재료, 냉각수, 열 저항 및 흐름 분포와 같은 매개변수를 결정한 후 설계 AI 액체 냉각판 아직 완성되지 않았습니다. 실제 시스템에서 냉각판의 안정적이고 효율적이며 장기적인 작동을 보장하기 위해서는 다음 세 가지 핵심 기술 문제를 해결하는 데 집중해야 합니다.
1) 유동 저항 최적화: 냉각수가 방열 요구 사항을 충족할 만큼 충분한 유량으로 냉각판을 통과할 수 있는지 확인하고 시스템 흐름이 부족하지 않도록 합니다.
2) 압력 저항 설계: 작동 압력 하에서 냉각판이 변형되어 밀봉 실패(누설) 및 가열 칩과의 접착력 저하(열 저항 증가)와 같은 심각한 문제가 발생하는 것을 방지합니다.
3) 장기적 운영 안정성: 냉각판의 성능이 수명 동안 안정적이고 저하되지 않도록 보장하며, 핵심은 핀 막힘, 부식 및 스케일링을 방지하는 것입니다.
이 글에서는 이 세 가지 측면에 초점을 맞춰 설계 최적화 아이디어와 실용적인 제안을 제공합니다.
냉판 유동 저항 최적화
목표: 흐름 저항을 줄이고 시스템 흐름이 냉각 요구 사항을 충족하는지 확인합니다.
과제: GPU/ASIC 칩의 전력이 1000W를 초과하고 전력 밀도가 증가함에 따라(~150W/cm²), 더 얇은 핀(간격 ≤ 0.15mm)을 사용해야 하며, 이로 인해 냉각판 흐름 저항이 크게 증가합니다.
1.1 기존 솔루션 및 제한 사항:
전통적인 디자인: 지느러미의 한쪽 면은 액체를 받고 다른 쪽 면은 액체를 받습니다.
적용 조건: 핀 간격이 ≥ 0.2mm일 때 유동 저항은 비교적 낮으며(일반적으로 <10kPa) 허용 가능합니다.
문제점: 핀 간격이 ≤ 0.15mm일 때 이 방식의 흐름 저항이 너무 높습니다.
1.2 최적화 계획: 상단 입구, 두 측면 출구 원리: 냉각판 핀 사이의 흐름은 일반적으로 층류이며 흐름 저항 △ P는 흐름 속도 V와 핀 길이 L에 대략 비례합니다. △ P ∝ K * V * L
계획의 세부 사항:
입구를 지느러미 부분 바로 위로 옮기세요.
핀 부분의 양쪽에 액체 배출구를 설치합니다.
최적화 효과:
흐름 경로 L의 길이는 절반으로 줄어듭니다(단일 끝에서 중앙 흐름 방향으로 변경하는 것과 동일).
동일한 총 유량에서 핀을 통과하는 유량 속도 V는 절반으로 줄어듭니다.
따라서 핀 영역의 유동 저항 △P는 단면 입출구 방식의 약 1/4 수준으로 감소한다.
장점: 높은 전력 밀도와 작은 핀 갭 냉각판의 흐름 저항을 크게 줄여 시스템 흐름을 보장합니다.
따라서 켄파 테크 엔지니어 들이 설계한 1입력 2출력 유로는 AI 액체 냉각판의 과도한 유동 저항 문제를 해결할 수 있습니다.
냉각판 압력 저항 개선
냉각판 기판이 매우 얇을 때(1-2mm) 압력 하에서 냉각판이 변형되는 것을 방지하여 칩과의 양호한 접촉과 안정적인 밀봉을 보장합니다.
기존의 구조적 문제: 일반적인 구리 삽 모양 냉각판: 핀의 상단이 커버 플레이트에 용접되지 않았습니다.
기계적 모델: 길이(a) x 너비(b)의 치수를 갖는 평판과 동일하며, 모서리는 제한되어 있고 균일하게 분포된 압력(P)을 받습니다.
압력 저항 이론(고전 쉘 이론):
최대 허용 압력 공식: P=β * σ * (t/b) ²
P: 압력(MPa)
σ: 재료의 허용응력(MPa)
t: 커버 플레이트 두께(mm)
b: 철근 방향에 수직인 판 폭(mm) – 중요 치수
β: 형상 인자(종횡비 a:b에 따라 다름)
필요한 피복 두께에 대한 공식: t=b * √ (β * P/σ)
형상 인자 β(종횡비 a:b의 영향):
1:1,β=0.307
2:1,β=0.497
3:1,β=0.616
4:1,β=0.697
6:1,β=0.750
따라서 냉각판 핀 영역의 크기(axb)를 결정할 때 폭 b를 줄이면 최대 압력 저항 P를 크게 향상시킬 수 있습니다. 중간 보강 리브 추가: 핀 영역 중간에 지지 구조물을 추가합니다. 냉각판 기판, 보강 리브, 커버 플레이트를 전체적으로 견고한 구조로 용접합니다. (핀과 커버 플레이트 사이에 0.05~0.1mm의 간격을 둡니다.) 효과: 압력 저항을 계산할 때 임계 치수 b(보강 리브 사이의 간격이 됨)를 효과적으로 줄여 압력 저항 성능을 크게 향상시킵니다. 동시에, 상단 핀 용접: 핀 상단을 커버 플레이트 전체에 용접합니다. 효과: 고밀도 마이크로 채널 핀을 지지점으로 사용하면 구조적 강성과 변형 저항성이 크게 향상됩니다. 장인 정신이 뛰어나면 보강 리브의 사용을 대체하거나 줄일 수 있습니다. 압력 저항 성능이 크게 향상됩니다.
냉각판 작동의 장기적 신뢰성
성능 저하(열 저항 증가, 유량 감소, 누설)를 방지하고 장기적으로 안정적인 작동을 보장합니다. 금속 파편, 조립품 이물질, 부식 생성물, 그리고 작은 핀 틈에 쌓인 스케일/바이오필름은 흐름과 열 전달을 방해합니다. 구리는 순수에서 느리고 균일하게 얇아집니다. 국부 부식: 침식 부식(유속 1.5m/s 이상에서 상당히 가속화됨), 미생물 부식 등 더욱 해로운 부식입니다.
산성 부식. 그 결과 핀 두께 감소, 강도 저하, 씰 파손(누설) 및 성능 저하가 발생합니다. 동시에, 탄산칼슘(CaCO3), 탄산마그네슘(MgCO3)과 같은 무기 스케일과 바이오파울링이 핀 표면에 침착되어 스케일링이 발생하기 쉽습니다. 열전달 저항이 크게 증가하고 방열 성능이 저하됩니다.
Kenfa Tech에서는 일반적으로 금속 파편 및 용접 슬래그와 같은 큰 입자를 걸러내기 위해 ≤ 50 μm(300 메시)의 과정밀도로 시스템 구성을 보장하는 설계 솔루션과 권장 사항을 고객에게 제공합니다.
모든 부품은 공장 출고 전 세척을 거쳐 큰 입자 잔류물이 없는지 확인하고, 모든 파이프라인 인터페이스에는 밀봉을 위한 엔드캡이 장착되어 있습니다. 동시에 수질을 관리하고 pH<9 값을 철저히 관리 및 모니터링해야 합니다. 부식 방지제<10ppm, 살균제<12ppm, 황화물<15ppm, 황산염<100ppm, 염화물<50ppm, 전도도<0.2-20µs/cm를 냉각수 비율에 따라 첨가합니다.
결론 :
AI 액체 냉각판의 신뢰성 설계는 고성능 방열 시스템의 성공을 위한 핵심 요소이며, 단순히 성능 계산을 확장한 것이 아닙니다. 이 글에서는 세 가지 핵심 측면을 살펴봅니다.
1) 유동 저항 최적화: 고출력 밀도 조건에서 핀 간격이 좁아져 유동 저항이 증가하는 문제에 대응하여, "상부 유입구 및 양측 유출구" 최적화 방안을 제안하고 시연했습니다. 이 방안은 유효 유로 길이와 유속을 절반으로 줄임으로써 마이크로채널 영역의 압력 강하를 기존 단면 유입구 및 유출구 방안의 약 1/4 수준으로 크게 줄일 수 있습니다.
2) 압력 저항력 향상: 고전적 쉘 이론을 바탕으로, 덮개 두께(t), 임계 폭(b), 재료 허용 응력(σ), 그리고 종횡비(β)가 냉각판의 최대 압력 저항(P)에 미치는 결정적인 영향을 규명했습니다. 두 가지 효과적인 엔지니어링 솔루션이 제안되었는데, 중간 보강 리브를 추가하는 것과 톱니형 상단 용접 기술을 사용하는 것입니다. 전자는 임계 치수(b)를 줄여 압력 저항을 향상시키고, 후자는 핀 자체와 덮개판을 활용하여 통합 지지 구조를 형성하는데, 이는 강성과 압력 저항을 향상시키는 데 바람직한 솔루션입니다.
3) 장기 운영 안정성: 장기적인 신뢰성을 위협하는 세 가지 주요 위험 요소, 즉 막힘, 부식, 스케일링을 체계적으로 파악했습니다. 이러한 위험을 관리하기 위해서는 냉각판 내부의 순환 냉각수(TCS)에 대해 1차 냉각수(FWS)보다 훨씬 높은 기준을 적용하여 엄격한 수질 관리를 시행해야 합니다. ASHRAE 지침에 따르면 주요 수질 매개변수(pH, 부식 방지제, 살균제, 이온 농도, 부유 물질, 미생물 등)에 대한 기술적 요건이 자세히 명시되어 있습니다.
이 3차원에서의 신중한 설계와 엄격한 제어를 통해서만 냉각판은 고부하와 장기 작동 시 우수한 방열 성능, 구조적 무결성, 시스템 안정성을 유지하여 고전력 전자 장치에 대한 안정적인 냉각을 보장할 수 있습니다.