مع تزايد الطلب على الذكاء الاصطناعي (AI) وتحسين كثافة الطاقة، تواجه مراكز البيانات تحديات غير مسبوقة في الإدارة الحرارية. مطلوب مراقبة دقيقة لدرجة الحرارة في الوقت الحقيقي لتحسين الأداء والكفاءة مع منع ارتفاع درجة الحرارة. يجب أن تكون حلول الكشف هذه دقيقة وسريعة الاستجابة وقوية وقادرة على التعامل مع الأحمال الحرارية المتغيرة بسرعة على الأجهزة عالية الحساسية.
سوف تستكشف هذه المقالة تحديات الإدارة الحرارية التي يواجهها مصممو مراكز بيانات الذكاء الاصطناعي المعاصرون، وستقدم تحليلاً مفصلاً لأنظمة التبريد المختلفة، بما في ذلك تكييف الهواء، والتبريد الغاطس، وحلول الإدارة الحرارية. بعد ذلك، قم بتقديم حلول الثرمستور لمعامل درجة الحرارة السلبية (NTC) الخاصة بـ EPCOS (TDK) وشرح كيفية الاستفادة من هذه الحلول لمواجهة تحديات الإدارة الحرارية.
لماذا ستجلب مراكز بيانات الذكاء الاصطناعي تحديات جديدة للإدارة الحرارية؟
عادةً ما تستهلك أجهزة الذكاء الاصطناعي، مثل وحدات معالجة الرسومات (GPUs) ووحدات معالجة الموتر (TPUs) طاقة أكبر بكثير من وحدات المعالجة المركزية التقليدية (CPUs). لذلك، غالبًا ما تتمتع مراكز البيانات التي تركز على الذكاء الاصطناعي بكثافة طاقة عالية نسبيًا ونقاط اتصال مركزة، مما يجعل من الصعب إدارتها باستخدام طرق التبريد التقليدية.
والأسوأ من ذلك أن أعباء عمل الذكاء الاصطناعي غالبًا ما تتباين بشكل كبير، وأثناء التدريب المعزز أو عمليات الاستدلال، قد ترتفع الأحمال الحرارية بسرعة. إذا لم يتم تنفيذ الإدارة الحرارية المناسبة، فقد تؤدي هذه المواقف إلى تدهور الأداء، ووقت التوقف غير المخطط له، وتدهور تسريع الأجهزة.
ولتلبية هذه المتطلبات الناشئة، يجب اعتماد طرق تبريد أكثر تقدمًا لمراكز البيانات. يعد التبريد المباشر للرقاقة طريقة تبريد شائعة. تعمل هذه التقنية على محاذاة أنابيب التبريد أو الألواح الباردة أو المبادلات الحرارية مباشرةً مع الأجهزة عالية الطاقة مثل وحدات المعالجة المركزية (CPUs) ووحدات معالجة الرسومات (GPU) والذاكرة. بالإضافة إلى ذلك، يمكن أيضًا اختيار طريقة التبريد بالغمر، والتي تتضمن غمر الخادم بأكمله في سائل غير موصل.
يخضع تكييف الهواء أيضًا لترقيات مختلفة. على سبيل المثال، يمكن لوحدات التبريد بين الصفوف ووحدات التبريد المدمجة في الخزانات توفير تبريد المنطقة على أساس نظام تكييف الهواء الشامل لغرفة الكمبيوتر، أي الاستجابة في الوقت الفعلي لمشاكل الحرارة الزائدة المحلية.
على الرغم من اختلاف الظروف المحددة لأنظمة التبريد هذه، إلا أنها جميعها تدفع الطلب على مراقبة درجة الحرارة مع توزيع أوسع واستجابة أسرع. تأخذ هذه المقالة نظام تبريد الشريحة المتصل مباشرة كمثال. يجب أن تكون كل شريحة مستهدفة مجهزة بمستشعر المشتت الحراري لضمان الحفاظ على معايير درجة الحرارة. من الضروري مراقبة تدفق سائل التبريد من خلال أجهزة الاستشعار المثبتة على خط الأنابيب، ويجب تركيب أجهزة استشعار أخرى على جهاز توزيع سائل التبريد والمبادل الحراري لضمان التشغيل الفعال للنظام.
مزايا أجهزة الاستشعار الثرمستور NTC في تطبيقات مراكز البيانات
يمكن للثرمستورات NTC تلبية جميع هذه المتطلبات. كما يوحي الاسم، فإن مقاومة أجهزة استشعار NTC تتناقص مع زيادة درجة الحرارة. أما بالنسبة للثرمستورات NTC، يتم تحقيق ذلك من خلال عنصر سيراميك أكسيد حساس للحرارة صغير ومحاط بغلاف معدني واقي أو غلاف من راتنجات الإيبوكسي.
يوضح الشكل 1 منحنى مقاومة درجة الحرارة النموذجي للثرمستور بمقاومة مقدرة تبلغ 2-5 كيلو أوم عند 25 درجة مئوية. كما هو موضح في الشكل، كلما زادت المقاومة، كلما كان الثرمستور أكثر ملاءمة لتطبيقات درجات الحرارة العالية لأن التغير في المقاومة أسهل في القياس.
رسم بياني منحنى مقاومة درجات الحرارة النموذجي
الشكل 1: منحنى مقاومة درجة الحرارة النموذجي للثرمستور بقيمة تقديرية تتراوح من 2 كيلو أوم إلى 5 كيلو أوم عند 25 درجة مئوية. (مصدر الصورة: EPCOS (TDK))
تشمل المزايا التي توفرها الثرمستورات NTC لمراكز بيانات الذكاء الاصطناعي
دقة عالية واستجابة سريعة: حساسة للغاية للتغيرات الطفيفة في درجات الحرارة، ونظرًا للكتلة الحرارية الصغيرة، تكون سرعة الاستجابة سريعة. تمكن هذه الميزات الثرمستورات NTC من تلبية المتطلبات الحرارية المتقلبة بسرعة لمراكز بيانات الذكاء الاصطناعي بشكل فعال.
المتانة والثبات: مصنوع من مواد متينة، ويتميز بموثوقية ممتازة على المدى الطويل وأقل مقاومة للانجراف بمرور الوقت. ويقلل هذا الاستقرار من متطلبات الصيانة ويقلل من مخاطر التوقف غير المتوقع إلى أقصى حد ممكن.
حجم صغير وتركيب مرن: نظرًا لصغر حجمه، يمكن دمجه بسهولة في بيئات مراكز البيانات كثيفة الأجهزة ذات المساحة المحدودة. تتميز بأشكال مختلفة، ويمكنها تلبية الاحتياجات المتنوعة لأنظمة التبريد في مراكز بيانات الذكاء الاصطناعي.
تجسد سلسلة الثرمستور EPCOS NTC هذه المزايا بشكل كامل. تشتمل سلسلة المنتجات هذه على حلول لمراقبة المشعات وخطوط الأنابيب وأنظمة التبريد المغمورة ووحدات معالجة الهواء.
مراقبة المكونات عالية الطاقة باستخدام الثرمستورات NTC المثبتة على المشتتات الحرارية
تتطلب المعالجات عالية الطاقة مثل وحدات معالجة الرسومات ووحدات TPU مراقبة حرارية صارمة للحفاظ على الأداء ومنع ارتفاع درجة الحرارة. يتم استخدام B57703M0103G040 (الشكل 2) للتثبيت المباشر على المشتت الحراري، مما يجعله مناسبًا جدًا لهذه المهمة. يقوم هذا المستشعر الثابت اللولبي بتغليف الثرمستور NTC في غلاف معدني مع آذان حلقية بارزة.
EPCOS B57703M0103G040 الثرمستور الطرفي الحلقي
الشكل 2: يمكن أن يحقق الثرمستور الحلقي B57703M0103G040 مراقبة دقيقة لدرجة حرارة المشتتات الحرارية للمعالج عالي الطاقة. (مصدر الصورة: EPCOS (TDK))
يعد تصميم أجهزة الاستشعار الثابتة اللولبية مريحًا ومهمًا، مما يضمن اقترانًا حراريًا جيدًا مع سطح المشتت الحراري وضغط اتصال ثابت، وبالتالي تقليل المقاومة الحرارية وتحسين دقة القياس عندما يتغير الحمل بسرعة.
اجتاز المستشعر اختبار ثبات طويل الأمد لمدة 10000 ساعة عند درجة حرارة +70 درجة مئوية ويمكن استخدامه في ظروف درجات الحرارة المرتفعة الشائعة في أعباء عمل مركز بيانات الذكاء الاصطناعي. تبلغ المقاومة المقدرة للمستشعر عند +25 درجة مئوية 10 كيلو أوم، مما يوفر أساسًا موثوقًا لقياس درجات حرارة التشغيل الأعلى وردود فعل دقيقة لنظام التحكم في درجة الحرارة.
مراقبة خطوط أنابيب التبريد السائل باستخدام الثرمستورات NTC
تعتمد أنظمة التبريد السائلة على الإمداد المستمر بسائل التبريد عند درجة حرارة مناسبة. B58100A0506A000 (الشكل 3) عبارة عن ثرمستور NTC بقدرة 10 كيلو أوم يمكن تثبيته بسرعة على خطوط الأنابيب وهو خيار مثالي لمراقبة خطوط إمداد سائل التبريد. يمكن تثبيت هذا المكون المقولب مباشرة على الأنابيب التي يتراوح قطرها من 18 مم إلى 19 مم، أو يمكن تكييفه مع أحجام أخرى من الأنابيب وفقًا لحالات التثبيت المختلفة. يمكن توصيل جهات الاتصال المحدبة المدمجة مباشرة بمعدات المراقبة.