Центры обработки данных с жидкостным охлаждением для ИИ: выбор силовых компонентов при высоких тепловых нагрузках

Жидкостное охлаждение меняет подход к управлению теплом в центрах обработки данных с высокой плотностью размещения ИИ. Поскольку кластеры графических процессоров и серверные стойки потребляют все больше энергии, системы охлаждения развиваются вместе с архитектурами распределения и преобразования энергии.

Однако внедрение жидкостного охлаждения не означает автоматически, что все электрические компоненты будут работать при более низкой температуре. Фактические тепловые условия зависят от места установки компонента, способа передачи тепла, а также от того, подключен ли компонент напрямую к системе жидкостного охлаждения или находится в корпусе с воздушным охлаждением.

Для разработчиков силовой электроники важный вопрос заключается не просто в том, использует ли центр обработки данных жидкостное охлаждение. Важно то, как архитектура охлаждения изменяет условия работы компонентов в системе электропитания.

Различные архитектуры жидкостного охлаждения создают различные тепловые условия.

Жидкостное охлаждение может быть реализовано на разных уровнях центра обработки данных, предназначенного для искусственного интеллекта. Каждый подход по-разному влияет на окружающее электрооборудование.

Система охлаждения непосредственно на чипе циркулирует охлаждающую жидкость через холодные пластины, прикрепленные к компонентам, выделяющим тепло, таким как графические процессоры и центральные процессоры. Она отводит тепло вблизи источника, но блоки питания и другие электрические компоненты могут по-прежнему зависеть от отдельных систем циркуляции воздуха или охлаждения.

Теплообменники на задних дверцах отводят тепло из воздуха, выходящего из серверной стойки. Они могут снизить тепловую нагрузку, выделяемую в пространство центра обработки данных, в то время как внутренние условия охлаждения отдельных силовых модулей по-прежнему зависят от их собственной конструкции.

При погружном охлаждении совместимое ИТ-оборудование помещается в диэлектрическую жидкость. Такой подход создает иную тепловую и материальную среду, поэтому совместимость с жидкостью является важным фактором для оборудования, непосредственно контактирующего с охлаждающей жидкостью.

Эти архитектуры не следует рассматривать как взаимозаменяемые. Силовой компонент, расположенный внутри блока питания с воздушным охлаждением, может работать в совершенно иных условиях, чем компонент, интегрированный в специализированный блок питания с жидкостным охлаждением.

Поэтому первым шагом при выборе компонентов является понимание границы охлаждения: какое оборудование охлаждается жидкостью, какое остается охлаждаемым воздухом и как происходит передача тепла между ними.

Силовые полупроводники: температура перехода и рабочий запас

Силовые полупроводники играют важную роль на этапах преобразования энергии в системах электропитания центров обработки данных, использующих искусственный интеллект. В зависимости от уровня напряжения, частоты переключения, целевого КПД и топологии преобразователя могут использоваться MOSFET, IGBT, SiC и GaN транзисторы.

Их тепловые характеристики тесно связаны с условиями эксплуатации в электрическом режиме.

Потери на проводимость и потери при переключении приводят к выделению тепла во время работы. Результирующая температура перехода зависит от рассеиваемой мощности, теплового сопротивления устройства и корпуса, охлаждающей поверхности и окружающей тепловой среды.

При оценке полупроводниковых приборов инженерам следует учитывать следующее:

• Максимальная температура перехода и рекомендуемый диапазон рабочих температур

• Потери проводимости и переключения в заданной рабочей точке

• Тепловое сопротивление от места соединения до корпуса и от корпуса до окружающей среды или охлаждающей жидкости.

• Частота переключения и профиль нагрузки

• Переходное тепловое поведение при резких изменениях нагрузки

• Необходимые условия электрической изоляции и монтажа.

Система жидкостного охлаждения может улучшить отвод тепла на конкретном интерфейсе, но это преимущество зависит от фактического пути теплоотвода. Если полупроводник не подключен к контуру жидкостного охлаждения, его рабочая температура все равно может зависеть от воздушного потока, конструкции радиатора и условий корпуса.

Поэтому выбранное устройство следует оценивать, используя полный тепловой путь, а не метод охлаждения, применяемый в других частях стойки.

Индукторы и магнитные компоненты: потери по-прежнему имеют значение.

Магнитные компоненты по-прежнему играют важную роль в схемах преобразования энергии и регулирования напряжения, включая источники питания и каскады DC-DC преобразователей.

Потери в индукторе обычно включают потери в обмотках и потери в сердечнике. На оба параметра влияют рабочая электрическая точка и конструкция компонента.

При высоких токах сопротивление обмотки приводит к потерям в меди. Потери в сердечнике зависят от таких факторов, как частота переключения, плотность магнитного потока и материал сердечника. Эти потери приводят к повышению температуры компонента и могут со временем влиять на его электрические характеристики.

Для приложений, требующих высокой вычислительной мощности в системах искусственного интеллекта, инженерам следует провести следующий анализ:

• Номинальный ток и ток насыщения

• Сопротивление постоянному току и потери в обмотках

• Основной материал и рабочая частота

• Изменение индуктивности при постоянном напряжении смещения

• Повышение температуры при ожидаемой нагрузке

• Тепловые характеристики корпуса и способа монтажа.

Жидкостное охлаждение в других частях системы не устраняет эти факторы. Если индуктор остается в секции с воздушным охлаждением, его тепловые характеристики по-прежнему зависят от локального воздушного потока и теплопередачи.

В компактных преобразовательных сборках расстояние между магнитными компонентами, коммутирующими устройствами и другими источниками тепла также может влиять на конечное распределение температуры.

Конденсаторы: температура, пульсации тока и срок службы.

Конденсаторы используются во всех цепях преобразования и распределения энергии для фильтрации, накопления энергии и стабилизации напряжения.

Условия их эксплуатации могут значительно различаться в зависимости от их положения в энергетической системе.

Например, конденсаторы звена постоянного тока могут испытывать пульсации тока и электрическую нагрузку, связанные с работой преобразователя. Выходные конденсаторы могут подвергаться воздействию различных профилей пульсаций и переходных процессов.

При выборе конденсаторов для энергосистем высокой плотности инженерам следует учитывать следующие факторы:

• Номинальное напряжение и емкость

• Возможность пульсаций тока

• Эквивалентное последовательное сопротивление (ЭСС)

• Диапазон рабочих температур

• Ожидаемый срок службы при реальных электрических и тепловых условиях

• Механические размеры и требования к монтажу.

Температура является важным фактором, влияющим на срок службы конденсатора, но ее не следует оценивать независимо от пульсаций тока и напряжения.

Система охлаждения, снижающая температуру расположенного рядом оборудования, не обязательно уменьшает внутренний нагрев конденсатора, вызванный пульсациями тока. Необходимо учитывать собственные электрические потери компонента и путь теплопередачи.

Соединители и межсоединения: локальное повышение температуры

Для мощных систем искусственного интеллекта требуются компактные электрические соединения на силовых полках, серверных стойках и распределительных щитах.

Соединители, клеммы и шинные интерфейсы должны пропускать заданный ток, обеспечивая при этом приемлемое контактное сопротивление и механическую стабильность.

Даже при контроле общей температуры корпуса локальный нагрев может происходить в точках электрического соединения. На повышение температуры влияют контактное сопротивление, токовая нагрузка, сечение проводника, качество соединения и условия монтажа.

При выборе компонентов следует учитывать:

• Номинальный ток при фактических условиях установки.

• Контактное сопротивление и связанные с ним потери мощности

• Повышение температуры при заданном токе

• Совместимость проводов или шин

• Вибрационное и механическое удержание

• Требования к изоляции и утечке тока

• Условия охраны и поддержания окружающей среды

В оборудовании с жидкостным охлаждением также следует уделять внимание расположению разъемов относительно охлаждающих пластин, трубопроводов охлаждающей жидкости и других тепловых интерфейсов.

Наличие трубопроводов или коллекторов системы охлаждения вблизи электрических соединений делает компоновку установки и доступ для обслуживания важными аспектами анализа проектной документации.

Компоненты защиты должны соответствовать фактическим условиям эксплуатации.

Предохранители и другие защитные устройства выбираются в соответствии с требованиями к электрическим неисправностям, а не просто исходя из номинальной мощности системы.

Для мощных систем постоянного тока инженерам необходимо проверять номинальное напряжение, непрерывный ток, отключающую способность, время-токовые характеристики и согласованность с более широкой системой защиты.

Тепловые условия также влияют на работу защитных компонентов. Температура окружающей среды, температура корпуса, способ монтажа и тепло, выделяемое соседними компонентами, могут влиять на допустимую токовую нагрузку.

Предохранитель, выбранный только на основании номинального тока, может оказаться непригодным для реальных условий установки. Необходимо ознакомиться с рекомендациями производителя по снижению номинального тока и предполагаемой средой эксплуатации.

Тот же принцип применим к коммутационным устройствам и другим компонентам, связанным с защитой: необходимо учитывать электрические характеристики, тепловые условия и требования к установке в совокупности.

Системы охлаждения также требуют учета особенностей проектирования электрооборудования.

Жидкостное охлаждение предполагает внедрение дополнительного оборудования и интерфейсов в среду центра обработки данных.

В зависимости от архитектуры, система охлаждения может включать в себя блоки распределения охлаждающей жидкости (БРС), насосы, клапаны, датчики, устройства мониторинга и цепи управления.

Эти устройства создают вспомогательные электрические нагрузки и предъявляют дополнительные требования к электропитанию, коммутации, датчикам и связи.

Разработчикам силовой электроники и схем управления следует обратить внимание на ряд деталей:

• Потребляемая мощность насосов, установок первичной переработки и контрольного оборудования.

• Стабильность электропитания для устройств мониторинга и управления

• Интерфейсы для измерения температуры и расхода

• Взаимодействие между системами управления охлаждением и системами мониторинга объекта.

• Электрическая защита вспомогательных нагрузок

• Размещение оборудования и доступ для технического обслуживания.

Эффективность охлаждения и электрические характеристики тесно взаимосвязаны. Система охлаждения требует надежного электропитания и управления, в то время как работа силового оборудования зависит от подходящих тепловых условий для сохранения его работоспособности в пределах заданных параметров.

Эта взаимосвязь особенно важна в высокоплотных производственных комплексах для искусственного интеллекта, где инфраструктуру электропитания и охлаждения необходимо планировать совместно, а не разрабатывать как совершенно отдельные системы.

Практический обзор перед окончательным выбором компонентов.

При оценке силовых компонентов для центра обработки данных с жидкостным охлаждением для систем искусственного интеллекта инженерам следует установить фактические условия эксплуатации, прежде чем сравнивать номера отдельных деталей.

Полезный обзор может включать следующие пункты:

1. Определите архитектуру системы охлаждения. Выясните, использует ли система прямое охлаждение чипа, теплообменники с задней дверцей, иммерсионное охлаждение или комбинацию этих подходов.

2. Составьте карту расположения компонентов. Определите, какие силовые компоненты охлаждаются непосредственно жидкостью, какие косвенно зависят от системы охлаждения, а какие по-прежнему зависят от локального воздушного потока.

3. Определите условия работы электрооборудования. Подтвердите напряжение, непрерывный ток, пиковый ток, частоту переключения и ожидаемые изменения нагрузки.

4. Оцените тепловые пределы. Проанализируйте температуру перехода, повышение температуры, тепловое сопротивление и требования производителя к снижению номинальных характеристик.

5. Проверьте совместимость материалов и условий окружающей среды. Для оборудования, работающего с охлаждающими или диэлектрическими жидкостями, проверьте совместимость с соответствующими материалами и условиями эксплуатации.

6. Проверьте электрические соединения. Уточните номинальные параметры разъемов, контактное сопротивление, изоляцию, монтажное пространство и повышение температуры.

7. Учитывайте вспомогательное оборудование. Включите требования к электропитанию, управлению, датчикам и связи системы охлаждения.

8. Проверьте всю сборку целиком. Технические характеристики компонентов следует оценивать в рамках окончательного корпуса и системы охлаждения, а не только на основе данных, указанных в спецификации.

Этот процесс помогает предотвратить распространенную ошибку проектирования: предположение, что наличие жидкостного охлаждения автоматически устраняет тепловые ограничения во всей энергосистеме.

Выбор компонентов в рамках интегрированной системы электропитания и охлаждения.

Жидкостное охлаждение становится важной частью инфраструктуры центров обработки данных с высокой плотностью размещения оборудования для искусственного интеллекта, но оно не заменяет необходимости тщательного проектирования электрических и тепловых систем.

Полупроводники, индукторы, конденсаторы, разъемы, коммутационные устройства и защитные компоненты имеют различные рабочие характеристики. Их пригодность зависит от электрической нагрузки, местных тепловых условий, условий установки и взаимодействия с окружающим оборудованием.

По мере того как системы преобразования энергии и охлаждения становятся все более тесно интегрированными, выбор компонентов должен отражать фактические условия на каждом этапе цепочки передачи энергии.

ESHINE оказывает поддержку в поиске и техническом подборе электронных компонентов для силовой электроники и энергетических приложений. Для проектов по электропитанию серверов и центров обработки данных с использованием искусственного интеллекта требования к компонентам могут быть оценены с учетом электрических параметров, тепловых условий, ограничений по корпусу и потребностей приложения.

Предоставление информации о предполагаемой функции схемы, рабочих параметрах и условиях установки помогает сузить круг подходящих компонентов для дальнейшего технического анализа.