مواد الواجهة الحرارية لخوادم الذكاء الاصطناعي: كيفية اختيار TIM والتحقق من صحته

يمكنك هندسة حلقة التبريد السائلة الأكثر تقدمًا في العالم، ولكن إذا تم سد الفجوة المجهرية بين قالب السيليكون واللوحة الباردة بشكل سيئ، فسيفشل النظام بأكمله. سوف يؤدي حامل خادم الذكاء الاصطناعي الذي تبلغ قيمته 400000 دولار إلى اختناق دورات الحوسبة وإسقاطها والتعطل في النهاية بسبب تطبيق فاشل لمادة الواجهة الحرارية (TIM) بقيمة 2 دولار. بالنسبة لمهندسي المشتريات والميكانيكا الذين يقومون بتقييم البنى الحرارية، فإن إتقان اختيار TIM لا يقل أهمية عن تحديد سباكة المنشأة الموضحة في موقعنا التبريد السائل لخادم الذكاء الاصطناعي: الدليل الكامل.

يوفر هذا الدليل إطارًا صارمًا لاختيار TIM الذي يعتمد عليه مصممو خوادم الذكاء الاصطناعي. نحن نقوم بتحليل آليات الفشل الدقيقة للشحوم التقليدية في ظل أعباء عمل الذكاء الاصطناعي الشديدة، ونقارن المواد المتغيرة الطور مع المعادن السائلة، ونحدد كيفية التنقل في تفاوتات الارتفاع المعقدة للوحدات متعددة الرقائق. سوف تتعلم كيفية اختيار تكوينات مواد الواجهة الحرارية التي تتحمل التدوير الحراري المكثف وكيفية إنشاء خطة اختبار التحقق من الصحة قبل الموافقة على نظام للنشر الشامل.

1. الدور الحاسم لـ TIM في التبريد عالي الكثافة

على المستوى المجهري، لا يكون سطح قالب السيليكون ولا القاعدة النحاسية للوحة الباردة مسطحًا تمامًا. عند ضغطها معًا، تتلامس القمم المعدنية الصلبة، لكن الوديان المجهرية تظل مملوءة بالهواء. ونظرًا لأن الهواء يعتبر عازلًا حراريًا عميقًا، فإن هذه الفراغات الدقيقة تعمل كحاجز، حيث تحبس الحرارة داخل المعالج.

ومواد الواجهة الحرارية لخوادم الذكاء الاصطناعي موجودة فقط لتحل محل هذا الهواء. فهو يملأ الفراغات المجهرية بمركبات موصلة للحرارة، مما يضمن مسارًا مستمرًا للحرارة للهروب من السيليكون ودخول حلقة التبريد.

1.1 سمك خط السندات (BLT)

المقياس الأكثر أهمية في تطبيق TIM هو سمك خط السندات (BLT). هذه هي المسافة المادية بين مصدر الحرارة وأجهزة التبريد بمجرد تشديدها بالكامل.

تزداد المقاومة الحرارية مع زيادة BLT. لتحقيق أقصى قدر من أداء التبريد، فأنت تريد أنحف BLT ممكنًا. ومع ذلك، إذا كان BLT رقيقًا جدًا، فقد تحتك الأسطح المعدنية الصلبة ببعضها البعض، مما يؤدي إلى تشقق قالب السيليكون العاري الهش. أثناء قيامك بتخطيط المقاومة الحرارية الإجمالية لنظامك على نطاق أوسع نظرة عامة على التبريد السائل بتقنية الذكاء الاصطناعي ، يجب عليك حساب BLT الدقيق المطلوب لتحقيق التوازن بين الخلوص الميكانيكي الآمن مع الحد الأقصى من النقل الحراري.

1.2 التسطيح والضغط المتصاعد

لا يمكن لـ TIM التعويض عن الأجهزة المشوهة بشدة. يجب عليك تحديد استواء قاعدة اللوحة الباردة بمقدار 0.05 مم أو أفضل. يجب أن توفر أجهزة التثبيت (عادةً البراغي المقيدة المحملة بنابض) ضغطًا دقيقًا ومتساويًا عبر القالب - عادةً ما بين 20 إلى 40 رطل لكل بوصة مربعة اعتمادًا على عبوة السيليكون. إذا كان الضغط غير متساوٍ، فسوف ينضغط TIM من أحد الجانبين، مما يترك فجوة هوائية عازلة على الجانب الآخر.

2. فئات TIM الأساسية لسيليكون الذكاء الاصطناعي

يتطلب إجراء مقارنة مناسبة لمواد الواجهة الحرارية مطابقة الحالة المادية لـ TIM مع المكون المحدد الذي تقوم بتبريده.

 

2.1 الشحم الحراري (المعجون)

الشحوم الحرارية عبارة عن مركب سائل لزج، يتكون عادةً من قاعدة زيت السيليكون المحملة بكثافة بجزيئات موصلة للحرارة (مثل أكسيد الزنك أو أكسيد الألومنيوم أو الفضة).

·  استخدم الشحم الحراري عندما:  تقوم بإعداد النماذج الأولية، أو اختبار الأجهزة على طاولة مفتوحة، أو تبريد المعالجات ذات الطاقة المنخفضة باستخدام موزعات الحرارة المدمجة (IHS).

·  تجنب الشحم الحراري عندما:  تقوم بنشر مسرعات الذكاء الاصطناعي العارية في بيئات الإنتاج التي ستعمل لأكثر من ثلاث سنوات، وذلك بسبب مخاطر التدهور الشديدة التي تصاحب طول العمر.

2.2 مادة تغيير الطور (PCM)

مواد تغيير الطور هي منصات صلبة في درجة حرارة الغرفة. ومع ذلك، عندما يصل المعالج إلى درجة حرارة انتقالية محددة (عادة حوالي 45 درجة مئوية إلى 55 درجة مئوية)، تذوب اللوحة في سائل عالي اللزوجة. وهذا يسمح لها بالتدفق إلى الفراغات المجهرية تمامًا مثل الشحوم، مما يحقق مستوى منخفض للغاية من BLT. عندما يتم إيقاف تشغيل النظام، يتصلب PCM مرة أخرى.

·  استخدم PCM عندما:  تقوم بنشر وحدات معالجة الرسومات العارية عالية الكثافة في بيئات الإنتاج. يوفر PCM مقاومة حرارية منخفضة للغاية للشحوم ولكنه يتميز بموثوقية فائقة على المدى الطويل.

·  تجنب PCM عندما:  لا يصل المكون المستهدف أبدًا إلى درجة حرارة التحول. إذا ظلت شريحة الشبكة منخفضة الطاقة عند 40 درجة مئوية، فلن يذوب PCM أبدًا، وسيعمل بمثابة عازل حراري صلب.

3. إدارة الضخ والتجفيف والتدوير الحراري

عندما تقوم بتقييم كيفية اختيار مادة الواجهة الحرارية للمجموعات عالية القيمة، فإن اهتمامك الأساسي ليس هو الأداء طوال اليوم؛ إنه أداء العام الثالث. يعد تدهور TIM سببًا رئيسيًا للاختناق الحراري الموضعي في مراكز البيانات القديمة.

3.1 تأثير الضخ

تتميز أعباء عمل الذكاء الاصطناعي بأنها ديناميكية للغاية. أثناء تشغيل التدريب على التعلم العميق، ترتفع قوة وحدة معالجة الرسومات إلى 700 واط، مما يؤدي إلى تسخينها بسرعة. عند انتهاء المهمة، تنخفض الشريحة إلى حالة الخمول وتبرد.

نظرًا لأن قالب السيليكون واللوحة الباردة النحاسية لهما معاملات مختلفة للتمدد الحراري (CTE)، فإنهما يتمددان وينكمشان بمعدلات مختلفة أثناء تقلبات درجات الحرارة هذه. وهذا يخلق حركة قص مجهرية، مما يؤدي حرفيًا إلى فرك السطحين معًا. يؤدي تأثير 'الضخ' هذا إلى إخراج الشحوم الحرارية السائلة من مركز القالب بمرور الوقت، مما يترك السيليكون العاري وغير المبرد.

3.2 الجفاف ونزيف السيليكون

على مدى آلاف الساعات من التشغيل بدرجة حرارة عالية، يمكن أن يتبخر حامل زيت السيليكون الموجود في الشحوم الحرارية القياسية أو ينفصل عن جزيئات الحشو الموصلة. يؤدي ذلك إلى جفاف المعجون وتحوله إلى مسحوق طباشيري متشقق يمنع انتقال الحرارة.

توجيه القرار:

·  لمنع الضخ والجفاف:  قم بتفويض مواد تغيير المرحلة (PCM) لجميع قوالب حساب الذكاء الاصطناعي الأساسي. نظرًا لأن PCM يصبح مادة صلبة لزجة عالية اللزوجة في درجة حرارة الغرفة، فإنه يقاوم الضغط عليه أثناء مرحلة الانكماش البارد للدورة الحرارية.

4. حشوات الفجوات: معضلة الوسادة الحرارية مقابل الشحوم GPU

اللوحة الأم لخادم الذكاء الاصطناعي ليست مسطحة. توجد وحدة معالجة الرسومات المركزية الضخمة بجوار وحدات الذاكرة ذات النطاق الترددي العالي (HBM)، ووحدات تنظيم جهد توصيل الطاقة (VRMs)، ومفاتيح PCIe. تقع جميع هذه المكونات على ارتفاعات مختلفة قليلاً.

يجب أن تقوم لوحة تبريد سائلة صلبة واحدة بتبريد جميع هذه المكونات في وقت واحد. تعد إدارة 'تراكم التسامح' تحديًا هيكليًا أساسيًا تم تفصيله في إطار العمل الخاص بنا كيفية اختيار تبريد خادم AI.

4.1 سد التناقضات في الارتفاع

لا يمكنك استخدام PCM فائق النحافة أو الشحوم على المكونات التي تكون أقل بمقدار 1.5 مم من وحدة معالجة الرسومات. اللوحة الباردة ببساطة لن تلمسهم.

لسد الفجوات الكبيرة وغير المستوية، يجب عليك استخدام وسادات حرارية أو حشوات فجوات سائلة يمكن الاستغناء عنها. هذه المواد عبارة عن مواد مطاطية سميكة وقابلة للضغط محملة بسيراميك موصل.

·  الوسادات الحرارية:  مربعات سيليكون مقطوعة مسبقًا موضوعة فوق الذاكرة وأجهزة VRM. وهي قابلة للانضغاط بدرجة كبيرة (غالبًا ما يتم ضغط ما يصل إلى 30% من سمكها الأصلي) لاستيعاب اختلافات الارتفاع الميكانيكية دون تشقق المكونات الأساسية.

·  حشوات الفجوات التي يمكن الاستغناء عنها:  مركب سائل مكون من جزأين يتم توزيعه بواسطة ذراع آلية يتحول إلى مادة صلبة مطاطية ناعمة في مكانها.

4.2 القاعدة الذهبية لحشو الفجوات

تتمتع حشوات الفجوات بمقاومة حرارية أعلى بكثير من الشحوم الرقيقة جدًا أو PCMs.

توجيه القرار:

·  استخدم PCM رفيعًا (0.2 مم) في:  قالب السيليكون الأساسي عالي التدفق الحراري.

·  استخدم وسادات حرارية سميكة (1.0 مم - 3.0 مم) على:  المكونات الطرفية مثل VRMs والذاكرة. لا تحاول أبدًا استخدام وسادة حرارية سميكة على وحدة معالجة الرسومات بقوة 700 واط؛ سوف تسبب المقاومة الحرارية اختناقًا فوريًا.

5. المعدن السائل: الأداء الفائق والمخاطر الكارثية

مع اقتراب TDPs أحادية الشريحة من 1200 واط، تبدأ أجهزة PCM التقليدية القائمة على السيليكون في العمل بمثابة اختناقات حرارية. ولتحقيق أدنى مقاومة حرارية على الإطلاق، يلجأ المهندسون إلى المعدن السائل.

المعادن السائلة هي سبائك تتكون أساسًا من الغاليوم والإنديوم والقصدير. وتظل سائلة في درجة حرارة الغرفة وتتميز بوصلات حرارية تتراوح بين 70 و80 وات/م · كلفن - أي ما يقرب من عشر مرات أعلى من الشحوم الحرارية الممتازة.

5.1 ميزة التوصيلية الكهربية

ونظرًا لأن المعدن السائل يتدفق بسهولة في درجة حرارة الغرفة، فإنه يحقق سمك خط ربط غير محسوس تقريبًا. فهو يبلل السيليكون واللوحة الباردة بشكل مثالي، ويستخرج تدفقات الحرارة الشديدة التي من شأنها أن تطغى على البوليمرات القياسية.

5.2 المخاطر المسببة للتآكل والكهرباء

إن نشر المعدن السائل في مركز بيانات تجاري أمر محفوف بالمخاطر الميكانيكية.

1. القصر الكهربائي:  المعدن السائل موصل للغاية للكهرباء. إذا انسكبت قطرة صغيرة من القالب أثناء التطبيق أو اهتزت أثناء الشحن، فسوف تؤدي إلى قصر المكثفات المجهرية المثبتة على السطح المحيطة بوحدة معالجة الرسومات، مما يؤدي إلى تدمير المعالج الذي تبلغ قيمته عدة آلاف من الدولارات على الفور.

2. التآكل الجلفاني:  يؤدي الغاليوم إلى تآكل الألمنيوم بقوة، مما يؤدي إلى تدميره في ساعات. علاوة على ذلك، يختلط الغاليوم بسهولة مع النحاس العاري، مما يتسبب في جفاف المعدن السائل وامتصاصه في اللوحة الباردة مع مرور الوقت.

توجيه القرار:

·  استخدم المعدن السائل عندما:  تقوم بتبريد السيليكون المخصص الذي يتجاوز 1200 واط لكل قالب، ويتسبب PCM القياسي في تجاوز الشريحة TjMax.

·  في حالة استخدام المعدن السائل، يجب عليك:  استخدام حواجز احتواء صارمة (سدود الرغوة أو الطلاء المطابق فوق المكثفات) وفرض ألواح باردة من النحاس المطلي بالنيكل لمنع امتصاص الغاليوم. لفهم المتطلبات المعدنية لهذه اللوحات المتخصصة، قم بمراجعة موقعنا دليل اللوحة الباردة لرف الخادم AI.

6. تطوير خطة اختبار التحقق من صحة وموثوقية TIM

يجب ألا يقبل مهندسو المشتريات مطلقًا مطالبات ورقة بيانات الشركة المصنعة لـ TIM بالقيمة الاسمية. تفرض بيئات مراكز البيانات ضغوطًا مميزة تتجاهلها اختبارات ورقة البيانات. قبل الموافقة على TIM للطرح الشامل للخادم، يجب عليك تشغيل خطة اختبار الموثوقية المادية على قالب حراري وهمي.

6.1 اختبارات ركوب الدراجات

يقوم هذا باختبار مقاومة TIM للضخ.

·  الإجراء:  قم بتثبيت اللوحة الباردة على سخان وهمي باستخدام TIM المرشح. قم بتدوير السخان من 20 درجة مئوية إلى 100 درجة مئوية ثم قم بتشغيل 1000 دورة متواصلة.

·  معايير النجاح:  المقاومة الحرارية ($R_{th}$) المقاسة في الدورة 1000 يجب ألا تتحلل بأكثر من 10% مقارنة بالدورة 1.

6.2 التخزين بدرجة حرارة عالية (اختبار الخبز)

يقوم هذا باختبار مقاومة TIM للجفاف وفصل السيليكون.

·  الإجراء:  ضع اللوحة الباردة المجمعة والسخان الوهمي في غرفة بيئية مضبوطة على 125 درجة مئوية لمدة 1000 ساعة متواصلة.

·  معايير النجاح:  يجب ألا يتشقق TIM، أو يتحول إلى مسحوق، أو ينزف زيت السيليكون خارج حواف القالب.

6.3 اختبار الإجهاد شديد السرعة (HAST)

يختبر هذا مقاومة TIM للرطوبة المحيطة والتدهور البيئي.

·  الإجراء:  ضع التجميع في غرفة بيئية عند درجة حرارة 85 درجة مئوية ورطوبة نسبية 85% (اختبار 85/85) لمدة 1000 ساعة.

·  معايير النجاح:  تأكد من عدم اختراق الرطوبة لخط رابط TIM، مما قد يتسبب في التصفيح وفقدان الاتصال الحراري بشكل كارثي.

 

7. الاستنتاج

تعد مادة الواجهة الحرارية لخوادم الذكاء الاصطناعي هي الحلقة الأكثر ضعفًا في بنية التبريد السائل لديك. سيؤدي اختيار المركب الخاطئ إلى شل كفاءة وحدات توزيع سائل التبريد باهظة الثمن والمشعبات والألواح الباردة. من خلال التخلي عن الشحوم الحرارية القديمة لصالح مواد تغيير الطور المستقرة للغاية، وإدارة تفاوتات الارتفاع الطرفية بشكل صحيح باستخدام وسادات الفجوات، وتنفيذ اختبارات صارمة للتحقق من صحة الضخ، يساعد في الحفاظ على واجهة حرارية موثوقة طوال فترة الخدمة المقصودة.

يتطلب تحديد TIM الصحيح مراجعة تفصيلية لتغليف المعالج لديك، واستواء اللوحة الباردة، وضغط التركيب، وتفاوتات الواجهة. اتصل بفريق الهندسة الحرارية لدينا

 لمراجعة التصميم الميكانيكي الخاص بك، وتقييم تكديس التسامح، واختيار مواد الواجهة الحرارية المناسبة لنشر التبريد السائل عالي الكثافة.

 

الأسئلة المتداولة

ماذا يعني W/m·K في مواد الواجهة الحرارية؟

الواط لكل متر-كلفن (W/m·K) هو قياس التوصيل الحراري. يشير الرقم الأعلى إلى أن المادة تنقل الحرارة بشكل أكثر كفاءة. غالبًا ما تكون الوسادات الحرارية القياسية من 3 إلى 8 واط/م·ك، بينما تتجاوز المعادن السائلة 70 واط/م·ك.

هل يمكنني إعادة استخدام مادة تغيير الطور (PCM) إذا قمت بإزالة اللوحة الباردة؟

لا. بمجرد فك اللوحة الباردة من المعالج، ينكسر الرابط الحراري المستمر. إذا قمت بإعادة تثبيت اللوحة، فسوف تصبح فقاعات الهواء المجهرية محاصرة في طبقة PCM المضطربة. يجب عليك استخدام مذيب متخصص لمسح PCM القديم تمامًا وتطبيق طبقة جديدة قبل إعادة التجميع.

هل من الأفضل تطبيق TIM على المعالج أم على اللوحة الباردة؟

بالنسبة للإنتاج الضخم، يتم تطبيق PCM بشكل عام مباشرة على قاعدة اللوحة الباردة في المصنع عبر طباعة الاستنسل الآلية. وهذا يضمن سماكة موحدة تمامًا ويقلل من خطر إتلاف قالب السيليكون الهش أثناء التطبيق اليدوي.

لماذا يكون أداء لوح التبريد الخاص بي أسوأ إذا قمت بربط البراغي بقوة أكبر؟

يمكن أن تؤدي براغي اللوحة الباردة المفرطة في التشديد إلى ثني أو تشويه اللوحة المعدنية، مما يؤدي إلى رفع مركز النحاس بعيدًا عن مركز قالب السيليكون. يؤدي هذا إلى زيادة سمك خط السندات في المركز حيث يتم توليد معظم الحرارة، مما يتسبب في اختناق المعالج على الرغم من الضغط المتزايد على الحواف.

ما هو TIM1 مقابل TIM2؟

يشير TIM1 إلى المادة الحرارية الموضوعة بين قالب السيليكون العاري وموزع الحرارة المدمج (IHS) الذي تم تثبيته بواسطة الشركة المصنعة للرقاقة (مثل Intel أو AMD). يشير TIM2 إلى المادة التي تقوم بتطبيقها بين IHS وأجهزة التبريد الخاصة بك (مثل لوحة التبريد السائلة). لا تحتوي العديد من وحدات معالجة الرسوميات الحديثة التي تعمل بالذكاء الاصطناعي على IHS، مما يعني أن لوح التبريد الخاص بك ينطبق مباشرة على القالب، ويعمل كطبقة TIM1/TIM2 مدمجة.