Auswahl der Plattenstruktur für die Flüssigkeitskühlung von Rechenzentren

Mit dem stetigen Wachstum von KI-Computing, Cloud-Diensten, Hochleistungsrechnen und der Verarbeitung großer Datenmengen sehen sich Rechenzentren deutlich höheren thermischen Belastungen ausgesetzt als zuvor. Moderne CPUs, GPUs, KI-Beschleuniger und hochdichte Servermodule erzeugen konzentrierte Wärme, die herkömmliche Luftkühlsysteme nicht mehr effizient abführen können.

Aus diesem Grund hat sich die Flüssigkeitskühlung von Rechenzentren zu einer wichtigen Lösung für das Wärmemanagement der nächsten Generation entwickelt. Unter den verschiedenen Flüssigkeitskühltechnologien spielt die Flüssigkeitskühlplatte, auch als Flüssigkeitskühlplatte oder Wasserkühlplatte bekannt, eine entscheidende Rolle bei der Wärmeabfuhr von Hochleistungschips zum Kühlkreislauf.

Die Auswahl der richtigen Flüssigkeitskühlplattenstruktur ist jedoch nicht einfach eine Frage der Wahl zwischen Kupfer und Aluminium. Ingenieure müssen thermische Leistung, Druckverlust, Durchflussrate, Herstellungskosten, Materialverträglichkeit, Zuverlässigkeit und Kühlleistung auf Rack-Ebene in Einklang bringen.

Bei Rechenzentren, die Hochleistungs-CPUs, GPUs und KI-Chips verwenden, kann die richtige Kühlplattenkonstruktion direkten Einfluss auf die Chiptemperatur, die Systemstabilität, die Pumpenleistung, die Energieeffizienz und die langfristigen Betriebskosten haben.

warum Flüssigkeitskühlplatten in Rechenzentren immer wichtiger werden

Die herkömmliche Luftkühlung nutzt Lüfter und Kühlkörper, um die Wärme von Servern abzuführen. Diese Methode funktioniert bei moderaten Wärmelasten, aber mit dem stetig steigenden Leistungsbedarf der Chips stößt die Luftkühlung an mehrere Grenzen:

• höherer Stromverbrauch des Lüfters

• begrenzte Wärmeabfuhrkapazität

• höhere Temperaturdifferenz zwischen Serverein- und -auslass

• Hotspots um CPUs, GPUs und KI-Beschleuniger

• Schwierigkeiten bei der Kühlung dichter Rack-Konfigurationen

• höherer Lärm und geringere Energieeffizienz

• begrenzte Skalierbarkeit für KI- und HPC-Cluster

Eine Flüssigkeitskühlplatte in Rechenzentren löst diese Probleme, indem sie einen Kühlmittelkanal nahe der Wärmequelle platziert. Die Wärme wird vom Chip auf die Kühlplattenbasis übertragen und anschließend durch zirkulierendes Kühlmittel abgeführt.

Im Vergleich zur Luftkühlung bietet die Flüssigkeitskühlung eine deutlich höhere Wärmeübertragungseffizienz, da Flüssigkeiten eine bessere Wärmeleitfähigkeit als Luft besitzen. Dadurch eignen sich Flüssigkeitskühlplatten besonders für:

• KI-Serverkühlung

• GPU-Kühlung

• CPU-Kühlung

• HPC-Clusterkühlung

• Rackkühlung mit hoher Dichte

• Kühlung von Edge-Rechenzentren

• Cloud-Computing-Infrastruktur

• Leistungselektronik in Rechenzentrumssystemen

Für Rechenzentren, die auf höhere Leistungsdichten setzen, ist Flüssigkeitskühlung nicht mehr nur eine fortschrittliche Option, sondern entwickelt sich zu einer notwendigen Strategie des Wärmemanagements.

Schlüsselfaktoren bei der Auswahl der Struktur von Flüssigkeitskühlplatten

Die „beste“ Konstruktion einer Flüssigkeitskühlplatte hängt von den tatsächlichen Betriebsbedingungen ab. Eine Kühlplatte mit dem geringsten Wärmewiderstand ist nicht immer die beste Wahl, wenn sie einen zu hohen Druckabfall verursacht oder zu teuer in der Herstellung ist.

Vor der Auswahl einer kundenspezifischen Flüssigkeitskühlplatte sollten Ingenieure die folgenden Faktoren berücksichtigen.

1. Wärmelast und Wärmestrom

Im ersten Schritt wird die gesamte Wärmelast der Komponente ermittelt. Diese wird üblicherweise in Watt gemessen. Beispielsweise kann eine leistungsstarke GPU oder ein KI-Beschleuniger mehrere hundert Watt oder mehr erzeugen, während mehrere Chips auf einer Platine eine deutlich höhere kombinierte Wärmelast verursachen können.

Neben der Gesamtleistung ist auch der Wärmestrom wichtig. Der Wärmestrom beschreibt, wie viel Wärme in einem bestimmten Bereich konzentriert ist. Ein Chip mit hohem Wärmestrom benötigt eine schnellere Wärmeableitung und eine effizientere interne Kühlplattenstruktur.

Bei Hochleistungs-GPUs und KI-Chips kann die Durchflussrate je nach Chipleistung, Kühlmitteltyp, angestrebtem Druckabfall und Anforderungen an den Wärmewiderstand oft im Bereich von 1–3 l/min pro Kühlplatte liegen.

2. Wärmewiderstand

Der Wärmewiderstand ist einer der wichtigsten Indikatoren für die Leistungsfähigkeit einer Kühlplatte. Ein geringerer Wärmewiderstand bedeutet, dass die Kühlplatte die Wärme effizienter vom Chip an das Kühlmittel abführen kann.

Der Wärmewiderstand wird jedoch von vielen Faktoren beeinflusst:

• KühlplattenMaterial

• Basisdicke

• interne Kanalstruktur

• Kühlmitteldurchfluss

• Ebenheit der Kontaktfläche

• WärmeleitMaterial

• Chipgröße und Wärmeverteilung

• Fertigungsqualität

• Kühlmitteleintrittstemperatur

Eine Hochleistungs-Mikrokanal-Kühlplatte bietet zwar einen sehr geringen Wärmewiderstand, kann aber auch den Druckverlust und die Fertigungskomplexität erhöhen.

3. Druckverlust und Pumpenleistung

Der Druckverlust ist ein weiterer Schlüsselfaktor bei der Konstruktion von Flüssigkeitskühlplatten. Ist der interne Kanal zu eng oder zu komplex, kann der Kühlmittelfluss einen hohen Widerstand erfahren. Dies erfordert stärkere Pumpen und erhöht den Energieverbrauch.

Bei einer einzelnen Kühlplatte mag der Druckabfall überschaubar erscheinen. In einem kompletten Rechenzentrumsrack mit mehreren Servern und mehreren Kühlplatten wird der Druckabfall jedoch zu einem Problem auf Systemebene.

Eine gute Flüssigkeitskühlplatte für Rechenzentren sollte nicht nur Wärme effizient abführen, sondern auch eine angemessene hydraulische Leistung gewährleisten. Dies trägt zur Reduzierung des Pumpenleistungsbedarfs und zur Verbesserung der Gesamteffizienz des Kühlsystems bei.

4. Strömungsverteilung

Bei Multi-Chip-Modulen, großen CPUs, GPUs oder Beschleunigerplatinen ist eine gleichmäßige Kühlmittelverteilung von großer Bedeutung. Eine ungleichmäßige Durchflussverteilung kann dazu führen, dass einige Bereiche weniger Kühlmittel erhalten und lokale Hotspots entstehen.

Die interne Struktur der Kühlplatte sollte das Kühlmittel gleichmäßig über die Wärmequellenfläche leiten. Dies ist besonders wichtig für die Kühlung von KI-Chips und GPUs mit hoher Leistungsdichte, wo die Wärme konzentriert ist und die thermischen Toleranzen gering sind.

5. Materialauswahl

Die Materialauswahl beeinflusst die thermische Leistung, die Kosten, das Gewicht, die Korrosionsbeständigkeit und den Herstellungsprozess.

Die beiden gebräuchlichsten Materialien für Flüssigkeitskühlplatten sind Aluminium und Kupfer.

Für Rechenzentren sind Aluminium-Kühlplatten aufgrund ihrer Kosten- und Gewichtsvorteile oft attraktiv. Kupfer-Kühlplatten werden bevorzugt, wenn der Wärmefluss der Chips sehr hoch ist und die thermische Leistung höchste Priorität hat.

6. Herstellungsverfahren

Unterschiedliche Herstellungsverfahren führen zu unterschiedlichen Kühlplattenstrukturen, Kosten und Leistungsniveaus.

Gängige Herstellungsverfahren sind:

• CNC-Bearbeitung

• Hartlöten

• Reibrührschweißen

• Vakuumlöten

• Herstellung von geschälten Flossen

• Mikrokanalverarbeitung

• Kupfer-Aluminium-Verbindung

• Stanzen und Umformen für einige großvolumige Designs

Für einen Hersteller von kundenspezifischen Flüssigkeitskühlplatten liegt der Schlüssel nicht nur in der Entwicklung eines Hochleistungskanals, sondern auch in der Gewährleistung, dass die Struktur zuverlässig in großem Maßstab gefertigt werden kann.

gängige Flüssigkeitskühlplattenstrukturen für Rechenzentren

Für unterschiedliche Arbeitslasten in Rechenzentren eignen sich verschiedene interne Kühlplattenstrukturen. Zu den wichtigsten Typen gehören Kühlplatten mit geschlitzten Rippen, Mikrokanal-Kühlplatten, topologieoptimierte Kühlplatten und andere fortschrittliche Hochleistungsstrukturen.

1. Kühlplatte mit geschälten Lamellen für Flüssigkeitskühlung

Eine Kühlplatte mit geschlitzten Rippen nutzt dünne Rippen im Inneren des Flüssigkeitskanals, um die Wärmeübertragungsfläche zu vergrößern. Das Kühlmittel strömt durch die Rippenstruktur und führt der Basis Wärme zu.

Dies ist eine relativ traditionelle und weit verbreitete Struktur. Sie bietet stabile Leistung und eignet sich für allgemeine Rechenzentrums-Workloads.

Vorteile von Kühlrippen mit geschlitzten Lamellen

• ausgereifter Herstellungsprozess

• gute Wärmeübertragungsfläche

• geeignet für Komponenten mit mittlerer bis hoher Leistung

• kostengünstig im Vergleich zu komplexeren Strukturen

• einfacher an verschiedene Größen anpassbar

Einschränkungen

• Der Wärmewiderstand kann höher sein als bei fortschrittlichen Mikrokanaldesigns.

• Der Druckabfall hängt stark von der Rippendichte und dem Strömungsweg ab.

• Für KI-Chips mit extrem hoher Wärmestromdichte ist dies nicht immer die beste Option.

Flüssigkeitskühlplatten mit geschlitzten Lamellen eignen sich für die allgemeine Serverkühlung, CPU-Kühlung und Rechenzentrumsanwendungen, bei denen Kosten, Zuverlässigkeit und Herstellbarkeit wichtig sind.

2. Mikrokanal-Flüssigkeitskühlplatte

Eine Mikrokanal-Kühlplatte nutzt sehr kleine interne Kanäle, um die Kühlmittelkontaktfläche zu vergrößern und die Wärmeübertragungsleistung zu verbessern. Diese Struktur funktioniert wie ein hocheffizienter, flüssigkeitsgekühlter Kühlkörper innerhalb der Kühlplatte.

Mikrokanal-Designs sind besonders nützlich für Wärmequellen mit hoher Dichte wie GPUs, KI-Beschleuniger und HPC-Prozessoren.

Vorteile von Mikrokanal-Kühlplatten

• sehr geringer Wärmewiderstand

• hohe Wärmeübertragungseffizienz

• hohe Leistungsfähigkeit für konzentrierte Wärmequellen

• geeignet für die Kühlung von KI-Chips und GPUs

• Kompakte Bauweise für Anwendungen mit hoher Leistungsdichte

Einschränkungen

• höherer Druckverlust als bei einfachen Kanalkonstruktionen

• empfindlicher gegenüber der Kühlmittelreinheit

• schwieriger herzustellen

• höhere Kosten im Vergleich zu Standard-Kühlplatten

• erfordert eine sorgfältige Auslegung der Strömungsverteilung

Für moderne KI-Rechenzentren gewinnen Mikrokanal-Flüssigkeitskühlplatten zunehmend an Bedeutung, da der Stromverbrauch der Chips und der Wärmefluss rapide ansteigen.

3. Topologieoptimierte Kühlplatte

Eine topologieoptimierte Kühlplatte nutzt fortschrittliche Konstruktionsmethoden zur Optimierung der internen Strömungswege. Ziel ist es, den Druckverlust zu reduzieren und gleichzeitig eine gute thermische Leistung zu gewährleisten.

Bei einigen Konstruktionen kann die Topologieoptimierung den Druckverlust um mehr als 20 % reduzieren. Dies kann in Systemen, in denen die Pumpenleistung eine wichtige Einschränkung darstellt, von großem Wert sein.

Vorteile

• geringerer Druckabfall

• bessere hydraulische Effizienz

• kann für spezifische Chip-Layouts optimiert werden

• nützlich für die Energieeffizienz auf Rack-Ebene

Einschränkungen

• komplexerer Designprozess

• höhere Herstellungskosten

• Ein Leistungsgewinn rechtfertigt möglicherweise nicht immer die Kosten

• erfordert Simulation und Validierung

Topologieoptimierte Strukturen eignen sich für Rechenzentren, in denen der Kühlkreislauf viele Kühlplatten bewältigen muss und die Pumpenleistung ein wichtiger Faktor ist.

4. fortschrittliche Hochleistungs-Kühlplattenstrukturen

Für Chips oder Module mit extrem hoher Leistungsaufnahme können hochentwickelte Strukturen erforderlich sein. Diese Strukturen sind für sehr hohe TDP-Werte ausgelegt, die auf Systemebene mitunter mehrere tausend Watt übersteigen.

Solche Designs können Folgendes kombinieren:

• Mikrokanäle

• Verteiler-Strömungsverteilung

• optimiertes Ein- und Auslasslayout

• mehrschichtige Kanalstrukturen

• Kupferbasen mit hoher Leitfähigkeit

• Innengeometrie mit geringem Druckverlust

• kundenspezifische Dichtungs- und Schweißverfahren

Diese Kühlplatten werden typischerweise in KI-Clustern, HPC-Systemen, Hochleistungsbeschleunigermodulen und dichten Rack-Kühllösungen eingesetzt.

Leistungsvergleich von Flüssigkeitskühlplattenstrukturen

Die folgende Tabelle fasst die typischen Leistungsmerkmale verschiedener Flüssigkeitskühlplattenstrukturen zusammen.

Die richtige Wahl hängt davon ab, ob der Kunde die niedrigste Chiptemperatur, den geringsten Druckabfall, die niedrigsten Kosten, die einfachste Fertigung oder die beste Gesamtsystemeffizienz priorisiert.

Wärmewiderstand vs. Druckverlust: der entscheidende Zielkonflikt

Bei der Konstruktion von Flüssigkeitskühlplatten hängen Wärmewiderstand und Druckverlust oft zusammen.

Eine dichtere Rippenstruktur oder kleinere Mikrokanäle können den Wärmewiderstand verringern, da sie die Wärmeübertragungsfläche vergrößern. Allerdings kann dies auch den Strömungswiderstand erhöhen und somit einen höheren Druckverlust verursachen.

Andererseits kann ein breiterer Kanal zwar den Druckverlust verringern, bietet aber möglicherweise nicht genügend Wärmeübertragungsleistung für Hochleistungschips.

Dies führt zu einem üblichen technischen Kompromiss:

Bei Anwendungen in Rechenzentren geht es nicht darum, die leistungsstärkste Kühlplatte isoliert zu entwickeln. Vielmehr geht es darum, die optimale Kühlplatte für den gesamten Kühlkreislauf zu entwickeln, einschließlich Pumpen, Verteiler, Schnellkupplungen, Kühlmittelverteiler und der thermischen Anforderungen auf Rack-Ebene.

Wie man die richtige Kühlplattenstruktur für verschiedene Rechenzentrumsanwendungen auswählt

Unterschiedliche Workloads in Rechenzentren erfordern unterschiedliche Kühlplattenstrukturen.

allgemeine Rechenzentrumsserver

Für Standard-CPU-Server und moderate Wärmelasten bieten Kühlplatten mit geschälten Lamellen aus Aluminium oder Kupfer ein gutes Gleichgewicht zwischen Leistung, Kosten und Zuverlässigkeit.

empfohlene Struktur:

• Aluminium- oder Kupfer-Kühlplatte

• einfache Kanal- oder Lamellenstruktur

• mäßiger Durchfluss

• geringer bis mittlerer Druckabfall

• kostengünstiges Herstellungsverfahren

KI-Trainingsserver

KI-Trainingsserver verwenden üblicherweise leistungsstarke GPUs und Beschleuniger. Diese Chips erzeugen eine hohe Wärmestromdichte und benötigen oft aufwändigere Kühlstrukturen.

empfohlene Struktur:

• Kühlplatte mit Kupfersockel

• Mikrokanalstruktur

• optimierte Strömungsverteilung

• höhere Durchflusskapazität

• Design mit niedrigem Wärmewiderstand

HPC-Cluster

HPC-Systeme erfordern häufig einen stabilen Langzeitbetrieb und eine hohe Kühlleistung. Sowohl der Wärmewiderstand als auch der Druckverlust müssen sorgfältig kontrolliert werden.

empfohlene Struktur:

• Kühlplatte aus Kupfer oder Kupfer-Aluminium

• Mikrokanal- oder Verteilerströmungsdesign

• Optimierung bei geringem Druckverlust

• zuverlässige Abdichtung und Schweißung

• Validierung auf Systemebene

Edge-Rechenzentren

Edge-Rechenzentren verfügen möglicherweise über begrenzten Platz und werden unter Umständen in weniger kontrollierten Umgebungen eingesetzt. Zuverlässigkeit und eine kompakte Bauweise sind daher von großer Bedeutung.

empfohlene Struktur:

• Aluminium-Kühlplatte für leichtes Design

• kompakte Kanalstruktur

• korrosionsbeständige Oberflächenbehandlung

• zuverlässige Leckprüfung

• einfache Installation und Wartung

Design-Checkliste für Flüssigkeitskühlplatten in Rechenzentren

Bevor eine kundenspezifische Flüssigkeitskühlplatte entwickelt wird, sollten die Ingenieure die wichtigsten Parameter bereits in der frühen Entwurfsphase bestätigen.

Diese Checkliste hilft, Konstruktionsfehler zu reduzieren und ermöglicht eine effizientere Kommunikation zwischen Kunde und Hersteller.

Fertigungsüberlegungen für Kühlplatten in Rechenzentren

Eine Hochleistungs-Kühlplatte muss nicht nur in Simulationen gute Ergebnisse liefern, sondern auch herstellbar, zuverlässig und für den langfristigen Betrieb in Rechenzentren geeignet sein.

1. Dichtungszuverlässigkeit

Rechenzentren erfordern höchste Zuverlässigkeit. Jegliche Kühlmittelleckage kann Server und elektrische Systeme schwer beschädigen. Daher müssen Kühlplatten strengen Dichtheits- und Druckprüfungen unterzogen werden.

2. Korrosionsschutz

Bei der Verwendung von Aluminium-Kühlplatten müssen Kühlmittelverträglichkeit und Korrosionsschutz sorgfältig beachtet werden. Oberflächenbehandlung und Kühlmittelzusammensetzung sind für die langfristige Zuverlässigkeit von Bedeutung.

3. Ebenheit und Oberflächenbeschaffenheit

Die Kontaktfläche zwischen Chip und Kühlplatte muss ausreichend eben und glatt sein, um den thermischen Widerstand an der Schnittstelle zu minimieren. Eine unzureichende Ebenheit kann zu ungleichmäßigem Anpressdruck und Hotspots führen.

4. Innere Sauberkeit

Bei Mikrokanal-Kühlplatten ist die innere Sauberkeit von entscheidender Bedeutung. Kleine Partikel können die Mikrokanäle verstopfen und die Kühlleistung beeinträchtigen. Daher sind während der Produktion eine sorgfältige Reinigung und Inspektion unerlässlich.

5. Skalierbare Fertigung

Rechenzentrumsprojekte erfordern häufig eine Serienfertigung. Das Design einer Kühlplatte sollte daher nicht nur hinsichtlich der Leistung, sondern auch im Hinblick auf wiederholbare Fertigung, Qualitätskontrolle und Kostenstabilität optimiert sein.

Wie Kingka Projekte mit Flüssigkeitskühlplatten für Rechenzentren unterstützt

kingka bietet kundenspezifische Flüssigkeitskühlplatten, Wasserkühlplatten, FSW-Flüssigkeitskühlplatten, CNC-gefräste Kühlplatten, Aluminiumkühlplatten, Kupferkühlplatten und komplette Wärmemanagementlösungen für Hochleistungselektronik und Rechenzentrumsanwendungen.

Für Rechenzentrumskühlungsprojekte kann kingka Folgendes unterstützen:

• Konstruktion der Kühlplatte

• Materialauswahl

• interne Kanaloptimierung

• Entwicklung von Mikrokanal-Kühlplatten

• Herstellung von Kühlplatten mit geschälten Lamellen

• CNC-Bearbeitung

• Reibrührschweißen

• Hartlöten und Weichlöten

• Oberflächenbehandlung

• Dichtheitsprüfung

• Druckverlustbewertung

• Kundenspezifisches Design basierend auf Kundenzeichnungen

Die technische Unterstützung von kingka konzentriert sich auf praktische Leistung, Herstellbarkeit, Kostenkontrolle und langfristige Zuverlässigkeit. Anstatt einfach nur eine Kühlplattenstruktur auszuwählen, helfen wir unseren Kunden, das gesamte Wärmesystem zu bewerten und die optimale Lösung für ihre Anwendung zu finden.

Zusammenfassung zur Auswahl der Kühlplattenstruktur

Die Auswahl der richtigen Struktur für Flüssigkeitskühlplatten in Rechenzentren erfordert ein ausgewogenes Verhältnis zwischen thermischer Leistung, Druckverlust, Herstellungskosten, Materialauswahl und Systemzuverlässigkeit.

Für Standard-Rechenzentrumsserver können Kühlplatten mit geschlitzten Lamellen oder einfachen Kanälen eine praktische und kostengünstige Lösung darstellen. Für hochdichte KI-Chips, GPUs und HPC-Prozessoren sind unter Umständen Mikrokanal-Kühlplatten oder fortschrittliche Verteilerdesigns erforderlich, um einen geringeren Wärmewiderstand zu erzielen. Bei Systemen, in denen die Pumpenleistung im Vordergrund steht, können topologieoptimierte Kühlplatten dazu beitragen, den Druckverlust zu reduzieren und die hydraulische Effizienz zu verbessern.

Die beste Flüssigkeitskühlplatte ist nicht immer die komplexeste. Es ist diejenige, deren Struktur der tatsächlichen Wärmelast, dem Durchfluss, dem Druckverlustlimit, den Materialanforderungen, dem Fertigungsbudget und der Kühlarchitektur auf Rack-Ebene entspricht.

kingka bietet maßgeschneiderte Flüssigkeitskühlplatten, Kühlkörper und komplette Wärmemanagementlösungen für Rechenzentren, KI-Server, HPC-Systeme und Hochleistungselektronik. Durch die Kombination von Materialexpertise, Konstruktionsdesign, Präzisionsfertigung und Zuverlässigkeitsprüfung unterstützt kingka seine Kunden beim Aufbau effizienter, stabiler und skalierbarer Kühllösungen für Rechenzentren der nächsten Generation.