Kühlungslösungen für überlastete Rechenzentren

KI ist in aller Munde. Aber sie ist nicht nur das heißeste Thema am Esstisch – sie heizt auch Rechenzentren ordentlich ein. Glücklicherweise Coherent eine Reiheinnovativer Lösungen fürdas Wärmemanagement Coherent , damit Rechenzentren mit hoher Auslastung effizient laufen.

Auch andere Anwendungen wie Cloud Computing, hohe grafische Anforderungen bei Spielen, das Schürfen von Kryptowährungen oder Edge-Computing führen zu einem raschen (und drastischen) Anstieg der Arbeitslasten und der Temperaturen in Rechenzentren. Da Halbleiter immer kleiner werden und eine immer höhere Transistordichte aufweisen, entsteht auf so kompaktem Raum zudem sehr schnell Wärme. 

Überall sind Server mit einer Rechenlast konfrontiert, wie sie sie noch nie zuvor erlebt haben, während dieser beispiellose Energiebedarf das Risiko einer Überhitzung in Rechenzentren rapide erhöht. Tatsächlich hat sich die thermische Verlustleistung (TDP) pro Server in den letzten 17 Jahren vervierfacht und wird voraussichtlich in diesem Jahr 750 W überschreiten. Diese kostspielige, kumulative Arbeitslast senkt nicht nur die Energieeffizienz globaler Rechenzentren, sondern wirkt sich auch negativ auf Leistung und Zuverlässigkeit aus. Bedenken hinsichtlich thermischer Schäden durch übermäßige Hitze können zu einer verkürzten Lebensdauer oder Fehlfunktionen kritischer Serverkomponenten führen, ganz zu schweigen von Sicherheitsbedenken im Rechenzentrum und ganz sicher von den Kosten, die mit dem reibungslosen Betrieb eines Rechenzentrums verbunden sind.

Moderne Rechenzentren stellen höhere Anforderungen

GPU-Computing bildet das Herzstück des Trainings groß angelegter KI-Modelle, was zum Teil auf die im Vergleich zur CPU-Verarbeitung potenziell tausenden zusätzlichen Rechenkerne zurückzuführen ist. Da heutige Rechenzentren mehr Strom benötigen als die herkömmliche CPU-Verarbeitung in der Vergangenheit, stellen viele lokale Rechenzentren zur Unterstützung dieser Beschleunigung auf Rack-Lösungen mit hoher Dichte um, die mehr Strom verbrauchen und Wärme in einem Umfang abgeben, für den sie oft nicht ausgerüstet sind.

Um eine effiziente „AI-Kühlung“ zu erreichen oder andere Probleme im Zusammenhang mit der Energieeffizienz in Rechenzentren zu lösen, ist ein strategisches Wärmemanagement erforderlich. Der Prozess der Wärmeabfuhr – also die Ableitung überschüssiger Wärme – war noch nie so entscheidend für die Leistung und die Lebensdauer der Komponenten wie heute.

Vermeidung von thermischen Schäden in überhitzten Rechenzentren

Um thermische Schäden zu minimieren und kostspielige Ausfallzeiten zu vermeiden, sind Planung und Management der Wärmeverteilung wichtiger denn je. In der Regel gibt es zwei Hauptmethoden, um die Temperatur zu senken oder überschüssige Wärme in stark ausgelasteten Rechenzentrumsumgebungen abzuleiten. 

1. Tauchkühlung (oder Luftkühlung): teuer, komplex und umweltschädlich 

Bei dieser Makrokühlungsmethode (ohne direkte Kühlung des Chips) müssen Platten und Server-Rack-Komponenten entweder durch Luft mit starker Konvektion (obere Ebene) oder durch vollständiges Eintauchen in Flüssigkeit (untere Ebene) gekühlt werden. Dies führt zu einer kostspieligen Lösung.

2. Kühlung über Kühlplatte (Direct-to-Chip): Maximiertdie Wärmeübertragungseffizienz, korrosionsbeständig.

Coherent eine Mikro-Kühlungslösung Wärmeleitfähigkeit hoher Wärmeleitfähigkeit , bei der mithilfe einer physikalischen Kühlplattentechnologie Wärme direkt von Hochleistungs-Chips wie beispielsweise GPUs abgeführt wird.

Die Vorteile von Kühlplattenmaterialien 

Funktional gesehen funktioniert die Kühlung mittels Kühlplatte – auch als „Direct-to-Chip“-Kühlung oder einfach als „Mikrokühlung“ bekannt – genau so, wie es der Name vermuten lässt: Dabei wird mithilfe einer Kühlplatte Wärme direkt von leistungsstarken Chips wie GPUs abgeführt.

Ähnlich wie bei einem Haushaltskühlschrank, der Wärme mithilfe eines Kondensators abführt, leitet die Kühlplatte die Wärme von den GPUs ab, indem sie die Wärme von der Komponente auf das Kühlmittel überträgt. Die Kühlplatte selbst sorgt für eine maximale Wärmeübertragungseffizienz. 

Ein Techniker nutzt Infrarotkameras, um die Wärmeentwicklung in einem Serverstapel sichtbar zu machen.

Aber was macht die Kühlung mit Kühlplatten so erfolgreich? Nun, es läuft letztlich auf Wärmeleitfähigkeit höhere Wärmeleitfähigkeit hinaus. Um das zu veranschaulichen: Ein Leiter wie Kupfer hat eine Wärmeleitfähigkeit etwa 400 Watt pro Meter Kelvin, während ein Material wie polykristalliner CVD-Diamant deutlich besser abschneidet – fast das Vierfache dieses Wertes. 

Ein branchenübergreifendes Sicherheitsnetz für die Thermik

Wir bei Coherent setzen uns mit Leidenschaft dafür ein, die Kühlungsprobleme von Rechenzentren zu lösen, insbesondere bei solchen, die aufgrund der zunehmenden Verbreitung von KI besonders stark erhitzt sind. Darüber hinaus beschäftigen wir uns mit der Lösung von Wärmemanagement-Herausforderungen in einer Vielzahl weiterer Anwendungsbereiche – von Halbleitern über Elektrofahrzeuge bis hin zur Neurowissenschaft.

Auf Hardware-Ebene nutzt das Wärmemanagement Werkzeuge und Technologien, um ein System effizient zu stabilisieren und innerhalb seines Betriebstemperaturbereichs zu halten. Die Materialien und Systeme Coherentfür das Wärmemanagement kommen nicht nur in der Mikroelektronik, wie beispielsweise Halbleiter , zum Einsatz, sondern auch in einer Vielzahl von Märkten und Anwendungsbereichen wie der Materialverarbeitung, der Automobilindustrie, der Luft- und Raumfahrt sowie der Verteidigungsindustrie, der Daten- und Telekommunikation sowie den Biowissenschaften.

An Anwendungsmöglichkeiten für hochspezialisierte technische Werkstoffe und Geräte mangelt es in zahlreichen Endmärkten nicht:

Coherent ein weltweit führender Anbieter innovativer technischer Werkstoffe und Subsysteme für das Wärmemanagement und liefert strategische, maßgeschneiderte Materiallösungen. 

Unser breites Spektrum an weltweit führenden, innovativen Anwendungen im Bereich des Wärmemanagements umfasst:

• Reaktionsgebundene Si/SiC-Werkstoffe

• Al/SiC-Metallmatrix-Verbundwerkstoffe

• CVD-Diamant

• Einkristall-SiC

• Thermoelektrische Kühler

Reaktionsgebundenes Si/SiC

Coherent eine Vielzahl reaktionsgebundener Si/SiC-Formulierungen Coherent , die ein breites Spektrum an Konstruktionsanforderungen und Produktanwendungen abdecken, darunter auch Anwendungen im Bereich des Wärmemanagements. Einige der reaktionsgebundenen Formulierungen, die wir für den Wärmemanagement-Markt anbieten, Wärmeleitfähigkeit hohe Wärmeleitfähigkeit an AlN oder Si₃N₄ angepassten Wärmeausdehnungskoeffizienten (CTE) Wärmeleitfähigkeit . Durch die Beimischung von Diamant in die Si/SiC-Materialien Coherent Wärmeleitfähigkeit extrem hohe Wärmeleitfähigkeit wärmekritische Anwendungen bieten.  

Darüber hinaus können reaktionsgebundeneSi/SiC-Produkte mittels Fertigungsverfahren hergestellt werden, die eine nahezu endkonturgenaue Formgebung ermöglichen. Durch Endformguss, Rohbearbeitung und/oder das Fügen von Vorformlingen lassen sich auch sehr komplexe Geometrien realisieren. Diese Formgebungsmöglichkeiten ermöglichen eine breite Palette an Produktmerkmalen, darunter Rippenelemente und interne Mikro-Kühlkanäle. Dadurch können wir auch anspruchsvolle Anwendungsanforderungen erfüllen.  

Metallmatrix-Verbundwerkstoffe

Mit Siliziumkarbidpartikeln verstärkte Aluminium-MMCs (Al/SiC) bieten deutliche Vorteile für Anwendungen im Bereich des Wärmemanagements. Da Al und SiC eine geringe Dichte und Wärmeleitfähigkeit hohe Wärmeleitfähigkeit aufweisen, bleiben diese wichtigen Materialeigenschaften bei der Kombination beider Werkstoffe erhalten. Gleichzeitig lässt sich der Wärmeausdehnungskoeffizient (CTE) anhand des Verhältnisses von SiC (CTE von 3 ppm/K) zu Al (CTE von 23 ppm/K) im Verbundwerkstoff individuell anpassen.  

MMC-Produkte können im Near-Net-Shape- oder Near-Net-Shape-Verfahren hergestellt werden. Das Material ist vollständig bearbeitbar, einschließlich des direkten Gewindeschneidens. Diese Werkstoffe sind zudem mit gängigen Beschichtungsverfahren kompatibel. Ihre mechanische und thermische Stabilität ist im Vergleich zu herkömmlichen Metallen deutlich verbessert. Außerdem sind sie weniger spröde als Keramiken. Darüber hinaus Coherent patentgeschützte Herstellungsverfahren für MMC-Produkte, die es uns ermöglichen, die spezifischen Anwendungsanforderungen unserer Kunden zu erfüllen.

CVD-Diamant

Diamant weist die höchste Wärmeleitfähigkeit Materialien auf und übertrifft diese von Kupfer, dem am häufigsten für die Wärmeübertragung verwendeten Metall, um mindestens das Vierfache. CVD-Diamant (Chemical Vapor Deposition) kann Wärme effizient ableiten und eine Überhitzung elektronischer Bauteile, wie beispielsweise Hochleistungs-ICs, verhindern – was die Lebensdauer der Bauteile verlängert, deren Platzbedarf verringert sowie deren Effizienz und Leistung verbessert. 

CVD-Diamant weist einen niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten auf, was bedeutet, dass er sich bei Erwärmung oder Abkühlung kaum ausdehnt oder zusammenzieht. Dank seines breiten optischen Durchlässigkeitsbereichs (von UV bis zum langen IR-Bereich), seines niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten und seiner hohen Temperaturwechselbeständigkeit eignet er sich ideal für Anwendungen wie Datenkommunikation, Telekommunikation, Halbleiter und Messtechnik in den Biowissenschaften.

Einkristall-SiC: Hohe Leitfähigkeit, vielfältige Anwendungsmöglichkeiten 

Zu den wichtigsten Vorteilen von Elektronik auf SiC-Basis zählen geringere Schaltverluste, eine höhere Leistungsdichte, eine bessere Wärmeableitung und eine höhere Bandbreitenkapazität. Was Wärmeleitfähigkeit , so weist einkristallines SiC eine Wärmeleitfähigkeit etwa 490 W/mK auf, was mehr als dreimal so hoch ist wie die von Silizium (150 W/mK). Da SiC Wärme effizienter ableiten kann als Silizium, senkt es den Gesamtkühlungsbedarf und verbessert die Zuverlässigkeit und Leistung der Bauelemente im Laufe der Zeit. 

Dank seiner hervorragenden chemischen Beständigkeit, der hohen Driftgeschwindigkeit gesättigter Elektronen und Wärmeleitfähigkeit hohen Wärmeleitfähigkeit ist einkristallines SiC ein hervorragendes Material für eine Vielzahl von Anwendungen, darunter unter anderem Optoelektronik, Mikrowellenbauelemente , Datenkommunikation, Telekommunikation, Halbleiter , Elektrofahrzeuge (EVs) sowie Geräte für die Biowissenschaften.

Warum Coherent: Leistung, Zuverlässigkeit, Zusammenarbeit 

Coherent plattformübergreifende Lösungen, die sich durch hohe Leistung und Zuverlässigkeit auszeichnen. Profitieren Sie von unseren patentierten Verfahren und maßgeschneiderten Lösungen für die Wärmeableitung in Ihrem Rechenzentrum.

Coherent mit Teams jeder Größe Coherent , um zuverlässige, flexible und maßgeschneiderte Lösungen und Funktionen für Rechenzentrumsumgebungen und darüber hinaus bereitzustellen. Ein effizientes und effektives Wärmemanagement sorgt für Kosteneinsparungen, reduziert Ausfallzeiten und maximiert die Lebensdauer von Komponenten in zahlreichen Branchenanwendungen. 

Erfahren Sie mehr über Coherent für das Wärmemanagement. 

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