برای کاربردهای قدرت بالا که در آن هر افزایش مقاومت حرارتی رابط مهم است، جذاب باشد.

با این حال، مهندسان باید در هنگام طراحی رابط فلزی مایع، جداسازی الکتریکی، سازگاری مواد، فرآیند استفاده، مهار و قابلیت اطمینان طولانی مدت را نیز در نظر بگیرند.

نه هر رابط حرارتی در یک سرور هوش مصنوعی نیاز به مقاومت حرارتی بسیار پایین مرتبط با فلز مایع دارد.

حافظه و اجزای کمکی اغلب دارای نیازهای حرارتی متفاوت هستند و ممکن است از یک ماده رابط بسیار نازک که قادر به انطباق با سطوح جفت گیری است، بهره مند شوند.

مواد تغییر فاز TIC800 برای این برنامه ها انتخاب شد.

مشخصات ارائه شده شامل:

• رسانایی حرارتی:5.0 W/m·K

• محدوده ضخامت:0.102 ۰٫۳۰۵ میلی متر

در طول کار، رفتار تغییر فاز به مواد اجازه می دهد تا در شرایط مناسب با رابط سازگار شوند و به به حداقل رساندن شکاف های هوایی میکروسکوپی کمک کنند.

برای معماری های سرور AI فشرده، یک رابط تغییر فاز نازک می تواند تعادل عملی بین عملکرد حرارتی، سازگاری رابط و یکپارچه سازی سطح بسته را فراهم کند.

الزامات مدیریت حرارتی در مورد قطعات الکترونیک قدرت و PCB متفاوت است.

این مناطق ممکن است سطوح نامنظم یا تغییرات ارتفاع قطعات داشته باشند و همچنین ممکن است نیاز به عایق الکتریکی داشته باشند.

پد حرارتی TIF800TU-16W برای این کاربردهای مورد استفاده قرار گرفت.

اطلاعات ارائه شده از محصول نشان می دهد:

• رسانایی حرارتی:16 W/m·K

• سختي:45 ساحل 00

• گزینه های ضخامت:0.5 ∙5.0 میلی متر

• ویژگی های عایق گرما و برق

در مقایسه با فلز مایع، یک پد حرارتی یک رابط جامد راحت تر برای برنامه هایی که پر کردن شکاف، انطباق مکانیکی، عایق بندی و بهره وری مونتاژ مهم است، فراهم می کند.

توانایی انتخاب ضخامت های مختلف همچنین به مواد اجازه می دهد تا شکاف های مختلف را از قطعات به حرارتی بخار پذیرند.

مدیریت گرما در رابط تراشه به آبکنگر گرما تنها بخشی از چالش های حرارتی است.

در سیستم های هوش مصنوعی با تراکم بالا، گرما محلی نیز می تواند در بخاری های گرما، سازه های شاسی و سایر قسمت های مسیر حرارتی تجمع یابد.

برای این کاربردهای کاربردی، مواد رابط حرارتی مبتنی بر گرافن می توانند عملکرد توزیع حرارتی اضافی را فراهم کنند.

داده های پروژه ارائه شده نشان می دهد که رسانایی حرارتی در هواپیما تا:

130 W/m·K

هدف اصلی این کار انتقال گرما به صورت عمودی از طریق رابط نیست. در عوض، رسانایی حرارتی بالا در هواپیما به توزیع گرما محلی در یک منطقه بزرگتر کمک می کند.

کاربردهای بالقوه عبارتند از:

• صفحه های پایه سینک های حرارتی

• گسترش حرارتی شاسی

• سیستم های چند GPU

• مدیریت نقاط گرم محلی

• تعادل دما

چون مواد حرارتی مبتنی بر گرافن می توانند رفتار حرارتی آنیزوتروپی را نشان دهند،مهندسان باید عملکرد حرارتی داخل هواپیما و طی هواپیما را بر اساس جهت جریان واقعی گرما ارزیابی کنند..

یک اشتباه رایج در طراحی حرارتی این است که یک TIM را فقط بر اساس رسانایی حرارتی آن انتخاب کنید.

در واقع، عملکرد حرارتی به رابط کامل بستگی دارد.

به عنوان مثال، یک ماده با رسانایی حرارتی بسیار بالا ممکن است بهترین انتخاب نباشد اگر کاربرد نیاز به:

• پر کردن شکاف بزرگ

• عایق برق

• فشرده سازی بالا

• جمع آوری آسان

• انطباق سطح پیچیده

• توزیع خودکار

• فشار مکانیکی پایین

در مقابل، یک پد حرارتی با رسانایی حرارتی متوسط ممکن است برای یک جزء قدرت PCB مناسب تر باشد اگر عایق الکتریکی و جبران شکاف حیاتی باشد.

بنابراین فرآیند انتخاب باید باالزامات رابط حرارتی، به جای اینکه فقط بپرسید که کدام TIM بالاترین مقدار W/m·K را دارد.

یک استراتژی انتخاب ساده برای مدیریت حرارتی سرور هوش مصنوعی عبارت است از:

در نظر بگیرید یک TIM مقاومت پایین مانند فلز مایع زمانی که برنامه پشتیبانی از شرایط مورد نیاز الکتریکی، مکانیکی، سازگاری و قابلیت اطمینان.

مواد تغییر فاز می توانند یک رابط نازک و سازگار را برای شکاف های کنترل شده فراهم کنند.

پد های حرارتی می توانند ترکیبی از انتقال حرارتی، عایق الکتریکی، پر کردن شکاف و سازگاری مکانیکی را فراهم کنند.

مواد رابط حرارتی مبتنی بر گرافین می توانند به توزیع گرما در سمت چپ کمک کنند و غلظت دمای را کاهش دهند.

این یک معماری حرارتی ایجاد می کند که در آن هر ماده نقش مشخصی دارد.

بر اساس مواد پروژه ارائه شده ، راه حل های مدیریت حرارتی در برنامه های سرور AI و مرکز محاسبات هوشمند ارزیابی شدند.

یک پروژه سرور هوش مصنوعی گزارش شده برای یک ارائه دهنده خدمات ابری به دست آورد:

دمای تراشه: 88°C → 65°C

در همین پرونده گزارش شده که۲۸ درصد بهبود در عملکرد محاسبات.

در یک پروژه بهینه سازی خنک سازی مرکز محاسبات هوشمند دیگر، داده های ارائه شده گزارش داده اند:

PUE: 1.42 → 108

مواد پروژه همچنین از صرفه جویی های سالانه برق بیش از5 میلیون کیلو وات.

برای یک سرور هوش مصنوعی با عملکرد بالا که خود توسعه داده ایم، مواد موردی ارائه شده گزارش می دهد:

• 10،000 ساعتاز کار مداوم

• نوسانات دمای≤ ±2°C

• صفر شکست گزارش شده

این ارقام باید قبل از انتشار خارجی با شرایط آزمایش، گزارش های آزمایش، تأییدیه های مشتری و مشخصات نهایی محصول بررسی شوند.

مهم ترین درس از این پروژه این است که مدیریت حرارتی سرور هوش مصنوعی باید به عنوان یک مسیر حرارتی کامل در نظر گرفته شود.

سیستم خنک کننده بیشتر از GPU و صفحه سرد را شامل می شود.

همچنین شامل موارد زیر است:

نیمه هادی → TIM → پخش کننده گرما / صفحه سرد → سینک گرما → شاسی → سیستم خنک کننده

هر مقاومت حرارتی قابل توجهی در این مسیر می تواند بر دمای نهایی سیستم تأثیر بگذارد.

به همین دلیل است که فناوری های مختلف TIM می توانند در یک سرور کار کنند.

فلز مایع می تواند مقاومت حرارتی را در رابط های تراشه ای با قدرت بالا کاهش دهد.

مواد تغییر فاز می توانند رابط های نازک و سازگار را فراهم کنند.

پد های حرارتی می توانند شکاف های بزرگتر را در حالی که عایق الکتریکی را فراهم می کنند، جا دهند.

مواد مبتنی بر گرافن می توانند گرما را به سمت چپ پخش کنند و یکسانی دمایی را بهبود بخشند.

این فناوری ها با هم رویکرد انعطاف پذیر تری برای مدیریت حرارتی سرورهای هوش مصنوعی با چگالی بالا فراهم می کنند.

یک استراتژی حرارتی چند ماده به درستی طراحی شده می تواند مزایای متعددی را ارائه دهد:

• مقاومت حرارتی رابط پایین

• جبران شکاف بهتر

• بهبود ایمنی برق

• یکنواخت بودن دمای بهبود یافته

• انعطاف پذیری بیشتر در طراحی

به عنوان سرورهای هوش مصنوعی همچنان به سمت تراکم قدرت GPU بالاتر، معماری های جمع و جور و سیستم های خنک کننده پیشرفته تکامل می یابند،مواد رابط حرارتی نقش فزاینده ای در حفظ عملکرد محاسبات و قابلیت اطمینان سیستم خواهند داشت.

کلید این نیست که فقط تی ام ای با بالاترین رسانایی حرارتی را انتخاب کنید.

یک راه حل مدیریت حرارتی موفق باید ترکیبی کامل از:

رسانایی حرارتی + مقاومت حرارتی + شکاف + فشرده سازی + عایق الکتریکی + فرآیند مونتاژ + قابلیت اطمینان

در این پروژه مشتری، ترکیبی ازTIM فلزی مایع، مواد تغییر فاز، پد های حرارتی دارای رسانایی حرارتی بالا و مواد رابط حرارتی مبتنی بر گرافناستفاده می شد تا به رابط های مختلف حرارتی در یک سرور هوش مصنوعی با چگالی بالا رسیدگی کند.

این رویکرد کاربردی خاص یک مسیر انعطاف پذیر برای مدیریت هر دو برنامه را فراهم می کند.نقاط گرم در سطح تراشه و توزیع گرما در سطح سیستم، حمایت از توسعه مداوم زیرساخت های محاسباتی هوش مصنوعی با عملکرد بالا.

هیچ بهترین TIM جهانی وجود ندارد. برای رابط های GPU به خنک کننده با قدرت بالا، مواد مقاومتی کم مانند فلز مایع می تواند در نظر گرفته شود زمانی که برنامه برقی مورد نیاز را برآورده کند،مکانیکیشرایط سازگاری و قابلیت اطمینان.

پد های حرارتی برای رابط هایی که نیاز به پر کردن شکاف، عایق برق، سازگاری مکانیکی و مونتاژ راحت دارند مفید هستند.آنها به ویژه برای برنامه های کاربردی PCB و قطعات قدرت مناسب هستند.

مواد تغییر فاز می توانند یک رابط نازک را فراهم کنند در حالی که سازگاری را با سطوح جفت گیری در شرایط عملیاتی مناسب بهبود می بخشند.آنها می توانند برای حافظه و دیگر رابط های کامپکت اجزای مفید باشند..

مواد رابط حرارتی مبتنی بر گرافن می توانند برای گسترش گرما جانبی و تساوی دمای استفاده شوند.رسانایی حرارتی بالا در هواپیما باعث می شود که آنها به ویژه برای مدیریت نقطه گرم و توزیع حرارتی در سطح سیستم جالب باشند..

ضخامت TIM باید بر اساس شکاف واقعی رابط، تحمل قطعات، فشرده سازی مورد نیاز و محدوده کاربرد توصیه شده توسط سازنده باشد.در حالی که ضخامت بیش از حد می تواند مقاومت حرارتی را افزایش دهد.

بله، اجزاي مختلف نيازمندي هاي حرارتي و ميكانيكي متفاوت دارند. يک استراتژي چند تيم مي تواند فلز مايع، مواد تغيير فاز، پد هاي حرارتي، ژل هاي حرارتي،و مواد مبتنی بر گرافن در قسمت های مختلف از همان معماری حرارتی.

ZIITEK چندین فناوری رابط حرارتی را ارائه می دهد و می تواند انتخاب TIM را بر اساس رسانایی حرارتی، مقاومت حرارتی، شکاف، سختی، عایق الکتریکی، فرآیند مونتاژ،دمای عملیاتی، و الزامات قابلیت اطمینان.