Con el rápido crecimiento de la potencia informática de la inteligencia artificial global y el aumento continuo del consumo de energía de diseño térmico (TDP) de los chips, la demanda de refrigeración de los centros de datos se enfrenta a desafíos sin precedentes. Al mismo tiempo, las políticas cada vez más estrictas de ahorro de energía y reducción de carbono en todo el mundo han promovido aún más la innovación en la tecnología de refrigeración. En este contexto, las soluciones tradicionales de refrigeración por aire se han vuelto gradualmente difíciles de satisfacer los requisitos duales de disipación de calor eficiente y ahorro de energía. La tecnología de refrigeración líquida está aumentando rápidamente debido a su excelente rendimiento de disipación de calor y sus importantes ventajas de ahorro de energía, convirtiéndose en la opción principal para las soluciones de refrigeración de los centros de datos. Como equipo central para el procesamiento y almacenamiento de datos, el rendimiento y la estabilidad del servidor están directamente relacionados con la eficiencia operativa de todo el sistema. Los componentes centrales del servidor, incluida la placa base, la CPU, la memoria, el disco duro y la tarjeta gráfica, generarán mucho calor bajo una operación continua de alta carga. Si el calor no se puede disipar de manera oportuna y eficaz, afectará gravemente el rendimiento y la vida útil del servidor. Con este fin, se han introducido sistemas avanzados de refrigeración líquida en las soluciones de refrigeración de servidores y se han instalado directamente en las principales fuentes de calor, como CPU y tarjetas gráficas, para mejorar significativamente la eficiencia de disipación de calor.

Parte 1: Estructura del bloque de agua y principio de funcionamiento

Uno de los componentes principales del sistema de refrigeración líquida es el bloque de agua, que suele estar hecho de materiales de cobre o aluminio con alta conductividad térmica y está diseñado con canales de agua precisos y estructuras de disipación de calor. Estos bloques de agua se ajustan firmemente a la superficie de las fuentes de calor, como las CPU y las GPU, y absorben y transfieren rápidamente el calor a través del agua de refrigeración que circula en su interior. Luego, el calor se transporta al disipador de calor, que luego circula a través del sistema de refrigeración por agua y finalmente se disipa en el aire circundante.

Figura 1: Tendencias de consumo de energía térmica de los chips de los principales fabricantes de chips

1- Tipos y características comunes de los bloques de agua

l Bloque de agua de microcanal

Características: El bloque de agua de microcanal adopta un diseño preciso de microcanal de agua. La estructura del canal de agua es fina y compleja, lo que puede aumentar significativamente el área de contacto entre el refrigerante y los componentes generadores de calor, mejorando así en gran medida la eficiencia de disipación de calor. El diseño del microcanal de agua también puede producir un fuerte efecto de turbulencia durante el flujo del refrigerante, mejorando aún más el coeficiente de transferencia de calor por convección y logrando una transferencia de calor eficiente.

Escenarios de aplicación: Es particularmente adecuado para CPU y GPU con alta generación de calor, especialmente en computación de alto rendimiento, overclocking y centros de datos, que tienen requisitos de disipación de calor extremadamente altos.

l Bloque de refrigeración de agua de gran caudal

Características: La estructura interna del bloque de agua de gran caudal es relativamente simple, generalmente utiliza una placa de cobre o un diseño de ranura grabada, y el costo de fabricación es bajo. Su principal ventaja es que se basa en un flujo de agua de alta velocidad para eliminar rápidamente el calor, y es adecuado para su uso con un sistema de enfriamiento de agua de gran caudal. Aunque la estructura es simple, su eficiente capacidad de disipación de calor lo convierte en una opción muy rentable.

Escenario de aplicación: Adecuado para escenarios con ciertos requisitos de eficiencia de disipación de calor pero con un presupuesto limitado, como sistemas informáticos DIY de gama media a alta o clústeres de servidores pequeños y medianos.

l Bloque de refrigeración por agua tipo inyección

Características: El bloque de refrigeración por agua tipo chorro rocía el refrigerante desde una boquilla estrecha hasta la placa inferior de microcanal a alta velocidad a través de la placa guía, lo que forma un fuerte efecto de turbulencia y mejora significativamente la eficiencia de disipación de calor. Este diseño no solo aumenta el área de contacto entre el refrigerante y la base, sino que también optimiza aún más el rendimiento del intercambio de calor a través del flujo de alta velocidad.

Escenarios de aplicación: Adecuado para CPU y GPU de alto rendimiento, especialmente en requisitos de alta disipación de calor y escenarios de alto flujo, como computación de overclocking, capacitación en inteligencia artificial y renderizado de gráficos.

2-Estructura general del bloque de agua

Un bloque de agua es un bloque de metal con canales de agua en su interior, generalmente de cobre o aluminio. No entra en contacto con la CPU, la tarjeta gráfica ni otros dispositivos generadores de calor. Su diseño estructural determina directamente la calidad del rendimiento de disipación de calor. Un bloque de agua típico suele estar formado por las siguientes partes clave:

l The base is usually made of high thermal conductivity materials such as copper or aluminum alloy, and the surface is finely processed to ensure close contact with the heat-generating components. The base is equipped with a complex flow channel design to increase the contact area between the coolant and the base.

l La placa de cubierta, junto con la base, forma una cavidad de sellado del canal de flujo para proteger el canal de flujo, el sello y otros componentes dentro del bloque de agua del polvo, las impurezas y el daño físico externo.

l La entrada y la salida de agua son las interfaces para que el refrigerante entre y salga del cabezal de enfriamiento por agua. Por lo general, están diseñadas en el costado o en la parte superior del cabezal de enfriamiento por agua para garantizar que el refrigerante pueda fluir hacia adentro y hacia afuera sin problemas. El diseño de la posición debe considerar la trayectoria del flujo del fluido para reducir la resistencia al flujo y aumentar el caudal del refrigerante.

l Los clips se utilizan para fijar firmemente el cabezal de enfriamiento de agua a la CPU u otros componentes generadores de calor para garantizar una base firme y lograr una conducción de calor eficiente.

Figura 2: Estructura típica del bloque de agua

3- Optimización integral del rendimiento de disipación de calor

l Optimización del diseño de canales de flujo

Aumente el área de contacto del canal de flujo: Al diseñar canales de flujo más estrechos y densos, el área de contacto entre el refrigerante y la base se puede aumentar significativamente, mejorando así el coeficiente de transferencia de calor por convección. Por ejemplo, el diseño de microcanal tiene una estructura de canal de agua fina. Los parámetros de diseño del bloque de agua de microcanal (como el ancho, la altura y el espaciado del canal) tienen una influencia decisiva en su eficiencia de disipación de calor: a medida que disminuye el ancho del canal, el coeficiente de transferencia de calor aumenta significativamente, gracias al efecto de turbulencia mejorado del flujo de refrigerante en el canal estrecho, mejorando así la eficiencia de intercambio de calor; la mayor altura del canal ayuda a aumentar el espacio de flujo del refrigerante, mejorando así el rendimiento de transferencia de calor; el espaciado más pequeño del canal puede aumentar el área de contacto entre el refrigerante y la fuente de calor, mejorando así la eficiencia de disipación de calor.

También se puede optimizar optimizando el diseño del canal de flujo y reduciendo las curvas del canal de flujo: un diseño razonable del canal de flujo puede garantizar que el refrigerante cubra uniformemente la superficie de los componentes generadores de calor y reducir la diferencia de temperatura local. Las curvas en el canal de flujo aumentarán la pérdida de carga y la resistencia interna del flujo, lo que reducirá la eficiencia de enfriamiento. La cantidad de curvas debe minimizarse en el diseño. Si no se puede evitar, las curvas deben diseñarse como transiciones suaves para reducir la caída de presión y optimizar el rendimiento del flujo.

l Materiales de alta conductividad térmica: La base del bloque de agua suele estar hecha de materiales de alta conductividad térmica, como cobre puro o aleación de aluminio. Estos materiales pueden transferir eficientemente el calor de la fuente de calor al refrigerante, mejorando así el rendimiento general de disipación de calor.

l Optimización de parámetros estructurales, como el espesor del sustrato base, las aletas, la estructura del alerón, etc. El aumento del espesor del sustrato provocará un aumento de la temperatura máxima, por lo que el diseño debe encontrar el mejor equilibrio entre el efecto de disipación de calor y la resistencia estructural; al aumentar la altura, el espesor y el espaciado de las aletas, se puede mejorar el rendimiento de disipación de calor, pero al mismo tiempo, también aumentará la resistencia al flujo. Encuentre la mejor combinación de diseño de aletas para maximizar el rendimiento de disipación de calor. La forma de la columna del alerón puede mejorar eficazmente el efecto de turbulencia y mejorar la eficiencia del intercambio de calor.

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