데이터센터 액체 냉각판 구조 선정

인공지능 컴퓨팅, 클라우드 서비스, 고성능 컴퓨팅 및 대규모 데이터 처리가 지속적으로 증가함에 따라 데이터 센터는 이전보다 훨씬 높은 열 부하에 직면하고 있습니다. 최신 CPU, GPU, AI 가속기 및 고밀도 서버 모듈은 기존의 공랭식 시스템으로는 더 이상 효율적으로 처리할 수 없는 집중적인 열을 발생시킵니다.

이러한 이유로 데이터 센터 액체 냉각은 차세대 열 관리의 중요한 솔루션으로 자리 잡았습니다. 다양한 액체 냉각 기술 중에서도 액체 냉각판(액체 냉각판 또는 수냉판이라고도 함)은 고출력 칩에서 냉각 루프로 열을 전달하는 데 핵심적인 역할을 합니다.

하지만 적절한 액체 냉각판 구조를 선택하는 것은 단순히 구리나 알루미늄을 고르는 문제가 아닙니다. 엔지니어는 열 성능, 압력 강하, 유량, 제조 비용, 재료 호환성, 신뢰성 및 랙 수준의 냉각 효율을 균형 있게 고려해야 합니다.

고성능 CPU, GPU 및 AI 칩을 사용하는 데이터 센터의 경우, 적절한 냉각판 설계는 칩 온도, 시스템 안정성, 펌핑 전력, 에너지 효율 및 장기 운영 비용에 직접적인 영향을 미칠 수 있습니다.

데이터 센터에서 액체 냉각판이 필수적인 요소가 되어가는 이유

기존의 공랭식 냉각 방식은 팬과 방열판을 사용하여 서버에서 발생하는 열을 제거합니다. 이 방식은 적당한 열 부하에는 효과적이지만, 칩 전력이 계속 증가함에 따라 공랭식 냉각은 여러 가지 한계에 직면하게 됩니다.

• 팬의 전력 소비량이 더 높습니다.

• 제한된 열 제거 용량

• 서버 입구와 출구 온도 차이가 더 큽니다.

• CPU, GPU 및 AI 가속기 주변의 핫스팟

• 밀집된 랙 구성의 냉각 어려움

• 소음 증가 및 에너지 효율 저하

• AI 및 HPC 클러스터의 확장성 제한

데이터 센터 액체 냉각판은 열원 가까이에 냉각수 통로를 배치함으로써 이러한 문제를 해결합니다. 칩에서 발생한 열은 냉각판 바닥으로 전달된 후 순환하는 냉각수에 의해 제거됩니다.

공랭식 냉각과 비교했을 때, 액체 냉각은 액체가 공기보다 열 전달 능력이 뛰어나기 때문에 훨씬 높은 열 전달 효율을 제공합니다. 이러한 특성으로 인해 액체 냉각판은 다음과 같은 용도에 특히 적합합니다.

• AI 서버 냉각

• GPU 쿨링

• CPU 쿨링

• HPC 클러스터 냉각

• 고밀도 랙 냉각

• 엣지 데이터 센터 냉각

• 클라우드 컴퓨팅 인프라

• 데이터센터 시스템 내부의 전력 전자 장치

데이터 센터가 고전력 밀도로 나아가면서 액체 냉각은 더 이상 고급 옵션이 아니라 필수적인 열 관리 전략이 되고 있습니다.

액체 냉각판 구조 선택의 핵심 요소

최적의 액체 냉각판 구조는 실제 작동 조건에 따라 달라집니다. 열 저항이 가장 낮은 냉각판이 항상 최선의 선택은 아닙니다. 압력 강하가 너무 크거나 제조 비용이 너무 많이 드는 경우에는 최적의 선택이 아닐 수 있습니다.

맞춤형 액체 냉각판을 선택하기 전에 엔지니어는 다음 요소를 평가해야 합니다.

1. 열 부하 및 열 유속

첫 번째 단계는 구성 요소의 총 열 부하를 정의하는 것입니다. 이는 일반적으로 와트(W) 단위로 측정됩니다. 예를 들어, 고성능 GPU 또는 AI 가속기는 수백 와트 이상을 발생시킬 수 있으며, 하나의 보드에 있는 여러 칩은 훨씬 더 높은 총 열 부하를 발생시킬 수 있습니다.

총 전력 외에도 열유속 또한 중요합니다. 열유속은 특정 영역에 얼마나 많은 열이 집중되는지를 나타냅니다. 열유속이 높은 칩은 더 빠른 열 확산과 더욱 효율적인 내부 냉각판 구조를 필요로 합니다.

고성능 GPU 및 AI 칩의 경우, 칩 출력, 냉각수 종류, 목표 압력 강하 및 열 저항 요구 사항에 따라 냉각판당 유량은 일반적으로 1~3 lpm 범위에 속할 수 있습니다.

2. 열 저항

열 저항은 콜드 플레이트 성능을 나타내는 가장 중요한 지표 중 하나입니다. 열 저항이 낮을수록 콜드 플레이트가 칩에서 냉각수로 열을 더 효율적으로 전달할 수 있습니다.

하지만 열 저항은 여러 요인의 영향을 받습니다.

• 냉판 재질

• 기본 두께

• 내부 채널 구조

• 냉각수 유량

• 접촉면 평탄도

• 열 인터페이스 재료

• 칩 크기 및 열 분포

• 제조 품질

• 냉각수 유입 온도

고성능 마이크로채널 냉각판은 열 저항이 매우 낮을 수 있지만, 압력 강하 및 제조 복잡성을 증가시킬 수도 있습니다.

3. 압력 강하 및 펌핑 동력

압력 강하는 액체 냉각판 설계에서 또 다른 핵심 요소입니다. 내부 채널이 너무 좁거나 복잡하면 냉각수가 높은 유동 저항을 받을 수 있습니다. 이는 더 강력한 펌프를 필요로 하고 에너지 소비를 증가시킵니다.

단일 냉각판에서는 압력 강하가 관리 가능한 것처럼 보일 수 있습니다. 그러나 여러 서버와 여러 개의 냉각판이 있는 전체 데이터 센터 랙에서는 압력 강하가 시스템 차원의 문제가 됩니다.

우수한 데이터센터용 액체 냉각판은 효율적인 열 제거는 물론 적절한 유압 성능도 유지해야 합니다. 이는 펌핑 동력을 줄이고 전체 냉각 시스템 효율을 향상시키는 데 도움이 됩니다.

4. 유량 분포

멀티칩 모듈, 대형 CPU, GPU 또는 가속기 보드의 경우 냉각수의 균일한 분배가 매우 중요합니다. 유량 분배가 불량하면 일부 영역에 냉각수가 부족해져 국부적인 과열 지점이 발생할 수 있습니다.

냉각판의 내부 구조는 냉각수가 열원 영역 전체에 고르게 흐르도록 유도해야 합니다. 이는 열이 집중되고 열 여유가 좁은 AI 칩 냉각 및 고밀도 GPU 냉각에 특히 중요합니다.

5. 재료 선택

재료 선택은 열 성능, 비용, 무게, 내식성 및 제조 공정에 영향을 미칩니다.

액체 냉각판에 가장 일반적으로 사용되는 재료는 알루미늄과 구리입니다.

데이터 센터에서는 비용 및 무게 측면에서 알루미늄 냉각판이 종종 매력적인 선택입니다. 반면 칩의 열유속이 매우 높고 열 성능이 최우선 고려 사항일 때는 구리 냉각판이 선호됩니다.

6. 제조 방법

제조 방식에 따라 냉간압연판의 구조, 비용 및 성능 수준이 달라집니다.

일반적인 제조 방법은 다음과 같습니다.

• CNC 가공

• 브레이징

• 마찰교반용접

• 진공 브레이징

• 스키드 핀 제조

• 마이크로채널 처리

• 구리-알루미늄 접합

• 대량 생산 디자인의 경우 스탬핑 및 성형 공정이 필요합니다.

맞춤형 액체 냉각판 제조업체에게 중요한 것은 고성능 채널을 설계하는 것뿐만 아니라 해당 구조를 대규모로 안정적으로 제조할 수 있도록 보장하는 것입니다.

데이터 센터용 일반적인 액체 냉각판 구조

다양한 내부 냉각판 구조는 데이터 센터의 다양한 워크로드에 적합합니다. 주요 유형으로는 스키드 핀 냉각판, 마이크로채널 냉각판, 토폴로지 최적화 냉각판 및 기타 고급 고성능 구조가 있습니다.

1. 스키드 핀 액체 냉각판

스키드 핀 콜드 플레이트는 액체 채널 내부에 얇은 핀을 사용하여 열 전달 면적을 증가시킵니다. 냉각수는 핀 구조를 통해 흐르면서 바닥면에서 열을 제거합니다.

이는 비교적 전통적이고 널리 사용되는 구조입니다. 안정적인 성능을 제공하며 일반적인 데이터 센터 워크로드에 적합합니다.

스키드 핀 콜드 플레이트의 장점

• 성숙한 제조 공정

• 열 전달이 잘 되는 면적

• 중대형 출력 부품에 적합합니다.

• 보다 복잡한 구조에 비해 비용 효율적입니다.

• 다양한 크기에 맞춰 맞춤 제작하기가 더 쉽습니다.

제한

• 열 저항은 첨단 마이크로채널 설계보다 높을 수 있습니다.

• 압력 강하는 핀 밀도와 유로에 크게 좌우됩니다.

• 극도로 높은 열유속을 받는 AI 칩에는 항상 최선의 선택은 아닙니다.

스키드 핀 액체 냉각판은 비용, 신뢰성 및 제조 용이성이 중요한 일반 서버 냉각, CPU 냉각 및 데이터 센터 애플리케이션에 적합합니다.

2. 마이크로채널 액체 냉각판

마이크로채널 냉각판은 매우 작은 내부 채널을 사용하여 냉각수 접촉 면적을 늘리고 열 전달 성능을 향상시킵니다. 이러한 구조는 냉각판 내부에 고효율 액체 냉각식 방열판처럼 작동합니다.

마이크로채널 설계는 GPU, AI 가속기, HPC 프로세서와 같은 고밀도 열원에 특히 유용합니다.

마이크로채널 냉각판의 장점

• 열저항이 매우 낮음

• 높은 열전달 효율

• 집중된 열원에 대한 뛰어난 성능

• AI 칩 냉각 및 GPU 냉각에 적합합니다.

• 고출력 밀도 애플리케이션을 위한 소형 구조

제한

• 단순 채널 설계보다 더 높은 압력 강하

• 냉각수 청결도에 더 민감함

• 제조하기가 더 어렵습니다

• 표준 냉각판에 비해 가격이 더 높습니다.

• 신중한 유량 분배 설계가 필요합니다

현대 AI 데이터 센터에서 칩 전력과 열 발생량이 급격히 증가함에 따라 마이크로채널 액체 냉각판의 중요성이 점점 더 커지고 있습니다.

3. 위상 최적화된 냉각판

위상 최적화 냉각판은 고급 설계 방법을 사용하여 내부 유동 경로를 최적화합니다. 목표는 우수한 열 성능을 유지하면서 압력 강하를 줄이는 것입니다.

일부 설계에서는 위상 최적화를 통해 압력 강하를 20% 이상 줄일 수 있습니다. 이는 펌핑 동력이 주요 제약 조건인 시스템에서 매우 유용할 수 있습니다.

장점

• 압력 강하 감소

• 유압 효율 향상

• 특정 칩 레이아웃에 맞게 최적화할 수 있습니다.

• 랙 수준 에너지 효율에 유용합니다

제한

• 더 복잡한 설계 프로세스

• 제조 비용 상승

• 성능 향상이 항상 비용을 정당화하는 것은 아닙니다.

• 시뮬레이션 및 검증이 필요합니다

위상 최적화 구조는 냉각 루프가 많은 냉각판을 처리해야 하고 펌핑 동력이 중요한 고려 사항인 데이터 센터에 적합합니다.

4. 고급 고출력 냉각판 구조

극도로 높은 전력을 소모하는 칩이나 모듈의 경우, 고급 구조가 필요할 수 있습니다. 이러한 구조는 시스템 수준에서 수천 와트를 초과하는 매우 높은 TDP(초당 전력 소비량)를 처리하도록 설계되었습니다.

이러한 디자인은 다음과 같은 조합으로 이루어질 수 있습니다:

• 마이크로채널

• 매니폴드 유동 분포

• 최적화된 입구 및 출구 레이아웃

• 다층 채널 구조

• 고전도성 구리 베이스

• 저압 강하 내부 구조

• 맞춤형 밀봉 및 용접 공정

이러한 냉각판은 일반적으로 AI 클러스터, HPC 시스템, 고출력 가속기 모듈 및 고밀도 랙 레벨 냉각 솔루션에 사용됩니다.

액체 냉각판 구조의 성능 비교

다음 표는 다양한 액체 냉각판 구조의 일반적인 성능 특성을 요약한 것입니다.

고객이 칩 온도 최저, 압력 강하 최저, 비용 최저, 제조 용이성 또는 전체 시스템 효율성 중 무엇을 더 중요하게 생각하는지에 따라 최적의 선택이 결정됩니다.

열 저항과 압력 강하: 핵심적인 상충 관계

액체 냉각판 설계에서 열 저항과 압력 강하는 종종 연관됩니다.

핀 구조가 더 촘촘하거나 마이크로채널의 크기가 더 작으면 열 전달 면적이 증가하여 열 저항을 줄일 수 있습니다. 하지만 유동 저항이 증가하여 압력 강하가 커질 수도 있습니다.

반면, 채널 폭이 넓으면 압력 강하는 줄어들 수 있지만, 고출력 칩에 필요한 충분한 열 전달 성능을 제공하지 못할 수도 있습니다.

이로 인해 일반적인 엔지니어링 절충점이 발생합니다.

데이터 센터 애플리케이션의 경우, 목표는 단순히 가장 강력한 콜드 플레이트를 설계하는 것이 아닙니다. 목표는 펌프, 매니폴드, 퀵 커넥터, 냉각수 분배 장치 및 랙 수준의 열 요구 사항을 포함한 전체 냉각 루프에 가장 적합한 콜드 플레이트를 설계하는 것입니다.

다양한 데이터센터 애플리케이션에 적합한 콜드 플레이트 구조를 선택하는 방법

데이터 센터의 다양한 워크로드에는 서로 다른 콜드 플레이트 구조가 필요합니다.

일반 데이터 센터 서버

일반적인 CPU 서버와 적당한 발열량의 경우, 알루미늄 또는 구리 스키드 핀 콜드 플레이트는 성능, 비용 및 신뢰성 측면에서 좋은 균형을 제공할 수 있습니다.

권장 구조:

• 알루미늄 또는 구리 냉각판

• 단순 채널 또는 스키드 핀 구조

• 적당한 유량

• 낮음~중간 압력 강하

• 비용 효율적인 제조 방법

AI 훈련 서버

AI 학습 서버는 일반적으로 고성능 GPU와 가속기를 사용합니다. 이러한 칩은 높은 열을 발생시키므로 더욱 정교한 냉각 구조가 필요한 경우가 많습니다.

권장 구조:

• 구리 베이스 냉각판

• 마이크로채널 구조

• 최적화된 유량 분배

• 더 높은 유량 처리 능력

• 낮은 열 저항 설계

HPC 클러스터

HPC 시스템은 안정적인 장기 작동과 높은 냉각 효율을 요구하는 경우가 많습니다. 따라서 열 저항과 압력 강하를 신중하게 제어해야 합니다.

권장 구조:

• 구리 또는 구리-알루미늄 냉각판

• 마이크로채널 또는 매니폴드 유동 설계

• 저압 강하 최적화

• 신뢰할 수 있는 밀봉 및 용접

• 시스템 수준 검증

엣지 데이터 센터

엣지 데이터 센터는 공간이 제한적일 수 있으며 통제가 덜 된 환경에 구축될 수 있습니다. 따라서 신뢰성과 소형 구조가 매우 중요합니다.

권장 구조:

• 경량 설계를 위한 알루미늄 냉각판

• 컴팩트 채널 구조

• 부식 방지 표면 처리

• 신뢰할 수 있는 누출 테스트

• 간편한 설치 및 유지보수

데이터센터 액체 냉각 플레이트 설계 체크리스트

맞춤형 액체 냉각판을 개발하기 전에 엔지니어는 초기 설계 단계에서 주요 매개변수를 확인해야 합니다.

이 체크리스트는 설계 오류를 줄이고 고객과 제조업체 간의 효율적인 소통을 돕습니다.

데이터센터 콜드 플레이트 제조 시 고려사항

고성능 냉각판은 시뮬레이션에서 우수한 성능을 보여야 할 뿐만 아니라, 제조가 용이하고 신뢰성이 높으며 장기간 데이터 센터 운영에 적합해야 합니다.

1. 밀봉 신뢰성

데이터 센터는 극도로 높은 신뢰성을 요구합니다. 냉각수 누출은 서버와 전기 시스템에 심각한 손상을 초래할 수 있습니다. 따라서 콜드 플레이트는 엄격한 누출 테스트와 압력 테스트를 거쳐야 합니다.

2. 부식 방지

알루미늄 냉각판을 사용할 경우 냉각수 호환성과 부식 방지를 신중하게 고려해야 합니다. 표면 처리와 냉각수 화학 성분은 장기적인 신뢰성에 중요한 영향을 미칩니다.

3. 평탄도 및 표면 마감

칩과 냉각판 사이의 접촉면은 계면 열 저항을 줄이기 위해 충분히 평평하고 매끄러워야 합니다. 평탄도가 떨어지면 접촉 압력이 고르지 않게 되고 과열 지점이 발생할 수 있습니다.

4. 내부 청결도

마이크로채널 냉각판의 경우 내부 청결도가 매우 중요합니다. 미세 입자가 마이크로채널을 막아 냉각 성능에 영향을 미칠 수 있으므로 생산 과정에서 적절한 세척 및 검사가 필수적입니다.

5. 확장 가능한 제조

데이터 센터 프로젝트는 종종 배치 생산을 필요로 합니다. 콜드 플레이트 설계는 성능뿐만 아니라 반복 생산, 품질 관리 및 비용 안정성 측면에서도 최적화되어야 합니다.

킹카는 데이터센터 액체 냉각 플레이트 프로젝트를 어떻게 지원하는가?

킹카는 고출력 전자 장치 및 데이터 센터 애플리케이션을 위한 맞춤형 액체 냉각판, 수냉식 냉각판, FSW 액체 냉각판, CNC 가공 냉각판, 알루미늄 냉각판, 구리 냉각판 및 완벽한 열 관리 솔루션을 제공합니다.

데이터센터 냉각 프로젝트와 관련하여 Kingka는 다음과 같은 지원을 제공할 수 있습니다.

• 냉판 구조 설계

• 재료 선택

• 내부 채널 최적화

• 마이크로채널 냉각판 개발

• 스키드 핀 냉간판 제조

• CNC 가공

• 마찰교반용접

• 브레이징과 납땜

• 표면 처리

• 누출 테스트

• 압력 강하 평가

• 고객 도면을 기반으로 한 맞춤 디자인

킹카의 엔지니어링 지원은 실용적인 성능, 제조 용이성, 비용 관리 및 장기적인 신뢰성에 중점을 둡니다. 단순히 하나의 냉각판 구조를 선택하는 것이 아니라, 고객이 전체 열 시스템을 평가하고 적용 분야에 가장 적합한 솔루션을 선택할 수 있도록 지원합니다.

콜드 플레이트 구조 선정 요약

데이터센터 액체 냉각판 구조를 선택할 때는 열 성능, 압력 강하, 제조 비용, 재료 선택 및 시스템 수준의 신뢰성 사이의 균형을 맞춰야 합니다.

일반 데이터 센터 서버의 경우, 스키브드 핀 또는 단순 채널 콜드 플레이트가 실용적이고 비용 효율적인 솔루션을 제공할 수 있습니다. 고밀도 AI 칩, GPU 및 HPC 프로세서의 경우, 열 저항을 낮추기 위해 마이크로채널 콜드 플레이트 또는 고급 매니폴드 설계가 필요할 수 있습니다. 펌핑 동력이 주요 고려 사항인 시스템에서는 토폴로지 최적화 콜드 플레이트를 통해 압력 강하를 줄이고 유압 효율을 향상시킬 수 있습니다.

최적의 액체 냉각판은 항상 가장 복잡한 구조가 아닙니다. 실제 열 부하, 유량, 압력 강하 한계, 재료 요구 사항, 제조 예산 및 랙 수준 냉각 아키텍처에 가장 적합한 구조입니다.

킹카는 데이터 센터, AI 서버, HPC 시스템 및 고출력 전자 장치를 위한 맞춤형 액체 냉각판, 액체 콜드 플레이트, 수냉식 냉각판, 방열판 및 완벽한 열 관리 솔루션을 제공합니다. 킹카는 소재 전문 지식, 구조 설계, 정밀 제조 및 신뢰성 테스트를 결합하여 고객이 차세대 데이터 센터를 위한 효율적이고 안정적이며 확장 가능한 냉각 솔루션을 구축할 수 있도록 지원합니다.