مراكز بيانات الذكاء الاصطناعي المبردة بالسوائل: اختيار مكونات الطاقة في ظل أحمال حرارية أعلى

يُحدث التبريد السائل تغييراً جذرياً في كيفية إدارة مراكز بيانات الذكاء الاصطناعي عالية الكثافة للحرارة. فمع ازدياد الطلب على الطاقة من مجموعات وحدات معالجة الرسومات ووحدات الخوادم، تتطور أنظمة التبريد بالتوازي مع بنى توزيع الطاقة وتحويلها.

مع ذلك، لا يعني اعتماد التبريد السائل بالضرورة أن جميع المكونات الكهربائية ستعمل عند درجة حرارة أقل. فالظروف الحرارية الفعلية تعتمد على مكان تركيب المكون، وكيفية انتقال الحرارة، وما إذا كان المكون متصلاً مباشرةً بنظام التبريد السائل أو موجوداً داخل غلاف مُبرّد بالهواء.

بالنسبة لمصممي إلكترونيات الطاقة، لا يقتصر السؤال المهم على ما إذا كان مركز البيانات يستخدم التبريد السائل، بل يتعداه إلى كيفية تأثير بنية التبريد على ظروف تشغيل المكونات داخل نظام توصيل الطاقة.

تؤدي بنى التبريد السائل المختلفة إلى ظروف حرارية مختلفة.

يمكن تطبيق التبريد السائل على مستويات مختلفة من مركز بيانات الذكاء الاصطناعي. ويؤثر كل نهج على المعدات الكهربائية المحيطة بشكل مختلف.

تعتمد تقنية التبريد المباشر للرقاقة على تدوير سائل التبريد عبر ألواح باردة متصلة بالمكونات المولدة للحرارة مثل وحدات معالجة الرسومات ووحدات المعالجة المركزية. تعمل هذه التقنية على إزالة الحرارة بالقرب من مصدرها، ولكن قد تظل وحدات التزويد بالطاقة والمكونات الكهربائية الأخرى تعتمد على أنظمة تبريد أو تدفق هواء منفصلة.

تعمل مبادلات الحرارة الموجودة في الباب الخلفي على إزالة الحرارة من الهواء الخارج من خزانة الخوادم. ويمكنها تقليل الحمل الحراري المنبعث إلى مساحة مركز البيانات، بينما تظل ظروف التبريد الداخلية لوحدات الطاقة الفردية معتمدة على تصميمها الخاص.

تعتمد تقنية التبريد بالغمر على وضع معدات تكنولوجيا المعلومات المتوافقة في سائل عازل. يخلق هذا الأسلوب بيئة حرارية ومادية مختلفة، مما يجعل توافق السائل عاملاً مهماً يجب مراعاته بالنسبة للمعدات المعرضة مباشرة لسائل التبريد.

لا ينبغي التعامل مع هذه البنى على أنها قابلة للتبديل. قد يتعرض مكون الطاقة الموجود داخل وحدة طاقة مبردة بالهواء لظروف مختلفة تمامًا عن تلك المدمجة في وحدة طاقة مخصصة مبردة بالسوائل.

وبالتالي فإن الخطوة الأولى في اختيار المكونات هي فهم حدود التبريد: أي المعدات يتم تبريدها بالسوائل، وأيها يبقى مبردًا بالهواء، وكيف تنتقل الحرارة بين الاثنين.

أشباه الموصلات الكهربائية: درجة حرارة الوصلة وهامش التشغيل

تُعد أشباه الموصلات الكهربائية أساسية في مراحل تحويل الطاقة لأنظمة مراكز بيانات الذكاء الاصطناعي. ويمكن استخدام ترانزستورات MOSFET وIGBT وأجهزة SiC وأجهزة GaN حسب مستوى الجهد وتردد التبديل وهدف الكفاءة وبنية المحول.

يرتبط أداؤها الحراري ارتباطًا وثيقًا بظروف التشغيل الكهربائية.

تتسبب خسائر التوصيل وخسائر التبديل في توليد الحرارة أثناء التشغيل. وتعتمد درجة حرارة الوصلة الناتجة على الطاقة المبددة، والمقاومة الحرارية للجهاز والعبوة، وواجهة التبريد، والبيئة الحرارية المحيطة.

عند تقييم أجهزة أشباه الموصلات، ينبغي على المهندسين مراعاة ما يلي:

• أقصى درجة حرارة للوصلة ونطاق التشغيل الموصى به

• خسائر التوصيل والتبديل عند نقطة التشغيل المقصودة

• المقاومة الحرارية من الوصلة إلى الغلاف ومن الغلاف إلى المحيط أو واجهة سائل التبريد

• تردد التبديل وملف تعريف الحمل

• السلوك الحراري العابر أثناء تغيرات الحمل السريعة

• شروط العزل الكهربائي والتركيب المطلوبة

قد يُحسّن نظام التبريد السائل من إزالة الحرارة عند سطح تلامس مُحدد، لكن هذه الفائدة تعتمد على المسار الحراري الفعلي. إذا لم يكن أشباه الموصلات متصلاً بدائرة التبريد السائل، فقد تظل درجة حرارة تشغيله خاضعة لتدفق الهواء، وتصميم المشتت الحراري، وظروف الغلاف.

لذلك ينبغي تقييم الجهاز المختار باستخدام المسار الحراري الكامل بدلاً من طريقة التبريد المستخدمة في مكان آخر في الرف.

المحاثات والمكونات المغناطيسية: الخسائر لا تزال مهمة

تظل المكونات المغناطيسية مهمة في دوائر تحويل الطاقة وتنظيم الجهد، بما في ذلك مصادر الطاقة ومراحل محول التيار المستمر إلى التيار المستمر.

تشمل خسائر المحاثة عموماً خسائر اللفائف وخسائر القلب الحديدي. ويتأثر كلاهما بنقطة التشغيل الكهربائية وبنية المكون.

عند التيارات العالية، تُساهم مقاومة الملفات في فقد النحاس. أما فقد القلب الحديدي فيعتمد على عوامل مثل تردد التبديل، وكثافة التدفق المغناطيسي، ومادة القلب. تُساهم هذه الفقد في ارتفاع درجة حرارة المكون، وقد تؤثر على خصائصه الكهربائية بمرور الوقت.

بالنسبة لتطبيقات قوة خوادم الذكاء الاصطناعي، ينبغي على المهندسين مراجعة ما يلي:

• التيار المقنن وتيار التشبع

• مقاومة التيار المستمر وفقدان اللفائف

• المادة الأساسية وتردد التشغيل

• تغير الحث تحت تأثير الانحياز المستمر

• ارتفاع درجة الحرارة عند الحمل المتوقع

• الخصائص الحرارية للعبوة وترتيب التركيب

لا يُلغي التبريد السائل في أجزاء أخرى من النظام هذه الاعتبارات. فإذا بقي المحث في قسم مُبرّد بالهواء، فإن أداءه الحراري لا يزال يعتمد على تدفق الهواء المحلي وانتقال الحرارة.

بالنسبة لتجميعات تحويل الطاقة المدمجة، يمكن أن تؤثر المسافة بين المكونات المغناطيسية وأجهزة التبديل ومصادر الحرارة الأخرى أيضًا على توزيع درجة الحرارة النهائية.

المكثفات: درجة الحرارة، تيار التموج، وعمر الخدمة

تُستخدم المكثفات في جميع دوائر تحويل وتوزيع الطاقة لأغراض الترشيح وتخزين الطاقة وتثبيت الجهد.

يمكن أن تختلف ظروف تشغيلها بشكل كبير اعتمادًا على موقعها في بنية الطاقة.

على سبيل المثال، قد تتعرض مكثفات وصلة التيار المستمر لتموجات التيار والإجهاد الكهربائي المرتبط بتشغيل المحول. وقد تتعرض مكثفات الخرج لأنماط تموج مختلفة وظروف عابرة.

عند اختيار المكثفات لأنظمة الطاقة عالية الكثافة، ينبغي على المهندسين تقييم ما يلي:

• الجهد والسعة المقدرة

• قدرة التيار المتموج

• المقاومة التسلسلية المكافئة (ESR)

• نطاق درجة حرارة التشغيل

• العمر الافتراضي المتوقع في ظل الظروف الكهربائية والحرارية الفعلية

• الأبعاد الميكانيكية ومتطلبات التركيب

تُعد درجة الحرارة عاملاً مهماً في عمر خدمة المكثف، ولكن لا ينبغي تقييمها بشكل مستقل عن تيار التموج وإجهاد الجهد.

لا يؤدي نظام التبريد الذي يخفض درجة حرارة المعدات المجاورة بالضرورة إلى تقليل التسخين الداخلي للمكثف الناتج عن تيار التموج. ولا يزال من الضروري مراعاة الفقد الكهربائي للمكون نفسه ومساره الحراري.

الموصلات والوصلات البينية: ارتفاع درجة الحرارة الموضعي

تتطلب أنظمة الذكاء الاصطناعي عالية الطاقة توصيلات كهربائية مدمجة عبر رفوف الطاقة ووحدات الخوادم ومجموعات التوزيع.

يجب أن تحمل الموصلات والمحطات الطرفية وواجهات قضبان التوصيل التيار المقصود مع الحفاظ على مقاومة تلامس مقبولة واستقرار ميكانيكي.

حتى عند التحكم في درجة حرارة الغلاف ككل، قد يحدث تسخين موضعي عند نقاط التوصيل الكهربائي. وتؤثر كل من مقاومة التلامس، وحمل التيار، وحجم الموصل، وجودة التوصيل، وظروف التركيب على ارتفاع درجة الحرارة.

ينبغي أن يراعي اختيار المكونات ما يلي:

• التيار المقنن في ظل ظروف التركيب الفعلية

• مقاومة التلامس وفقدان الطاقة المرتبط بها

• ارتفاع درجة الحرارة عند التيار المقصود

• التوافق مع الأسلاك أو قضبان التوصيل

• الاهتزاز والاحتفاظ الميكانيكي

• متطلبات العزل والزحف

• شروط حماية البيئة وصيانتها

في المعدات المبردة بالسوائل، يستحق موضع الموصلات بالنسبة للألواح الباردة وخطوط التبريد والوصلات الحرارية الأخرى الاهتمام أيضاً.

إن وجود أنابيب أو مشعبات التبريد بالقرب من التوصيلات الكهربائية يجعل تخطيط التركيب وإمكانية الوصول إلى الخدمة من الأجزاء المهمة في مراجعة التصميم.

يجب أن تتطابق مكونات الحماية مع ظروف التشغيل الفعلية الخاصة بها

يتم اختيار الصمامات وأجهزة الحماية الأخرى وفقًا لمتطلبات الأعطال الكهربائية، وليس فقط وفقًا لتصنيف الطاقة الاسمي للنظام.

بالنسبة لتطبيقات التيار المستمر عالية الطاقة، يحتاج المهندسون إلى التحقق من الجهد المقنن والتيار المستمر وقدرة القطع وخصائص التيار الزمني والتنسيق مع نظام الحماية الأوسع.

تؤثر الظروف الحرارية أيضاً على طريقة عمل مكونات الحماية. فدرجة الحرارة المحيطة، ودرجة حرارة الغلاف، وطريقة التركيب، والحرارة المتولدة من المكونات المجاورة قد تؤثر على قدرة تحمل التيار الكهربائي.

قد لا يكون المصهر الذي يتم اختياره بناءً على تصنيفه الاسمي للتيار فقط مناسبًا لظروف التركيب الفعلية. لذا، ينبغي مراجعة إرشادات الشركة المصنعة بشأن خفض تصنيف التيار وبيئة التشغيل المقصودة.

وينطبق المبدأ نفسه على أجهزة التبديل والمكونات الأخرى المتعلقة بالحماية: يجب مراعاة التصنيفات الكهربائية والظروف الحرارية ومتطلبات التركيب معًا.

تُشكّل البنية التحتية للتبريد أيضاً اعتبارات تصميمية كهربائية.

يُدخل التبريد السائل معدات وواجهات إضافية إلى بيئة مركز البيانات.

بحسب التصميم المعماري، قد يشتمل نظام التبريد على وحدات توزيع سائل التبريد (CDUs) والمضخات والصمامات وأجهزة الاستشعار وأجهزة المراقبة ودوائر التحكم.

تُنشئ هذه الأجهزة أحمالاً كهربائية مساعدة وتفرض متطلبات إضافية لإمدادات الطاقة والتحويل والاستشعار والاتصالات.

بالنسبة لمصممي إلكترونيات الطاقة ودوائر التحكم، هناك عدة تفاصيل تستحق الاهتمام:

• متطلبات الطاقة للمضخات ووحدات توزيع الطاقة ومعدات التحكم

• استقرار الإمداد لأجهزة المراقبة والتحكم

• واجهات استشعار درجة الحرارة ومعدل التدفق

• التواصل بين أنظمة التحكم في التبريد وأنظمة مراقبة المنشأة

• الحماية الكهربائية للأحمال المساعدة

• وضع المعدات وإمكانية الوصول إليها للصيانة

يرتبط أداء التبريد والأداء الكهربائي ارتباطًا وثيقًا. يتطلب نظام التبريد طاقة وتحكمًا موثوقين، بينما تعتمد معدات الطاقة على ظروف حرارية مناسبة للعمل ضمن حدودها المحددة.

تُعد هذه العلاقة ذات أهمية خاصة في مرافق الذكاء الاصطناعي عالية الكثافة، حيث يجب تخطيط البنية التحتية للطاقة والتبريد معًا بدلاً من تطويرها كنظم منفصلة تمامًا.

مراجعة عملية قبل وضع اللمسات الأخيرة على اختيار المكونات

عند تقييم مكونات الطاقة لمركز بيانات الذكاء الاصطناعي المبرد بالسوائل، يجب على المهندسين تحديد ظروف التشغيل الفعلية قبل مقارنة أرقام الأجزاء الفردية.

يمكن أن تتضمن المراجعة المفيدة النقاط التالية:

1. حدد بنية التبريد. حدد ما إذا كان النظام يستخدم التبريد المباشر للرقاقة، أو مبادلات حرارية خلفية، أو التبريد بالغمر، أو مزيجًا من هذه الأساليب.

2. حدد مواقع مكونات الخريطة. حدد مكونات الطاقة التي يتم تبريدها بالسوائل بشكل مباشر، أو التي تتأثر بشكل غير مباشر بنظام التبريد، أو التي لا تزال تعتمد على تدفق الهواء المحلي.

3. حدد ظروف التشغيل الكهربائية. تأكد من الجهد والتيار المستمر وتيار الذروة وتردد التبديل وتغير الحمل المتوقع.

4. قم بتقييم الحدود الحرارية. راجع درجة حرارة الوصلة، وارتفاع درجة الحرارة، والمقاومة الحرارية، ومتطلبات خفض القدرة من قبل الشركة المصنعة.

5. تحقق من توافق المواد مع البيئة. بالنسبة للمعدات المعرضة لسوائل التبريد أو السوائل العازلة، تحقق من توافقها مع المواد ذات الصلة وظروف التشغيل.

6. راجع التوصيلات الكهربائية. تحقق من مواصفات الموصلات، ومقاومة التلامس، والعزل، ومساحة التركيب، وارتفاع درجة الحرارة.

7. ضع في اعتبارك المعدات المساعدة. قم بتضمين متطلبات الطاقة والتحكم والاستشعار والاتصالات الخاصة بالبنية التحتية للتبريد.

8. تحقق من التجميع الكامل. يجب تقييم مواصفات المكونات ضمن الغلاف النهائي ونظام التبريد، وليس فقط في ظل ظروف ورقة البيانات المعزولة.

تساعد هذه العملية في منع خطأ تصميم شائع: وهو افتراض أن وجود التبريد السائل يحل تلقائيًا القيود الحرارية في جميع أنحاء نظام الطاقة.

اختيار المكونات ضمن تصميم متكامل للطاقة والتبريد

أصبح التبريد السائل جزءًا مهمًا من البنية التحتية لمراكز بيانات الذكاء الاصطناعي عالية الكثافة، ولكنه لا يحل محل الحاجة إلى الهندسة الكهربائية والحرارية الدقيقة.

تختلف خصائص التشغيل لأشباه الموصلات والمحاثات والمكثفات والموصلات وأجهزة التبديل ومكونات الحماية. وتعتمد ملاءمتها على الحمل الكهربائي والظروف الحرارية المحلية وبيئة التركيب والتفاعل مع المعدات المحيطة.

مع ازدياد تكامل أنظمة تحويل الطاقة والتبريد، يجب أن يعكس اختيار المكونات الظروف الفعلية في كل مرحلة من مراحل سلسلة توصيل الطاقة.

تدعم ESHINE توريد المكونات الإلكترونية واختيارها التقني لتطبيقات إلكترونيات الطاقة والتطبيقات المتعلقة بالطاقة. بالنسبة لمشاريع الطاقة لخوادم الذكاء الاصطناعي ومراكز البيانات، يمكن تقييم متطلبات المكونات وفقًا للمعايير الكهربائية والظروف الحرارية وقيود التغليف واحتياجات التطبيق.

إن مشاركة وظيفة الدائرة المقصودة ومعايير التشغيل وبيئة التركيب تساعد في تضييق نطاق خيارات المكونات المناسبة لمزيد من المراجعة الفنية.