مع تجاوز كثافة طاقة الحامل الواحد 30 كيلووات وتدفق حرارة الرقاقة الذي يصل إلى أكثر من 1500 وات/سم² في مراكز بيانات الذكاء الاصطناعي، لم يعد تبريد الهواء التقليدي (الحد الأقصى لتدفق الحرارة ~ 100 وات/سم²) قادرًا على تلبية متطلبات تبديد الحرارة.
تقوم اللوحات الباردة Microchannel بتوسيع مساحة التبادل الحراري بمقدار 10 مرات وتوفر كفاءة تبريد أعلى 3 مرات من اللوحات الباردة السائلة التقليدية، مما يقلل من ارتفاع درجة حرارة وحدة معالجة الرسومات بنسبة 65%. يمكن لهذه التقنية خفض مستوى PUE لمركز البيانات إلى أقل من 1.1 مع مقاومة حرارية منخفضة للغاية تصل إلى 0.009 درجة مئوية/واط، مما يدعم بشكل ثابت وحدات معالجة الرسومات عالية الطاقة بقدرة 1400 واط. لقد أصبح حل تبريد أساسي لأجهزة الحوسبة عالية الكثافة.
تقوم هذه المقالة بتصنيف ومقارنة اللوحات الباردة السائدة ذات القنوات الصغيرة المنتشرة في مراكز البيانات بشكل منهجي من أربعة أبعاد: هيكل القناة وشكل المقطع العرضي ومستوى التكامل وعملية التصنيع. كما نقدم أيضًا دليل اختيار سريع للتنفيذ الهندسي.
| يكتب | المظهر والميزات البصرية | الهيكل الأساسي | عملية التصنيع | سيناريوهات التطبيق النموذجية |
|---|---|---|---|---|
| قناة متناهية الصغر متوازية مستقيمة | لمسة نهائية معدنية من النحاس/الألومنيوم، وأخاديد موحدة مستقيمة متباعدة بالتساوي | قنوات مستطيلة أحادية/متعددة الصفوف | الطحن الدقيق، التزلج، البثق | وحدات المعالجة المركزية القياسية، ووحدات معالجة الرسومات ذات الطاقة المتوسطة والمنخفضة، والخوادم العامة المبردة بالسوائل، وألواح الرفوف الباردة |
| قناة اعوج / على شكل S Microchannel | لمسة نهائية من المعدن الصلب، قنوات منحنية بشكل مستمر على شكل S/حلقة | تصميم منحني ترددي أحادي/متعدد القنوات لتوسيع مسار تدفق السوائل | الطحن، اللحام، ختم الورقة | وحدات معالجة الرسومات عالية الطاقة، وبطاقات الاستدلال AI، ورفوف الحوسبة العالية ذات العقدة الواحدة |
| شجرة / قناة صغيرة كسورية | نسيج فرعي هرمي واضح، تحويل Y/H متعدد المراحل يحاكي الأوعية الدموية | تشعب متعدد المستويات Y/H لتوزيع التدفق على كامل المنطقة | الطحن الدقيق، الطباعة المعدنية ثلاثية الأبعاد، ربط الانتشار | أجهزة الكمبيوتر العملاقة، والرقائق المكدسة 2.5D/3D، ومجموعات تدريب الذكاء الاصطناعي المتطورة |
| صفيف الزعانف الدقيقة | نتوءات أسطوانية/بيضاوية/ماسية كثيفة عبر السطح مع نسيج مقعر-محدب قوي | الركيزة الأساسية مغطاة بزعانف دبوسية كثيفة، ويتدفق السائل حول الأعمدة | الطحن، الطباعة الحجرية الضوئية، الطباعة ثلاثية الأبعاد، التشكيل الكهربائي | رقائق تدفق حراري فائقة (> 400 وات/سم²)، ذاكرة HBM، مسرعات حوسبة عالية الأداء |
| متموجة / مموجة Microchannel | الجدران الجانبية للقناة المموجة/المتعرجة المستمرة بدلاً من الجدران المستقيمة المسطحة | تم تعديل القنوات المستقيمة بجدران داخلية مموجة/مسننة لتعزيز الاضطراب | تشكيل الطحن، البثق، صب | رقائق ذات طاقة متوسطة وعالية، وألواح باردة مدمجة، وأجهزة حوسبة متطورة |
| T-نوع/عبر سبليت Microchannel | نسيج شبكي متشابك مع تقسيم ودمج التدفق المتكرر | التشعب الدوري وتقارب القنوات الرئيسية لاضطراب السوائل بشكل متكرر | طحن، لحام لوحة متعددة الطبقات | وحدات معبأة عالية الكثافة، وألواح باردة متكاملة متعددة الرقائق |
| نوع المقطع العرضي | المظهر البصري | الخصائص الهيكلية | الأداء وقابلية التطبيق |
|---|---|---|---|
| مستطيلة | شقوق مربعة ذات حواف حادة، تصميم صناعي سائد | نسبة عرض إلى ارتفاع قابلة للتعديل، أقصى قدر من التوافق في التصنيع | أداء إجمالي متوازن، عالمي لجميع ألواح التبريد التجارية تقريبًا |
| شبه منحرف | قمة واسعة وقاع ضيق وجدران جانبية مائلة | التصاق أفضل للسوائل، وانخفاض ضغط أقل قليلاً من القنوات المستطيلة ذات الحجم المتساوي | لوحات تبريد الخادم القياسية تعطي الأولوية لمقاومة التدفق المنخفض |
| دائرية / بيضاوية | جدران داخلية مستديرة ناعمة بدون زوايا حادة | الحد الأدنى من مقاومة التدفق، لا توجد مناطق دوامة ميتة | معدل تدفق كبير، انخفاض ضغط منخفض، لوحات باردة متكاملة مع خطوط الأنابيب |
| سداسية | تخطيط منتظم كثيف على شكل قرص العسل | أقصى استفادة من المساحة، وصلابة هيكلية قوية | وحدات مدمجة، قنوات صغيرة مدمجة |
| الملف الشخصي المقوى الخاص | الجدران الداخلية ذات نقاط محدبة أو أخاديد أو أقواس انسيابية | تعزيز الاضطراب النشط لتحسين نقل الحرارة | لوحات تبريد مخصصة مخصصة للأجهزة عالية الطاقة |
| طبقة التكامل | عامل الشكل | طريقة الإنتاج | درجة المقاومة الحرارية | المزايا الأساسية | تحديد موضع التطبيق |
|---|---|---|---|---|---|
| لوحة باردة خارجية مستقلة ذات قناة صغيرة | لوحة معدنية منفصلة مع منافذ مدخل/مخرج، وأجهزة قياسية قابلة للفصل | النحاس/الألومنيوم التصنيع باستخدام الحاسب الآلي، مختلط | واسطة | تصميم وحدات، سهولة الصيانة والاستبدال، تكنولوجيا ناضجة منخفضة التكلفة | التعديلات التحديثية الحالية لمراكز البيانات والخوادم العامة المبردة بالسوائل |
| غطاء القناة الدقيقة (MLCP / مستوى الحزمة) | قنوات تدفق مدمجة مدمجة في شريحة IHS، نفس الشكل الخارجي للغطاء الحراري القياسي الأصلي | تصنيع مركب دقيق، ربط الانتشار | قليل | يزيل طبقة واحدة من مادة الواجهة الحرارية، ويقصر مسار نقل الحرارة | الجيل الجديد من عبوات التبريد السائلة في مصنع GPU/CPU، وبطاقات الحوسبة المتطورة |
| رقاقة جزءا لا يتجزأ من Microchannel | أخاديد دقيقة محفورة داخل رقاقة/ركيزة السيليكون، وقنوات صغيرة غير مرئية، ومظهر عام كورقة عارية | الطباعة الحجرية الضوئية لأشباه الموصلات، النقش العميق للسيليكون | منخفض للغاية | أقصر مسار لنقل الحرارة، اتصال مباشر مع مصدر الحرارة، أداء تبريد مثالي | 3D IC المتطورة، ورقائق الكمبيوتر العملاق، ورقائق الحوسبة من الجيل التالي (تجربة معملية ودفعة صغيرة) |
| تكنولوجيا التصنيع | المواد ولون السطح | نسيج السطح | هياكل القنوات المتوافقة | التكلفة والقدرة على الإنتاج الضخم |
|---|---|---|---|---|
| الطحن الدقيق / التزلج | النحاس النقي (لون النحاس الأحمر)، الألومنيوم (معدني فضي) | سطح أملس، وجدران قنوات مستقيمة، وتشطيب صناعي قياسي | قنوات مستقيمة، أفعواني، مقاطع عرضية شبه منحرفة/مستطيلة | تكلفة منخفضة، إنتاجية كبيرة، عملية صناعية مستخدمة على نطاق واسع |
| مختلط / نشر الترابط | نحاس/ألومنيوم مكدس متعدد الطبقات، لون نحاسي فضي/رمادي فضي، وصلات سلسة | سطح لوحة مسطحة مع طبقات الربط غير مرئية | قنوات مركبة متعددة الطبقات، وألواح باردة كبيرة الحجم | تكلفة متوسطة، مثالية للوحدات المتكاملة ذات المساحة الكبيرة |
| الطباعة المعدنية ثلاثية الأبعاد | النحاس/الفولاذ المقاوم للصدأ، لمسة نهائية معدنية غير لامعة، نسيج طباعة ذو طبقات رقيقة | خطوط طبقة طباعة مرئية، مكونة من قطعة واحدة للأشكال الهندسية المعقدة | القنوات الكسورية، والمصفوفات ذات الزعانف الدبوسية، ومسارات التدفق الملتوية غير المنتظمة | التكلفة العالية، تقتصر على المنتجات المخصصة بكميات صغيرة |
| الطباعة الضوئية السيليكونية / النقش | ركيزة من السيليكون، لمسة نهائية مرآة فضية | أخاديد دقيقة فائقة النعومة على مستوى الميكرون | القنوات الصغيرة المدمجة بالرقاقة | عملية تصنيع رقائق أشباه الموصلات، مخصصة فقط للتطبيقات التطلعية المتطورة |
- غرفة الكمبيوتر القياسية، أولوية التكلفة: قنوات مستقيمة متوازية + مقطع عرضي مستطيل + عملية طحن دقيقة
- خوادم الذكاء الاصطناعي عالية الطاقة، أولوية توحيد درجة الحرارة: القنوات الدقيقة السربنتينية/المموجة
- سيناريوهات الحوسبة الفائقة ذات التدفق الحراري العالي: مجموعة ذات زعانف دبوسية / قنوات صغيرة كسورية للشجرة
- مشروع جديد لتخطيط تعبئة الرقائق من الجيل التالي: غطاء القنوات الدقيقة المدمج MLCP
-
قناة متناهية الصغر متوازية ومستقيمة (الأكثر شيوعًا)
المظهر: سطح معدني من النحاس/الألومنيوم، وأخاديد موحدة مستقيمة ومتباعدة بالتساوي
المزايا: تصنيع بسيط، انخفاض الضغط المنخفض، توزيع موحد للسوائل
التطبيق: وحدات المعالجة المركزية القياسية، ووحدات معالجة الرسومات العادية، وخوادم التبريد السائل العامة
-
قناة اعوج / على شكل S Microchannel
المظهر: أخاديد متصلة على شكل S/loop منحنية باستمرار
المزايا: مساحة تبادل حراري أكبر، درجة حرارة موحدة للرقاقة؛ الجانب السلبي: انخفاض الضغط العالي
التطبيق: وحدات معالجة الرسومات عالية الطاقة، وبطاقات تسريع الاستدلال بالذكاء الاصطناعي
-
شجرة / قناة كسورية صغيرة (تصميم الأوعية الدموية الإلكترونية)
المظهر: نسيج هرمي متفرع متعدد المراحل Y/H
المزايا: توزيع تدفق متساوي للغاية، عدد قليل من النقاط الساخنة، اختلاف بسيط في درجة الحرارة؛ الجانب السلبي: التصنيع المعقد
التطبيق: أجهزة الكمبيوتر العملاقة، والرقائق المتكاملة المكدسة 2.5D/3D
-
مصفوفة الزعانف الدقيقة (البنية المسامية)
المظهر: أعمدة محدبة أسطوانية / ماسية كثيفة ذات سطح مقعر محدب قوي
المزايا: أقصى مساحة سطحية محددة وأقوى تبادل حراري؛ الجانب السلبي: عرضة للانسداد، وانخفاض الضغط العالي
التطبيق: رقائق تدفق الحرارة العالية جدًا (> 400 وات/سم²)، ذاكرة HBM، مسرعات الذكاء الاصطناعي عالية الأداء
-
متموجة / مموجة Microchannel
المظهر: جدران جانبية للقناة مموجة/متعرجة غير منتظمة
المزايا: اضطراب معزز للسوائل، نقل الحرارة معزز بنسبة 20 إلى 40%؛ الجانب السلبي: انخفاض الضغط المرتفع
التطبيق: رقائق ذات طاقة متوسطة عالية، وألواح باردة مدمجة صغيرة الحجم
-
T-نوع/عبر سبليت Microchannel
المظهر: تخطيط شبكي متدرج مع تقسيم ودمج التدفق المتكرر
المزايا: يكسر طبقة الحدود الحرارية بشكل متكرر للحصول على مقاومة حرارية منخفضة؛ الجانب السلبي: مقاومة التدفق المحلي غير المتكافئة
التطبيق: تعبئة عالية الكثافة، ألواح باردة متكاملة متعددة الرقائق
- مستطيلة: شقوق مربعة حادة، تصميم عالمي سائد
- شبه منحرف: جدران جانبية عريضة وسفلية ضيقة ومائلة، ولوحة باردة قياسية منخفضة الضغط
- دائري / بيضاوي: جدار داخلي مستدير أملس، مقاومة منخفضة لأنظمة معدل التدفق الكبير
- السداسي: ترتيب كثيف على شكل قرص العسل، ووحدات مدمجة مدمجة
- ملف معزز خاص: أخاديد محدبة داخلية وأسطح منحنية انسيابية، تبريد مخصص عالي الطاقة
-
لوحة باردة خارجية مستقلة ذات قناة صغيرة
الشكل: لوحة معدنية مستقلة مع منافذ مدخل/مخرج، وأجهزة معيارية قابلة للفصل
المزايا: سهولة الصيانة، تكنولوجيا ناضجة ومنخفضة التكلفة
التطبيق: التعديلات التحديثية لمراكز البيانات القديمة، وخوادم التبريد السائلة العامة
-
غطاء القناة الصغيرة على مستوى الحزمة MLCP
الشكل: قنوات تدفق مدمجة داخل جهاز رش الحرارة، مخطط مطابق لمعايير IHS
المزايا: إزالة طبقة واجهة حرارية واحدة، ومقاومة حرارية أقل، وتغليف المصنع المتكامل
التطبيق: الجيل الجديد من وحدات معالجة الرسومات/وحدات المعالجة المركزية عالية الطاقة (مثل سلسلة NVIDIA Rubin)
-
رقاقة جزءا لا يتجزأ من Microchannel
الشكل: أخاديد محفورة بمقياس ميكرون داخل رقاقة/ركيزة السيليكون، غير مرئية للعين المجردة
المزايا: أقصر مسار لنقل الحرارة، اتصال مباشر مع مصدر الحرارة؛ الجانب السلبي: تصنيع معقد للغاية
التطبيق: 3D IC المتطورة، ورقائق الكمبيوتر العملاق، وأجهزة الحوسبة المستقبلية عالية الكثافة
- الطحن الدقيق / التزحلق على الجليد: النحاس النقي (لون أحمر) / الألومنيوم (فضي)، جدران قنوات مستقيمة ناعمة
- رابطة اللحام والانتشار: مركب متعدد الطبقات من النحاس/الألومنيوم، سطح مسطح سلس
- طباعة معدنية ثلاثية الأبعاد: لمسة نهائية غير لامعة من النحاس/الفولاذ المقاوم للصدأ، نسيج طباعة ذو طبقات مرئية، تشكيل قناة معقدة من قطعة واحدة
- النقش الضوئي للسيليكون: سطح سيليكون مرآة فضي، أخاديد داخلية دقيقة للغاية ميكرون
