con una densidad de potencia de rack único superior a 30 kW y un flujo de calor del chip superior a 1500 W/cm2 en centros de datos de IA,el refrigeración por aire tradicional (límite máximo de flujo de calor ~ 100W/cm2) ya no puede satisfacer las demandas de disipación de calor;.
Las placas de frío de microcanal amplían el área de intercambio de calor en 10 veces y ofrecen una eficiencia de enfriamiento 3 veces mayor que las placas de frío líquido convencionales, reduciendo el aumento de la temperatura de la GPU en un 65%.Esta tecnología puede reducir el PUE del centro de datos por debajo de 1.1 con resistencia térmica ultrabaja hasta 0,009 °C/W, soportando de forma estable las GPU de alta potencia de 1400W. Se ha convertido en una solución de enfriamiento esencial para el hardware de computación de alta densidad.
En este artículo se clasifican y comparan sistemáticamente las placas de frío de microcanal convencionales desplegadas en centros de datos desde cuatro dimensiones: estructura del canal, forma de la sección transversal, nivel de integración,y proceso de fabricaciónTambién proporcionamos una guía de selección rápida para la implementación de ingeniería.
| Tipo de producto | Apariencia y características visuales | Estructura central | Proceso de fabricación | Escenarios típicos de aplicación |
|---|---|---|---|---|
| Microcanal paralelo recto | acabado metálico de cobre/aluminio, ranuras rectas uniformes uniformemente espaciadas | Canales rectangulares rectos de una o varias filas | Fabricación en la cual todas las materias utilizadas para la fabricación del producto se utilicen en la fabricación del producto | CPU estándar, GPU de potencia media y baja, servidores refrigerados por líquido generales, placas frías de rack |
| Serpentina / microcanal en forma de S | acabado de metal sólido, canales curvados continuos en forma de S/bucle | Diseño de curvatura recíproca de un solo/multi-canal para extender la trayectoria del flujo de fluido | Fabricación en las que el valor de todas las materias utilizadas no exceda del 40% del precio franco fábrica del producto | GPUs de alta potencia, tarjetas de inferencia de IA, racks de alta computación de nodo único |
| Árbol / microcanal fractal | Texturas jerárquicas claras de las ramas, desviación multietapa Y/H que imita los vasos sanguíneos | Bifurcación del colector Y/H de varios niveles para la distribución del flujo en toda la superficie | Fresa de precisión, impresión 3D de metales, unión por difusión | Supercomputadoras, chips apilados 2.5D/3D, grupos de entrenamiento de IA de alta gama |
| Array de micro pin-fin | Protuberancias cilíndricas/elípticas/diamantes densas en la superficie con una fuerte textura cóncava-convexa | Substrato de base cubierto con densas aletas, flujos de fluido alrededor de los pilares | Fresado, fotolitografía, impresión 3D, electroformado | Chips de flujo de calor ultraalto (> 400 W/cm2), memoria HBM, aceleradores de cómputo de alto rendimiento |
| Microcanal ondulado / ondulado | Paredes laterales del canal de ondas continuas/zigzag en lugar de paredes rectas planas | Canales rectos modificados con paredes internas de onda/diente para aumentar la turbulencia | Fabricación en la cual se utilicen productos de la partida 9302 | Chips de potencia media y alta, placas de frío compactas, dispositivos informáticos de vanguardia |
| Tipo T / microcanal de división cruzada | Texturas entrelazadas de rejilla con frecuentes flujos de separación y fusión | Bifurcación periódica y convergencia de los canales principales para perturbar repetidamente el fluido | Fresado, soldadura de placas de varias capas | Módulos envasados de alta densidad, placas de frío integradas con múltiples chips |
| Tipo de sección transversal | Apariencia visual | Características estructurales | Desempeño y aplicabilidad |
|---|---|---|---|
| Rectangular | Encasillamientos cuadrados con bordes afilados, diseño convencional de la industria | Proporción de aspecto ajustable, máxima compatibilidad de fabricación | Rendimiento global equilibrado, universal para casi todas las placas de frío comerciales |
| De forma trapezoidal | Gran parte superior, fondo estrecho, paredes laterales inclinadas | Mejor adhesión del fluido, caída de presión ligeramente menor que los canales rectangulares de igual tamaño | Placas frías de servidor estándar con prioridad a la baja resistencia de flujo |
| Circular / elíptica | Paredes internas redondeadas y lisas sin esquinas afiladas | Resistencia mínima al flujo, sin zonas de vórtice muerto | Gran caudal, baja caída de presión, placas de frío integradas con tuberías |
| De forma hexagonal | Disposición regular densa de panal de miel | Máxima utilización del espacio, fuerte rigidez estructural | Modulos compactos, microcanales incorporados |
| Profile reforzado especial | Paredes interiores con puntos convexos, ranuras o arcos aerodinámicos | Mejora de la turbulencia activa para una mejor transferencia de calor | Placas de frío personalizadas para equipos de alta potencia |
| Nivel de integración | Factor de forma | Método de producción | Grado de resistencia térmica | Ventajas principales | Posicionamiento de la aplicación |
|---|---|---|---|---|---|
| Placa de frío de microcanal externo independiente | Placas metálicas separadas con puertos de entrada/salida, hardware estándar desmontable | Mecanizado CNC de cobre/aluminio, soldadura | Mediano | Diseño modular, fácil mantenimiento y sustitución, tecnología madura y de bajo coste | Reestructuración de centros de datos existentes, servidores refrigerados por líquido en general |
| Capa de microcanal (MLCP / nivel del paquete) | Canales de flujo integrados incorporados en el chip IHS, con el mismo contorno que la tapa térmica estándar original | Mecanizado de precisión de materiales compuestos, unión por difusión | Bajo | Elimina una capa de material de interfaz térmica, acorta el camino de transferencia de calor | Envases de refrigeración líquida de la fábrica de GPU/CPU de nueva generación, tarjetas de cómputo de gama alta |
| Microcanal integrado en el chip | Micro ranuras grabadas en el interior de la oblea/substrato de silicio, pequeños canales invisibles, apariencia general como astillas desnudas | Fotolitografía por semiconductores, grabado profundo en silicio | Ultrabajo | Trayectoria de transferencia de calor más corta, contacto directo con la fuente de calor, rendimiento de refrigeración máximo | IC 3D de vanguardia, chips de supercomputadora, chips de computación de próxima generación (ensayo de laboratorio y ensayo de pequeños lotes) |
| Tecnología de fabricación | Material y color de la superficie | Texturas de la superficie | Estructuras de canales compatibles | Costo y capacidad de producción en masa |
|---|---|---|---|---|
| Fresa de precisión / esquiaje | El cobre puro (tono de cobre rojo), el aluminio (metálico plateado) | Superficie lisa, paredes rectas del canal, acabado industrial estándar | Canales rectos, serpentina, secciones transversales trapezoidales o rectangulares | Bajo coste, alta productividad de masas, proceso industrial más utilizado |
| Sementes de trituración | Cobre/aluminio apilado en varias capas, tono de cobre gris plateado/rojo, juntas sin costuras | Superficies planas con costuras de empalme invisibles | Canales compuestos de varias capas, placas de frío de gran formato | Costo medio, ideal para módulos integrados de gran superficie |
| Impresión 3D de metales | Cobre/acero inoxidable, acabado metálico mate, textura de impresión en capas sutiles | Líneas de capas de impresión visibles, de una sola pieza para geometrías complejas | Canales fractales, conjuntos de aletas, trayectorias de flujo torcidas irregulares | Alto costo, limitado a productos personalizados de pequeños lotes |
| Fotolitografía de silicio / grabado | Substrato de silicio, acabado espejo plateado | Rugas de precisión de nivel micron ultra suaves | Microcanales integrados en un chip | Proceso de obleas semiconductoras, sólo para aplicaciones avanzadas con visión de futuro |
- Sala de computación estándar, prioridad de costes: canales rectos paralelos + sección rectangular + proceso de fresado de precisión
- Servidores de inteligencia artificial de alta potencia, prioridad de uniformidad de temperatura: microcanales serpentinos / ondulados
- Escenarios de supercomputación de flujo de calor ultraalto: matriz de aleta de alfiler / microcanales fractales de árbol
- Nuevo proyecto de planificación de envases de chips de próxima generación: tapa de microcanal integrada MLCP
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Microcanal paralelo recto (más común)
Apariencia: superficie metálica de cobre/aluminio, ranuras rectas uniformes uniformemente espaciadas
Ventajas: Fabricación sencilla, baja caída de presión, distribución uniforme del fluido
Aplicación: CPUs estándar, GPUs regulares, servidores generales de refrigeración de líquido
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Serpentina / microcanal en forma de S
Apariencia: ranuras conectadas continuamente dobladas en forma de S/bucle
Ventajas: mayor área de intercambio de calor, temperatura uniforme de la viruta; inconveniente: mayor caída de presión
Aplicación: GPU de alta potencia, tarjetas de acelerador de inferencia de IA
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Árbol / microcanal fractal (diseño vascular biónico)
Apariencia: textura jerárquica ramificada de varias etapas Y/H
Ventajas: distribución del flujo ultrauniforme, pocos puntos calientes, mínima diferencia de temperatura; inconvenientes: fabricación compleja
Aplicación: superordenadores, chips integrados 2.5D/3D apilados
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Array de micro pines (estructura porosa)
Apariencia: Pilares convexos cilíndricos/diamantes densos con una superficie fuerte cóncava-convexa
Ventajas: Máxima superficie específica y mayor intercambio de calor; inconvenientes: propensos a obstruirse, caída de presión alta
Aplicación: chips de flujo de calor ultraalto (> 400W/cm2), memoria HBM, aceleradores de IA de alto rendimiento
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Microcanal ondulado / ondulado
Apariencia: Paredes laterales irregulares del canal onduladas/zigzagueantes
Ventajas: mejor turbulencia del fluido, transferencia de calor aumentada en un 20~40%; inconveniente: caída de presión elevada
Aplicación: chips de potencia media y alta, placas de frío compactas de tamaño pequeño
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Tipo T / microcanal de división cruzada
Apariencia: Diseño escalonado de rejilla con flujo repetido dividido y fusionado
Ventajas: rompe repetidamente la capa límite térmica para una baja resistencia térmica; inconveniente: resistencia de flujo local desigual
Aplicación: envases de alta densidad, placas de frío integradas con múltiples chips
- Rectangular: cuadrados con muescas afiladas, diseño universal
- Trapezoidal: paredes laterales inclinadas en la parte superior ancha y en la parte inferior estrecha, baja caída de presión de la placa de frío estándar
- Circular / elíptica: pared interna lisa y redondeada, baja resistencia para sistemas de gran caudal
- Hexagonal: Disposición densa de panal, módulos integrados compactos
- Perfil reforzado especial: ranuras convexas internas y superficies curvas aerodinámicas, refrigeración personalizada de alta potencia
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Placa de frío de microcanal externo independiente
Forma: placa metálica independiente con puertos de entrada/salida, hardware modular desmontable
Ventajas: Fácil mantenimiento, tecnología madura y de bajo coste
Aplicación: modernización de centros de datos antiguos, servidores generales de refrigeración de líquido
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MLCP Tapa de microcanal a nivel de paquete
Forma: canales de flujo integrados en el interior del dispersor de calor del chip, con contorno idéntico al IHS estándar
Ventajas: elimina una sola capa de interfaz térmica, menor resistencia térmica, embalaje integrado en fábrica
Aplicación: GPU/CPU de alta potencia de nueva generación (por ejemplo, serie NVIDIA Rubin)
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Microcanal integrado en el chip
Forma: ranuras grabadas a escala de micrones dentro de la oblea/substrato de silicio, invisibles a simple vista
Ventajas: ruta de transferencia de calor más corta, contacto directo con la fuente de calor; inconvenientes: fabricación extremadamente compleja
Aplicación: IC 3D de vanguardia, chips de supercomputadoras, hardware de computación de alta densidad del futuro
- Mecanizado de precisión: cobre puro (tono rojo) / aluminio (plata), paredes de canal rectas y lisas
- Sementes de cobre/aluminio de múltiples capas, superficie plana sin costuras
- Impresión 3D de metal: acabado mate de cobre/acero inoxidable, textura de impresión en capas visibles, formación de canales complejos de una sola pieza
- Fotolitografía de silicio: superficie de silicio de espejo plateado, ranuras internas de precisión de micrones ultrafinas
