Angesichts des rasanten Wachstums der Rechenleistung künstlicher Intelligenz weltweit und der kontinuierlichen Steigerung der thermischen Leistungsaufnahme (TDP) von Chips steht der Kühlbedarf von Rechenzentren vor beispiellosen Herausforderungen. Gleichzeitig haben die immer strengeren Energiespar- und CO2-Reduktionsrichtlinien auf der ganzen Welt die Innovation der Kühltechnologie weiter gefördert. In diesem Zusammenhang wird es für herkömmliche Luftkühlungslösungen zunehmend schwieriger, die doppelte Anforderung einer effizienten Wärmeableitung und Energieeinsparung zu erfüllen. Die Flüssigkeitskühlungstechnologie gewinnt aufgrund ihrer hervorragenden Wärmeableitungsleistung und erheblichen Energiesparvorteile schnell an Bedeutung und wird zur gängigen Wahl für Kühllösungen in Rechenzentren. Als Kerngerät für die Datenverarbeitung und -speicherung stehen die Leistung und Stabilität des Servers in direktem Zusammenhang mit der Betriebseffizienz des gesamten Systems. Die Kernkomponenten des Servers – einschließlich Motherboard, CPU, Speicher, Festplatte und Grafikkarte – erzeugen bei kontinuierlichem Hochlastbetrieb viel Wärme. Wenn die Wärme nicht rechtzeitig und effektiv abgeführt werden kann, beeinträchtigt dies die Leistung und Lebensdauer des Servers erheblich. Zu diesem Zweck wurden moderne Flüssigkeitskühlsysteme in Serverkühllösungen eingeführt und direkt an den Hauptwärmequellen wie CPUs und Grafikkarten installiert, um die Effizienz der Wärmeableitung deutlich zu verbessern.

Teil 1: Struktur und Funktionsprinzip des Wasserblocks

Eine der Kernkomponenten des Flüssigkeitskühlsystems ist der Wasserblock, der normalerweise aus Kupfer- oder Aluminiummaterialien mit hoher Wärmeleitfähigkeit besteht und mit präzisen Wasserkanälen und Kühlkörperstrukturen ausgestattet ist. Diese Wasserblöcke passen eng an die Oberfläche von Wärmequellen wie CPUs und GPUs und absorbieren und übertragen schnell Wärme durch das im Inneren zirkulierende Kühlwasser. Die Wärme wird dann zum Kühlkörper transportiert, der dann durch das Wasserkühlsystem zirkuliert und schließlich in die Umgebungsluft abgegeben wird.

Abbildung 1: Trends beim thermischen Stromverbrauch von Chips bei den wichtigsten Chipherstellern

1- Gängige Wasserblocktypen und -eigenschaften

l Mikrokanal-Wasserblock

Merkmale: Der Mikrokanal-Wasserblock verfügt über ein präzises Mikrowasserkanal-Design. Die Wasserkanalstruktur ist fein und komplex, wodurch die Kontaktfläche zwischen dem Kühlmittel und den wärmeerzeugenden Komponenten erheblich vergrößert werden kann, wodurch die Wärmeableitungseffizienz erheblich verbessert wird. Das Mikrowasserkanal-Design kann während des Kühlmittelflusses auch einen starken Turbulenzeffekt erzeugen, wodurch der Konvektionswärmeübertragungskoeffizient weiter verbessert und eine effiziente Wärmeübertragung erreicht wird.

Anwendungsszenarien: Es eignet sich besonders für CPUs und GPUs mit hoher Wärmeerzeugung, insbesondere in Hochleistungscomputern, beim Übertakten und in Rechenzentren, die extrem hohe Anforderungen an die Wärmeableitung stellen.

l Wasserblock mit großem Durchfluss

Merkmale: Die interne Struktur von Hochdurchfluss-Wasserkühlern ist relativ einfach und besteht normalerweise aus Kupferplatten oder geätzten Rillen, was die Herstellungskosten niedrig hält. Ihr Hauptvorteil liegt darin, dass sie durch den schnellen Wasserfluss Wärme effizient abführen, was sie ideal für den Einsatz in Hochdurchfluss-Wasserkühlsystemen macht. Obwohl die Struktur einfach ist, macht ihre hohe Kühlleistung sie zu einer äußerst kosteneffizienten Wahl.  

Anwendungsszenarien: Geeignet für Szenarien, in denen eine gewisse Kühlleistung gefordert ist, aber das Budget begrenzt ist, wie zum Beispiel bei mittel- bis hochpreisigen DIY-PC-Systemen oder kleinen bis mittelgroßen Server-Clustern.

l Einspritztyp-Wasserblock

Merkmale: Der Jet-Wasserkühlblock sprüht das Kühlmittel aus einer schmalen Düse mit hoher Geschwindigkeit durch die Führungsplatte auf die Mikrokanal-Bodenplatte, wodurch ein starker Turbulenzeffekt entsteht und die Wärmeableitungseffizienz deutlich verbessert wird. Dieses Design vergrößert nicht nur die Kontaktfläche zwischen Kühlmittel und Basis, sondern optimiert auch die Wärmeaustauschleistung durch Hochgeschwindigkeitsfluss weiter.

Anwendungsszenarien: Geeignet für Hochleistungs-CPUs und GPUs, insbesondere bei hohen Anforderungen an die Wärmeableitung und Szenarien mit hohem Durchfluss, wie z. B. Übertaktungsberechnungen, Training künstlicher Intelligenz und Grafik-Rendering.

2-Allgemeine Struktur des Wasserblocks

Ein Wasserblock ist ein Metallblock mit Wasserkanälen im Inneren, der normalerweise aus Kupfer oder Aluminium besteht. Er kommt nicht mit der CPU, der Grafikkarte oder anderen wärmeerzeugenden Geräten in Kontakt. Sein strukturelles Design bestimmt direkt die Qualität der Wärmeableitungsleistung. Ein typischer Wasserblock besteht normalerweise aus den folgenden Hauptteilen:

l Die Basis besteht normalerweise aus Materialien mit hoher Wärmeleitfähigkeit wie Kupfer oder Aluminiumlegierungen und die Oberfläche ist fein verarbeitet, um einen engen Kontakt mit den wärmeerzeugenden Komponenten sicherzustellen. Die Basis ist mit einem komplexen Strömungskanaldesign ausgestattet, um die Kontaktfläche zwischen dem Kühlmittel und der Basis zu vergrößern.

l Die Abdeckplatte bildet zusammen mit der Basis einen Strömungskanal-Abdichtungshohlraum, um den Strömungskanal, die Dichtung und andere Komponenten im Inneren des Wasserblocks vor Staub, Verunreinigungen und äußeren physikalischen Schäden zu schützen.

l Der Wassereinlass und -auslass sind die Schnittstellen für das Kühlmittel, um in den Wasserkühlkopf einzutreten und ihn zu verlassen. Sie sind im Allgemeinen seitlich oder oben am Wasserkühlkopf angebracht, um sicherzustellen, dass das Kühlmittel reibungslos ein- und ausfließen kann. Bei der Positionsgestaltung muss der Strömungsweg der Flüssigkeit berücksichtigt werden, um den Strömungswiderstand zu verringern und die Strömungsrate des Kühlmittels zu erhöhen.

l Mithilfe von Clips lässt sich der Wasserkühlkopf fest an der CPU oder anderen wärmeerzeugenden Komponenten befestigen, um einen festen Halt und eine effiziente Wärmeleitung zu gewährleisten.

Abbildung 2: Typischer Aufbau eines Wasserblocks

3- Umfassende Optimierung der Wärmeableitungsleistung

l Optimierung des Fließkanaldesigns

Erhöhen Sie die Kontaktfläche des Strömungskanals: Durch die Gestaltung schmalerer und dichterer Strömungskanäle kann die Kontaktfläche zwischen dem Kühlmittel und der Basis erheblich vergrößert werden, wodurch der konvektive Wärmeübertragungskoeffizient verbessert wird. Beispielsweise weist das Mikrokanaldesign eine feine Wasserkanalstruktur auf. Die Designparameter des Mikrokanal-Wasserblocks (wie Kanalbreite, -höhe und -abstand) haben einen entscheidenden Einfluss auf seine Wärmeableitungseffizienz: Mit abnehmender Kanalbreite steigt der Wärmeübertragungskoeffizient dank des verstärkten Turbulenzeffekts des Kühlmittelflusses im schmalen Kanal erheblich an, wodurch die Wärmeaustauscheffizienz verbessert wird; die höhere Kanalhöhe trägt dazu bei, den Strömungsraum des Kühlmittels zu vergrößern, wodurch die Wärmeübertragungsleistung verbessert wird; der kleinere Kanalabstand kann die Kontaktfläche zwischen dem Kühlmittel und der Wärmequelle vergrößern, wodurch die Wärmeableitungseffizienz verbessert wird.

Es kann auch optimiert werden, indem das Strömungskanallayout optimiert und die Strömungskanalbiegungen reduziert werden: Ein vernünftiges Strömungskanallayout kann sicherstellen, dass das Kühlmittel die Oberfläche der wärmeerzeugenden Komponenten gleichmäßig bedeckt und den lokalen Temperaturunterschied verringert. Die Biegungen im Strömungskanal erhöhen den Druckverlust und den internen Strömungswiderstand und verringern dadurch die Kühlleistung. Die Anzahl der Biegungen sollte bei der Konstruktion minimiert werden. Wenn dies nicht vermieden werden kann, sollten die Biegungen als sanfte Übergänge ausgelegt werden, um den Druckabfall zu verringern und die Strömungsleistung zu optimieren.

l Materialien mit hoher Wärmeleitfähigkeit: Die Basis des Wasserblocks besteht normalerweise aus Materialien mit hoher Wärmeleitfähigkeit wie reinem Kupfer oder Aluminiumlegierungen. Diese Materialien können Wärme effizient von der Wärmequelle auf das Kühlmittel übertragen und so die Gesamtwärmeableitungsleistung verbessern.

l Optimierung der Strukturparameter, wie z. B. Dicke des Basissubstrats, Lamellen, Spoilerstruktur usw. Eine Erhöhung der Substratdicke führt zu einer Erhöhung der Maximaltemperatur, daher muss bei der Konstruktion das beste Gleichgewicht zwischen Wärmeableitungseffekt und Strukturfestigkeit gefunden werden. Durch Erhöhung der Höhe, Dicke und des Abstands der Lamellen kann die Wärmeableitungsleistung verbessert werden, gleichzeitig erhöht sich jedoch auch der Strömungswiderstand. Finden Sie die beste Lamellendesignkombination, um die Wärmeableitungsleistung zu maximieren. Die Form der Spoilersäule kann den Turbulenzeffekt effektiv verstärken und die Wärmeaustauscheffizienz verbessern.

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