Hybrid-Cold-Plate-Technologie: Verbesserung der KI-Chipkühlung durch 2-Phasen-Wärmeübergang

Mit der rasanten Weiterentwicklung der KI-Technologie werden Kühllösungen für Chips mit hohem Stromverbrauch immer wichtiger. Diese Studie untersucht die Entwicklung und Leistungsbewertung von Hybrid-Kühlplatten, die Flüssigkeitskühlung mit zweiphasiger Wärmeübergangstechnologie kombinieren und so einen erheblichen Effizienzsprung beim Wärmemanagement ermöglichen.

Hybrid-Kühlplatten verstehen

Hybride Kühlplatten sind innovative Kühllösungen, die Flüssigkeitskühlung mit Zweiphasen-Wärmeübergangstechnologie integrieren. Diese Kombination nutzt die Stärken von Wärmerohren und Dampfkammern, die wesentliche Komponenten für das Kühlkörperdesign sind, und verwaltet die Wärme effektiv durch den Phasenwechselzyklus von Verdampfung und Kondensation.

Hauptmerkmale und Vorteile

• Schnelle Wärmeleitungseffizienz: Wärme im Dampfzustand wird mit einer Geschwindigkeit nahe der Schallgeschwindigkeit vom heißen Ende zum kalten Ende geleitet.

• Extreme Wärmeübertragungskapazität: Wenn die Verdampfungs- und Kondensationszyklen der inneren Flüssigkeit ein perfektes Gleichgewicht erreichen, kann die Kühlplatte theoretisch kontinuierlich eine unendliche Wärmemenge transportieren. Das Erreichen dieses Gleichgewichts ist der ideale Betriebszustand für Zweiphasen-Strömungselemente.

Technische Herausforderungen bei der Wasserkühlung meistern: Der Weg zu hybriden Kühlplatten

Bei der Bewältigung der technischen Herausforderungen, die die Wasserkühlung für CPUs mit hoher Dichte mit sich bringt, wurde deutlich, dass neue technologische Lösungen erforderlich waren. Nach Durchsicht umfangreicher Forschungsliteratur zu CPU-Wasserkühlplatten haben wir festgestellt, dass die Leistung dieser Platten von mehreren Schlüsselfaktoren beeinflusst wird:

1. Asource (Wärmequellenbereich)

2. Aplate (Grundplattenbereich)

3. 入 (Flächenverhältnisparameter)

4. Ro (Wärmewiderstand der Wasserkühlplatte)

Aus den Wärmeübertragungs- und Flüssigkeitsströmungssimulationsdiagrammen des Computermodells geht klar hervor, dass diese vier Faktoren in unterschiedlichem Ausmaß zur Gesamtleistung beitragen. Unter diesen erwies sich der Diffusionswärmewiderstand (Rsp) der Basis der Kühlplatte als der wichtigste Bereich für die Optimierung. Diese Erkenntnis zeigte, dass wir das Problem der hohen Wärmedichte wirksam angehen könnten, wenn wir die Diffusionseigenschaften der Grundplatte verbessern könnten.

Entwicklung der Hybrid Cold Plate

Mit dieser Erkenntnis begannen wir mit der Entwicklung einer neuen technologischen Lösung, die die Zweiphasen-Wärmeübergangstechnologie mit der Mikrokanaltechnologie integrieren würde. Diese Innovation führte zur Schaffung dessen, was wir heute nennen Hybrid-Kühlplatte.

Basierend auf 15 Jahren Erfahrung in der Entwicklung von Kühlkörpern und Kühlplatten hat unser Team eine klare Spezifikation für diese neue Kühlplatte definiert. Der nächste Schritt bestand darin, zwei Versionen zu entwerfen und Prototypen zu erstellen: eine davon war eine traditionelle Mikrokanal-Kühlplatte und die andere unsere neu konzipierte Hybrid-Kühlplatte.

Die Proben Nr. 1 bis Nr. 6 sind Hybird-Kühlplatten, die zu 92 bis 127 % mit Wasser gefüllt sind, und Proben Nr. 7 sind Mikrokanal-Kühlplatten.

Leistungsbewertung von Hybrid-Kühlplatten

Sobald die Prototypen fertig waren, führten wir strenge Leistungsbewertungen durch, um die Effizienz und Effektivität dieser Designs zu vergleichen.

Strömungswiderstandstest

Sieben Kühlplattenproben wurden an ein Pumpensystem angeschlossen, das Wasser mit Durchflussraten von 0,8/1,2/1,5 LPM lieferte. Die Strömungswiderstandswerte wurden wie folgt erfasst:

Die Ergebnisse zeigen, dass alle Kühlplattenproben einen sehr ähnlichen Strömungswiderstand aufweisen, was eine gleichbleibende Leistung zeigt.

Wärmeleistungstest

• Testbedingungen:

• Umgebungstemperatur: 26-28°C

• Flüssig: Reines Wasser

• Durchflussrate: 1,2 l/min

• Wassereintrittstemperatur: 28°C

• Kontaktfläche der Dummy-Heizung: 20x20mm

• Wärmebelastung: 200/350/500/650 W

Testergebnis:

Die Prüfung der thermischen Leistung ergab, dass der Wassereinspritzwert der Dampfkammer die maximale Wärmeübertragungskapazität (Q-max) erheblich beeinflusst. Beispielsweise trocknete Probe Nr. 3 bei einer Wärmebelastung von 450 W aus, während Probe Nr. 2 bei 550 W austrocknete. Die Proben Nr. 4 und Nr. 6 zeigten die beste Leistung bei Wärmelasten von mehr als 300 W.

Abschluss

Die Testergebnisse zeigen, dass die Hybrid-Kühlplatte durch die Feinabstimmung des Wassereinspritzwerts herkömmliche Mikrokanal-Kühlplatten hinsichtlich der thermischen Leistung übertreffen kann. Dieser Fortschritt macht Hybrid-Kühlplatten eine überlegene Option zur Kühlung von Hochleistungs-KI-Chips.

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