Kühlungslösungen für überlastete Rechenzentren

KI steht derzeit stark im Fokus. Doch sie ist nicht nur ein beliebtes Gesprächsthema – sie rückt auch das Problem der Überhitzung in Rechenzentren zunehmend in den Blickpunkt. GlücklicherweiseCoherent innovativer Lösungen für das Wärmemanagement unterCoherent ,dieeinen effizienten Betrieb von Rechenzentren mit hoher Auslastunggewährleisten.

Auch andere Anwendungen wie Cloud-Computing, Anforderungen an die Spielegrafik, das Schürfen von Kryptowährungen oder Edge-Computing haben die Anforderungen an die Arbeitslasten und die Temperaturen in Rechenzentren rasch (und grundlegend) erhöht. Ebenso entsteht in solch kompakten Bereichen schnell Wärme, da Halbleiter immer kleiner werden und die Transistordichte immer weiter zunimmt. 

Insgesamt sind Server einer noch nie dagewesenen Rechenlast ausgesetzt, und dieser beispiellose Energiebedarf erhöht rapide das Risiko einer Überhitzung der Rechenzentren. Tatsächlich hat sich die thermische Nennleistungsaufnahme (TDP) in den letzten 17 Jahren vervierfacht und wird voraussichtlich in diesem Jahr 750 W überschreiten. Diese kostspielige kumulative Arbeitslast senkt nicht nur die Energieeffizienz von Rechenzentren weltweit, sondern wirkt sich auch nachteilig auf Leistung und Zuverlässigkeit aus. Durch Überhitzung verursachte thermische Schäden können zu einer verkürzten Lebensdauer oder zum Ausfall kritischer Serverkomponenten führen, ganz zu schweigen von den damit verbundenen Sicherheitsrisiken für Rechenzentren. Darüber hinaus ist mit Sicherheit zu rechnen, dass die Kosten für den reibungslosen Betrieb der Rechenzentren steigen werden.

Moderne Rechenzentren stellen höhere Anforderungen

GPU-Berechnungen sind für das Training großer KI-Modelle von zentraler Bedeutung, unter anderem weil dafür im Vergleich zu CPU-Berechnungen unter Umständen Tausende zusätzlicher Rechenkerne erforderlich sind. Da moderne Rechenzentren mehr Strom benötigen als die herkömmlichen CPU-Prozessoren früher, setzen viele lokale Rechenzentren zur Beschleunigung dieser Umstellung auf hochdichte Rack-Lösungen, die einen höheren Stromverbrauch aufweisen und Wärme in einem Ausmaß abgeben, das normalerweise nicht bewältigt werden kann.

Um eine effiziente „KI-Kühlung“ zu realisieren oder andere energieeffiziente Herausforderungen in Rechenzentren zu bewältigen, sind strategische Wärmemanagementlösungen erforderlich. Der Prozess der Ableitung überschüssiger Wärme ist für die Leistung und die Lebensdauer der Komponenten von entscheidender Bedeutung.

Verhindern von Hitzeschäden durch Überhitzung des Rechenzentrums

Um thermische Schäden zu minimieren und kostspielige Ausfallzeiten zu vermeiden, ist die Planung und Steuerung der Wärmeverteilung heute wichtiger denn je. In Rechenzentren mit hohem Leistungsbedarf gibt es in der Regel zwei Hauptansätze, um Wärmeverluste zu reduzieren oder überschüssige Wärme abzuführen. 

1. Tauchkühlung (oder Luftkühlung):teuer, komplex und mit ökologischen Herausforderungen verbunden

Bei diesem Makrokühlungsverfahren (bei dem der Chip nicht direkt gekühlt wird) müssen die Platinen und die Komponenten des Serverracks entweder durch starke Luftzirkulation (im oberen Bereich) oder durch vollständiges Eintauchen in Flüssigkeit (im unteren Bereich) gekühlt werden. Dies erhöht die Kosten der Lösung.

2. Kühlblechkühlung (direkte Kühlung des Chips):Maximale Wärmeübertragungseffizienz, korrosionsbeständig.

Coherent eine Mikro-Kühlungslösung mit hochwärmeleitfähigen Materialien, die mithilfe der physikalischen Kühlplattentechnologie Wärme direkt aus Hochleistungs-Chips wie GPUs abführt.

Vorteile von Kaltwalzblech 

Funktional gesehen funktioniert die Kühlplatte (auch als „direkteChipkühlung“ oder kurz „Mikrokühlung“ bezeichnet)genau so, wie der Name vermuten lässt: Dabei wird die Wärme mithilfe einer Kühlplatte direkt von Hochleistungs-Chips wie der GPU abgeführt.

Ähnlich wie bei Haushaltskühlschränken, die Wärme über einen Kondensator abführen, leitet die Kühlplatte die von der GPU erzeugte Wärme ab, indem sie diese von den Bauteilen auf das Kühlmittel überträgt. Die Kühlplatte selbst sorgt für eine maximale Wärmeübertragungseffizienz. 

Techniker nutzen die Infrarotbildgebung, um Wärmeansammlungen im Serverstapel sichtbar zu machen.

Was macht die Kühlung mit Kühlplatten jedoch so erfolgreich? Das liegt an der höheren Wärmeleitfähigkeit. Objektiv betrachtet liegt der Wärmeleitkoeffizient von Leitern wie Kupfer bei etwa 400 W/mK, während Materialien wie polykristalliner CVD-Diamanteinen weitaus höheren Wärmeleitkoeffizienten aufweisen – fast das Vierfache von Kupfer. 

Branchenübergreifendes Sicherheitsnetz für den Bereich Thermomanagement

Bei Coherent zur Aufgabe gemacht, die Kühlungsproblematik in Rechenzentren zu lösen, insbesondere in solchen, die aufgrund der zunehmenden Verbreitung von KI mit Überhitzungsproblemen zu kämpfen haben. Darüber hinaus beschäftigen wir uns mit der Lösung von Wärmemanagement-Herausforderungen in einer Vielzahl weiterer Anwendungsbereiche, die von der Halbleiterindustrie über Elektrofahrzeuge bis hin zur Neurowissenschaft reichen.

Auf der Hardware-Ebene sorgen Wärmemanagement-Lösungen mithilfe von Werkzeugen und Technologien dafür, dass Systeme innerhalb ihres Betriebstemperaturbereichs zuverlässig funktionieren.Coherent und -SystemeCoherent decken nicht nur den Bereich der Mikroelektronik, wie beispielsweise Halbleitergeräte, ab, sondern auch ein breites Spektrum an Märkten und Anwendungen, darunter Materialverarbeitung, Automobilindustrie, Luft- und Raumfahrt sowie Verteidigung, Datenkommunikation und Telekommunikation sowie Biowissenschaften.

In zahlreichen Endmärkten sind differenzierte technische Werkstoffe und Komponenten allgegenwärtig:

Coherent einer der weltweit führenden Anbieter im Bereich innovativer technischer Werkstoffe und Wärmemanagement-Subsysteme und bietet maßgeschneiderte, strategische Materiallösungen an. 

Zu unseren weltweit führenden und vielfältigen innovativen Anwendungen im Bereich des Wärmemanagements gehören:

• Reaktionsgesinterte Silizium-/Siliziumkarbid-Werkstoffe

• Al/SiC-Metallmatrix-Verbundwerkstoff

• CVD-Diamant

• monokristallines Siliziumkarbid

• Thermoelektrischer Kühler

Reaktionsgesintertes Silizium/Siliziumkarbid

Coherent reaktionsgesintertes Silizium/Siliziumkarbid Coherent , um den vielfältigen Anforderungen an die Konstruktion und den Einsatz in verschiedenen Produktanwendungen, einschließlich des Wärmemanagements, gerecht zu werden. Einige der von uns für den Wärmemanagement-Markt angebotenen reaktionsgesinterten Formulierungen zeichnen sich durch eine hohe Wärmeleitfähigkeit aus und weisen einen auf AlN oder Si₃N₄ abgestimmten Wärmeausdehnungskoeffizienten (CTE) auf. Durch die Zugabe von Diamant zu den Silizium/Siliziumkarbid-WerkstoffenCoherent thermisch kritische Anwendungen eine extrem hohe WärmeleitfähigkeitCoherent . 

Darüber hinaus lassen sichreaktionsgesinterte Silizium-/Siliziumkarbid-Produktemittels Near-Net-Shape- und Near-Net-Shape-Fertigungsverfahren herstellen. Durch Net-Shape-Fertigung, Green-Processing und/oder die Verbindung von Vorformlingen lassen sich äußerst komplexe Geometrien realisieren. Diese Geometrien ermöglichen ein breites Spektrum an Produktfunktionen, darunter gerippte Elemente und interne Mikro-Kühlkanäle. Dadurch sind wir in der Lage, auch anspruchsvolle Anwendungsanforderungen zu erfüllen. 

Metallbasierte Verbundwerkstoffe

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

MMC-Produkte können im Near-Net-Shape- und Near-Net-Shape-Verfahren hergestellt werden. Sie sind vollständig bearbeitbar, einschließlich des direkten Gewindeschneidens. Diese Werkstoffe sind zudem mit gängigen Galvanisierungsverfahren kompatibel. Ihre mechanische und thermische Stabilität ist im Vergleich zu herkömmlichen Metallen deutlich höher. Außerdem sind sie widerstandsfähiger als Keramik und weniger bruchanfällig. DarüberCoherent ein patentiertes Verfahren zur Herstellung von MMC-Produkten, das es uns ermöglicht, die spezifischen Anwendungsanforderungen unserer Kunden zu erfüllen.

CVD-Diamant

Diamant weist die höchste Wärmeleitfähigkeit aller Materialien auf und ist mindestens viermal so leitfähig wie Kupfer (das am häufigsten verwendete Metall zur Wärmeübertragung). CVD-Diamant (Chemical Vapor Deposition) kann Wärme effektiv ableiten und eine Überhitzung elektronischer Geräte – wie beispielsweise Hochleistungs-ICs – verhindern, wodurch die Lebensdauer der Geräte verlängert, ihr Platzbedarf verringert sowie ihre Effizienz und Leistung gesteigert werden. 

CVD-Diamant weist einen niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten auf, was bedeutet, dass er sich beim Erwärmen oder Abkühlen kaum ausdehnt oder zusammenzieht. Dieses Material eignet sich aufgrund seines breiten Wellenlängenbereichs (von UV bis langes Infrarot), seines niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten und seiner hohen Temperaturwechselbeständigkeit hervorragend für Anwendungsbereiche wieDatenkommunikation,Telekommunikation,Halbleiterfertigung undGeräte für die Biowissenschaften.

Monokristallines Siliziumkarbid: hohe Wärmeleitfähigkeit, vielfältige Anwendungsmöglichkeiten 

Zu den Hauptvorteilen von elektronischen Bauelementen auf Siliziumkarbid-Basis zählen geringere Schaltverluste, eine höhere Leistungsdichte, eine bessere Wärmeableitung sowie eine höhere Bandbreitenkapazität. Was die Wärmeleitfähigkeit betrifft, so liegt diese bei einkristallinem Siliziumkarbid bei etwa 490 W/mK und ist damit mehr als dreimal so hoch wie die von Silizium (150 W/mK) . Da Siliziumkarbid Wärme effizienter ableiten kann als Silizium, senkt es den Gesamtkühlungsbedarf und verbessert im Laufe der Zeit die Zuverlässigkeit und Leistung der Geräte. 

Einkristallines Siliziumkarbid zeichnet sich durch gute chemische Beständigkeit, eine hohe Sättigungs-Elektronenwanderungsgeschwindigkeit und eine hohe Wärmeleitfähigkeit aus und ist ein hervorragendes Material mit einem breiten Anwendungsspektrum (unter anderem inden Bereichen Optoelektronik, Mikrowellenbauelemente, Datenkommunikation, Telekommunikation,Halbleiterfertigung,Elektrofahrzeuge (EV) sowie Geräte für die Biowissenschaften).

Warum Coherent – Hohe Leistung, Zuverlässigkeit und Kooperationsfähigkeit 

Coherent leistungsstarke und zuverlässige Lösungen für verschiedene Plattformen. Sie profitieren von unseren patentierten Verfahren sowie von Lösungen, die genau auf die Kühlungsanforderungen Ihres Rechenzentrums zugeschnitten sind.

Coherent , um zuverlässige, flexible und maßgeschneiderte Lösungen und Funktionen sowohl innerhalb als auch außerhalb von Rechenzentren bereitzustellen. In vielen Branchenanwendungen tragen effiziente und effektive Wärmemanagementlösungen dazu bei, Kosten zu senken, Ausfallzeiten zu verkürzen und die Lebensdauer von Komponenten zu maximieren. 

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