O rápido desenvolvimento da computação de IA está impulsionando os processadores de servidor para um maior consumo de energia e maior densidade de fluxo de calor. À medida que a computação baseada em GPU se torna cada vez mais importante para o treinamento e inferência de IA, o gerenciamento térmico não é mais simplesmente uma questão de selecionar um dissipador de calor maior. A interface térmica entre a fonte de calor e a estrutura de resfriamento pode ter um impacto significativo no desempenho geral do sistema.

Para servidores de IA de alta densidade, diferentes componentes geram diferentes níveis de calor e possuem diferentes geometrias de interface. Pacotes de GPU e CPU podem exigir resistência térmica extremamente baixa, enquanto memória e componentes auxiliares podem precisar de materiais finos e conformáveis. Componentes de energia de PCB podem exigir condutividade térmica e isolamento elétrico, enquanto estruturas em nível de sistema podem se beneficiar da dissipação de calor lateral.

Este estudo de caso demonstra como uma combinação de metal líquido TIM, material de mudança de fase, almofadas térmicas e materiais de interface térmica à base de grafeno pode ser usada para construir uma estratégia de gerenciamento térmico multinível para sistemas de computação de IA de alta densidade.

Servidores de IA modernos integram múltiplas GPUs de alto desempenho, CPUs, dispositivos de memória, componentes de energia e outros elementos geradores de calor em um espaço relativamente compacto.

Isso cria vários desafios térmicos.

Processadores de alto desempenho geram calor concentrado em áreas relativamente pequenas. À medida que o consumo de energia da GPU aumenta, a resistência térmica entre o chip e a estrutura de resfriamento se torna cada vez mais importante.

Mesmo quando uma placa fria ou dissipador de calor tem capacidade de resfriamento suficiente, uma interface mal projetada pode limitar a transferência de calor.

Arquiteturas de servidor de IA contêm componentes com diferentes alturas de pacote e geometrias de superfície. Pequenas lacunas entre um componente gerador de calor e sua estrutura de resfriamento podem introduzir bolsões de ar, aumentando a resistência térmica.

O TIM deve, portanto, fornecer conformidade e preenchimento de lacunas suficientes sem introduzir espessura de material desnecessária.

Componentes de energia e montagens de PCB podem exigir gerenciamento térmico, mantendo o isolamento elétrico. Um material com alta condutividade térmica sozinho pode não ser suficiente.

Conformidade mecânica, desempenho de compressão, método de montagem e propriedades dielétricas também podem precisar ser considerados.

Múltiplas GPUs operando simultaneamente podem criar zonas térmicas concentradas. Se o calor não puder ser distribuído efetivamente, pontos quentes localizados podem se desenvolver no dissipador de calor, chassi ou outras estruturas térmicas.

Isso torna a dissipação de calor uma parte importante do projeto térmico geral do servidor de IA.

Em vez de usar um TIM para cada componente, o projeto adotou uma estratégia de material específica para a aplicação.

Cada interface térmica foi avaliada de acordo com sua geração de calor, lacuna da interface, alvo de resistência térmica, requisitos mecânicos e requisitos elétricos.

A arquitetura resultante combinou quatro diferentes tecnologias de TIM:

Essa abordagem permite que cada material desempenhe a função para a qual é mais adequado.

A GPU e a CPU são tipicamente os componentes mais exigentes termicamente em um servidor de IA.

Para essas interfaces, o objetivo principal é minimizar a resistência térmica entre o pacote do semicondutor e a estrutura de resfriamento.

O projeto utilizou o TIM de metal líquido da série TIG78 para interfaces de alta potência.

De acordo com os dados do caso fornecidos, o material oferece:

• Condutividade térmica de até 78 W/m·K

• Impedância térmica reportada tão baixa quanto 0,02 °C·in²/W

• Faixa de temperatura operacional de -45°C a 200°C

A combinação de alta condutividade térmica e baixa impedância térmica reportada ajuda a estabelecer um caminho eficiente de transferência de calor do processador para o dissipador de calor ou estrutura de resfriamento.

O metal líquido TIM pode ser particularmente atraente para aplicações de alta potência onde cada incremento de resistência térmica da interface importa.

No entanto, os engenheiros também devem considerar o isolamento elétrico, a compatibilidade do material, o processo de aplicação, a contenção e a confiabilidade a longo prazo ao projetar uma interface de metal líquido.

Nem toda interface térmica em um servidor de IA requer a resistência térmica extremamente baixa associada ao metal líquido.

Componentes de memória e auxiliares geralmente têm requisitos térmicos diferentes e podem se beneficiar de um material de interface muito fino capaz de se conformar às superfícies de contato.

O material de mudança de fase TIC800 foi selecionado para essas aplicações.

As especificações fornecidas incluem:

• Condutividade térmica: 5,0 W/m·K

• Faixa de espessura: 0,102–0,305 mm

Durante a operação, o comportamento de mudança de fase permite que o material se conforme à interface sob condições apropriadas, ajudando a minimizar lacunas de ar microscópicas.

Para arquiteturas de servidor de IA compactas, uma interface fina de mudança de fase pode fornecer um equilíbrio prático entre desempenho térmico, conformidade da interface e integração em nível de pacote.

Os requisitos de gerenciamento térmico são diferentes em torno de eletrônicos de potência e componentes de PCB.

Essas áreas podem ter superfícies irregulares ou variações na altura dos componentes e também podem exigir isolamento elétrico.

A almofada térmica TIF800TU-16W foi usada para essas aplicações.

Os dados do produto fornecidos relatam:

• Condutividade térmica: 16 W/m·K

• Dureza: 45 Shore 00

• Opções de espessura: 0,5–5,0 mm

• Características de isolamento térmico e elétrico

Em comparação com o metal líquido, uma almofada térmica fornece uma interface de estado sólido mais conveniente para aplicações onde o preenchimento de lacunas, a conformidade mecânica, o isolamento e a eficiência de montagem são importantes.

A capacidade de selecionar diferentes espessuras também permite que o material acomode diferentes lacunas entre o componente e o dissipador de calor.

Gerenciar o calor na interface chip-para-dissipador de calor é apenas parte do desafio térmico.

Em sistemas de IA de alta densidade, o calor localizado também pode se acumular em dissipadores de calor, estruturas de chassi e outras partes do caminho térmico.

Para essas aplicações, materiais de interface térmica à base de grafeno podem fornecer uma função adicional de dissipação de calor.

Os dados do projeto fornecidos relatam uma condutividade térmica no plano de até:

130 W/m·K

O objetivo principal não é simplesmente transferir calor verticalmente através da interface. Em vez disso, a alta condutividade térmica no plano ajuda a distribuir o calor localizado por uma área maior.

Aplicações potenciais incluem:

• Placas base de dissipador de calor

• Dissipação térmica do chassi

• Sistemas multi-GPU

• Gerenciamento de pontos quentes localizados

• Equalização de temperatura

Como os materiais térmicos à base de grafeno podem apresentar comportamento térmico anisotrópico, os engenheiros devem avaliar o desempenho térmico tanto no plano quanto através do plano de acordo com a direção real do fluxo de calor.

Um erro comum no projeto térmico é selecionar um TIM apenas com base em sua condutividade térmica.

Na realidade, o desempenho térmico depende da interface completa.

Por exemplo, um material com condutividade térmica extremamente alta pode não ser a melhor escolha se a aplicação exigir:

• Preenchimento de grandes lacunas

• Isolamento elétrico

• Alta compressibilidade

• Montagem fácil

• Conformidade complexa de superfície

• Dispensação automatizada

• Baixo estresse mecânico

Inversamente, uma almofada térmica com condutividade térmica moderada pode ser mais apropriada para um componente de energia de PCB se o isolamento elétrico e a compensação de lacunas forem críticos.

Portanto, o processo de seleção deve começar com o requisito da interface térmica, em vez de simplesmente perguntar qual TIM tem o maior valor de W/m·K.

Uma estratégia de seleção simplificada para gerenciamento térmico de servidores de IA é:

Considere um TIM de baixa resistência, como metal líquido, quando a aplicação suportar as condições elétricas, mecânicas, de compatibilidade e de confiabilidade necessárias.

Materiais de mudança de fase podem fornecer uma interface fina e conformável para lacunas controladas.

Almofadas térmicas podem fornecer uma combinação de transferência térmica, isolamento elétrico, preenchimento de lacunas e conformidade mecânica.

Materiais de interface térmica à base de grafeno podem ajudar a distribuir o calor lateralmente e reduzir a concentração de temperatura.

Isso cria uma arquitetura térmica na qual cada material tem um papel claramente definido.

De acordo com os materiais do projeto fornecidos, as soluções de gerenciamento térmico foram avaliadas em aplicações de servidores de IA e centros de computação inteligente.

Um projeto de servidor de IA relatado para um provedor de serviços em nuvem alcançou:

Temperatura do chip: 88°C → 65°C

O mesmo material do caso relatou uma melhora de 28% no desempenho de computação.

Em outro projeto de otimização de resfriamento de centro de computação inteligente, os dados fornecidos relataram:

PUE: 1,42 → 1,08

Os materiais do projeto também relataram economia anual de eletricidade de mais de 5 milhões de kWh.

Para um servidor de IA de alto desempenho autodesenvolvido, o material do caso fornecido relatou:

• 10.000 horas de operação contínua

• Flutuação de temperatura de ≤ ±2°C

• Zero falhas relatadas

Esses números devem ser verificados em relação às condições de teste aplicáveis, relatórios de teste, aprovações do cliente e especificações finais do produto antes da publicação externa.

A lição mais importante deste projeto é que o gerenciamento térmico de servidores de IA precisa ser considerado como um caminho térmico completo.

O sistema de resfriamento inclui mais do que a GPU e a placa fria.

Ele também inclui:

Semicondutor → TIM → Dissipador de Calor / Placa Fria → Dissipador de Calor → Chassi → Sistema de Resfriamento

Qualquer resistência térmica significativa dentro deste caminho pode afetar a temperatura final do sistema.

É por isso que diferentes tecnologias de TIM podem trabalhar juntas dentro do mesmo servidor.

O metal líquido pode reduzir a resistência térmica em interfaces de chip de alta potência.

O material de mudança de fase pode fornecer interfaces finas e conformáveis.

Almofadas térmicas podem acomodar lacunas maiores, fornecendo isolamento elétrico.

Materiais à base de grafeno podem dissipar calor lateralmente e melhorar a uniformidade da temperatura.

Juntas, essas tecnologias fornecem uma abordagem mais flexível para o gerenciamento térmico de servidores de IA de alta densidade.

Uma estratégia térmica multimaterial adequadamente projetada pode fornecer vários benefícios:

• Menor Resistência Térmica da Interface

• Melhor Compensação de Lacunas

• Melhor Segurança Elétrica

• Melhor Uniformidade de Temperatura

• Maior Flexibilidade de Design

À medida que os servidores de IA continuam a evoluir para maior densidade de potência de GPU, arquiteturas compactas e sistemas de resfriamento avançados, os materiais de interface térmica desempenharão um papel cada vez mais importante na manutenção do desempenho de computação e da confiabilidade do sistema.

A chave não é simplesmente escolher o TIM com a maior condutividade térmica.

Uma solução de gerenciamento térmico bem-sucedida deve considerar a combinação completa de:

Condutividade Térmica + Resistência Térmica + Lacuna + Compressão + Isolamento Elétrico + Processo de Montagem + Confiabilidade

Neste projeto do cliente, uma combinação de metal líquido TIM, material de mudança de fase, almofadas térmicas de alta condutividade térmica e materiais de interface térmica à base de grafeno foi usada para abordar diferentes interfaces térmicas em um servidor de IA de alta densidade.

Essa abordagem específica para a aplicação fornece um caminho flexível para gerenciar tanto pontos quentes em nível de chip quanto distribuição de calor em nível de sistema, apoiando o desenvolvimento contínuo de infraestrutura de computação de IA de alto desempenho.

Não existe um TIM universalmente melhor. Para interfaces de GPU para resfriamento de alta potência, materiais de baixa resistência térmica, como metal líquido, podem ser considerados quando a aplicação atende às condições elétricas, mecânicas, de compatibilidade e de confiabilidade exigidas.

Almofadas térmicas continuam úteis para interfaces que exigem preenchimento de lacunas, isolamento elétrico, conformidade mecânica e montagem conveniente. Elas são particularmente adequadas para aplicações de PCB e componentes de energia.

Materiais de mudança de fase podem fornecer uma interface fina, melhorando a conformidade com as superfícies de contato sob condições operacionais apropriadas. Eles podem ser úteis para memória e outras interfaces de componentes compactos.

Materiais de interface térmica à base de grafeno podem ser usados para dissipação de calor lateral e equalização de temperatura. Sua alta condutividade térmica no plano os torna particularmente interessantes para gerenciamento de pontos quentes e distribuição térmica em nível de sistema.

A espessura do TIM deve ser baseada na lacuna real da interface, tolerância do componente, compressão necessária e faixa de aplicação recomendada pelo fabricante. Pouco material pode deixar lacunas de ar, enquanto espessura excessiva pode aumentar a resistência térmica.

Sim. Diferentes componentes têm diferentes requisitos térmicos e mecânicos. Uma estratégia multi-TIM pode combinar metal líquido, materiais de mudança de fase, almofadas térmicas, géis térmicos e materiais à base de grafeno em diferentes partes da mesma arquitetura térmica.

A ZIITEK fornece múltiplas tecnologias de interface térmica e pode avaliar a seleção de TIM com base na condutividade térmica, resistência térmica, lacuna, dureza, isolamento elétrico, processo de montagem, temperatura operacional e requisitos de confiabilidade.