Perkembangan pesat komputasi AI mendorong prosesor server menuju konsumsi daya yang lebih tinggi dan kepadatan fluks panas yang lebih besar. Seiring komputasi berbasis GPU menjadi semakin penting untuk pelatihan dan inferensi AI, manajemen termal tidak lagi sekadar memilih heatsink yang lebih besar. Antarmuka termal antara sumber panas dan struktur pendingin dapat berdampak signifikan pada kinerja sistem secara keseluruhan.

Untuk server AI berdensitas tinggi, komponen yang berbeda menghasilkan tingkat panas yang berbeda dan memiliki geometri antarmuka yang berbeda. Paket GPU dan CPU mungkin memerlukan resistansi termal yang sangat rendah, sementara memori dan komponen tambahan mungkin memerlukan material yang tipis dan dapat menyesuaikan diri. Komponen daya PCB mungkin memerlukan konduktivitas termal dan isolasi listrik, sementara struktur tingkat sistem mungkin mendapat manfaat dari penyebaran panas lateral.

Studi kasus pelanggan ini menunjukkan bagaimana kombinasi TIM logam cair, material perubahan fasa, bantalan termal, dan material antarmuka termal berbasis grafena dapat digunakan untuk membangun strategi manajemen termal multi-tingkat untuk sistem komputasi AI berdensitas tinggi.

Server AI modern mengintegrasikan beberapa GPU, CPU, perangkat memori, komponen daya, dan elemen penghasil panas berkinerja tinggi lainnya ke dalam ruang yang relatif ringkas.

Ini menciptakan beberapa tantangan termal.

Prosesor berkinerja tinggi menghasilkan panas terkonsentrasi di area yang relatif kecil. Seiring peningkatan konsumsi daya GPU, resistansi termal antara chip dan struktur pendingin menjadi semakin penting.

Bahkan ketika cold plate atau heatsink memiliki kapasitas pendinginan yang memadai, antarmuka yang dirancang dengan buruk dapat membatasi perpindahan panas.

Arsitektur server AI berisi komponen dengan ketinggian paket dan geometri permukaan yang berbeda. Celah kecil antara komponen penghasil panas dan struktur pendinginnya dapat menimbulkan kantong udara, meningkatkan resistansi termal.

Oleh karena itu, TIM harus memberikan kesesuaian dan pengisian celah yang cukup tanpa menimbulkan ketebalan material yang tidak perlu.

Komponen daya dan rakitan PCB mungkin memerlukan manajemen termal sambil mempertahankan isolasi listrik. Material dengan konduktivitas termal tinggi saja mungkin tidak cukup.

Kepatuhan mekanis, kinerja kompresi, metode perakitan, dan sifat dielektrik mungkin juga perlu dipertimbangkan.

Beberapa GPU yang beroperasi secara bersamaan dapat menciptakan zona termal terkonsentrasi. Jika panas tidak dapat didistribusikan secara efektif, hotspot lokal dapat berkembang di heatsink, sasis, atau struktur termal lainnya.

Hal ini menjadikan penyebaran panas sebagai bagian penting dari desain termal server AI secara keseluruhan.

Alih-alih menggunakan satu TIM untuk setiap komponen, proyek ini mengadopsi strategi material spesifik aplikasi.

Setiap antarmuka termal dievaluasi berdasarkan panas yang dihasilkan, celah antarmuka, target resistansi termal, persyaratan mekanis, dan persyaratan listrik.

Arsitektur yang dihasilkan menggabungkan empat teknologi TIM yang berbeda:

Pendekatan ini memungkinkan setiap material untuk melakukan fungsi yang paling cocok.

GPU dan CPU biasanya merupakan komponen yang paling menuntut secara termal di server AI.

Untuk antarmuka ini, tujuan utamanya adalah meminimalkan resistansi termal antara paket semikonduktor dan struktur pendingin.

Proyek ini menggunakan TIM logam cair Seri TIG78 untuk antarmuka berdaya tinggi.

Menurut data kasus yang diberikan, material ini menyediakan:

• Konduktivitas termal hingga 78 W/m·K

• Impedansi termal yang dilaporkan serendah 0,02 °C·in²/W

• Rentang suhu operasi -45°C hingga 200°C

Kombinasi konduktivitas termal tinggi dan impedansi termal rendah yang dilaporkan membantu membangun jalur perpindahan panas yang efisien dari prosesor ke heatsink atau struktur pendingin.

TIM logam cair dapat sangat menarik untuk aplikasi berdaya tinggi di mana setiap peningkatan resistansi termal antarmuka penting.

Namun, insinyur juga harus mempertimbangkan isolasi listrik, kompatibilitas material, proses aplikasi, penahanan, dan keandalan jangka panjang saat merancang antarmuka logam cair.

Tidak semua antarmuka termal di server AI memerlukan resistansi termal yang sangat rendah yang terkait dengan logam cair.

Memori dan komponen tambahan sering kali memiliki persyaratan termal yang berbeda dan mungkin mendapat manfaat dari material antarmuka yang sangat tipis yang mampu menyesuaikan diri dengan permukaan yang saling bersentuhan.

Material perubahan fasa TIC800 dipilih untuk aplikasi ini.

Spesifikasi yang diberikan meliputi:

• Konduktivitas termal: 5,0 W/m·K

• Rentang ketebalan: 0,102–0,305 mm

Selama operasi, perilaku perubahan fasa memungkinkan material untuk menyesuaikan diri dengan antarmuka dalam kondisi yang sesuai, membantu meminimalkan celah udara mikroskopis.

Untuk arsitektur server AI yang ringkas, antarmuka perubahan fasa yang tipis dapat memberikan keseimbangan praktis antara kinerja termal, kesesuaian antarmuka, dan integrasi tingkat paket.

Persyaratan manajemen termal berbeda di sekitar elektronik daya dan komponen PCB.

Area ini mungkin memiliki permukaan yang tidak teratur atau variasi ketinggian komponen dan mungkin juga memerlukan isolasi listrik.

Bantalan termal TIF800TU-16W digunakan untuk aplikasi ini.

Data produk yang diberikan melaporkan:

• Konduktivitas termal: 16 W/m·K

• Kekerasan: 45 Shore 00

• Pilihan ketebalan: 0,5–5,0 mm

• Karakteristik isolasi termal dan listrik

Dibandingkan dengan logam cair, bantalan termal menyediakan antarmuka keadaan padat yang lebih nyaman untuk aplikasi di mana pengisian celah, kepatuhan mekanis, isolasi, dan efisiensi perakitan penting.

Kemampuan untuk memilih ketebalan yang berbeda juga memungkinkan material untuk mengakomodasi celah komponen-ke-heatsink yang berbeda.

Mengelola panas pada antarmuka chip-ke-heatsink hanyalah sebagian dari tantangan termal.

Dalam sistem AI berdensitas tinggi, panas lokal juga dapat menumpuk di heatsink, struktur sasis, dan bagian lain dari jalur termal.

Untuk aplikasi ini, material antarmuka termal berbasis grafena dapat memberikan fungsi penyebaran panas tambahan.

Data proyek yang diberikan melaporkan konduktivitas termal di bidang hingga:

130 W/m·K

Tujuan utamanya bukan hanya untuk mentransfer panas secara vertikal melalui antarmuka. Sebaliknya, konduktivitas termal di bidang yang tinggi membantu mendistribusikan panas lokal ke area yang lebih besar.

Aplikasi potensial meliputi:

• Pelat dasar heatsink

• Penyebaran termal sasis

• Sistem multi-GPU

• Manajemen hotspot lokal

• Penyetaraan suhu

Karena material termal berbasis grafena dapat menunjukkan perilaku termal anisotropik, insinyur harus mengevaluasi kinerja termal di bidang dan melalui bidang sesuai dengan arah aliran panas yang sebenarnya.

Kesalahan umum dalam desain termal adalah memilih TIM hanya berdasarkan konduktivitas termalnya.

Dalam kenyataannya, kinerja termal bergantung pada antarmuka yang lengkap.

Misalnya, material dengan konduktivitas termal yang sangat tinggi mungkin bukan pilihan terbaik jika aplikasi memerlukan:

• Pengisian celah besar

• Isolasi listrik

• Kompresibilitas tinggi

• Perakitan mudah

• Kesesuaian permukaan yang kompleks

• Dispensing otomatis

• Stres mekanis rendah

Sebaliknya, bantalan termal dengan konduktivitas termal sedang mungkin lebih sesuai untuk komponen daya PCB jika isolasi listrik dan kompensasi celah sangat penting.

Oleh karena itu, proses pemilihan harus dimulai dengan persyaratan antarmuka termal, daripada hanya menanyakan TIM mana yang memiliki nilai W/m·K tertinggi.

Strategi pemilihan yang disederhanakan untuk manajemen termal server AI adalah:

Pertimbangkan TIM resistansi rendah seperti logam cair ketika aplikasi mendukung kondisi listrik, mekanis, kompatibilitas, dan keandalan yang diperlukan.

Material perubahan fasa dapat memberikan antarmuka tipis dan dapat menyesuaikan diri untuk celah yang terkontrol.

Bantalan termal dapat memberikan kombinasi transfer termal, isolasi listrik, pengisian celah, dan kepatuhan mekanis.

Material antarmuka termal berbasis grafena dapat membantu mendistribusikan panas secara lateral dan mengurangi konsentrasi suhu.

Ini menciptakan arsitektur termal di mana setiap material memiliki peran yang jelas.

Menurut materi proyek yang diberikan, solusi manajemen termal dievaluasi dalam aplikasi pusat data AI dan komputasi cerdas.

Satu proyek server AI yang dilaporkan untuk penyedia layanan cloud mencapai:

Suhu chip: 88°C → 65°C

Materi kasus yang sama melaporkan peningkatan kinerja komputasi sebesar 28%.

Dalam proyek optimalisasi pendinginan pusat komputasi cerdas lainnya, data yang diberikan melaporkan:

PUE: 1,42 → 1,08

Materi proyek juga melaporkan penghematan listrik tahunan lebih dari 5 juta kWh.

Untuk server AI berkinerja tinggi yang dikembangkan sendiri, materi kasus yang diberikan melaporkan:

• 10.000 jam operasi berkelanjutan

• Fluktuasi suhu ≤ ±2°C

• Nol kegagalan yang dilaporkan

Angka-angka ini harus diverifikasi terhadap kondisi pengujian yang berlaku, laporan pengujian, persetujuan pelanggan, dan spesifikasi produk akhir sebelum publikasi eksternal.

Pelajaran terpenting dari proyek ini adalah bahwa manajemen termal server AI perlu dipertimbangkan sebagai jalur termal yang lengkap.

Sistem pendinginan lebih dari sekadar GPU dan cold plate.

Ini juga termasuk:

Semikonduktor → TIM → Heat Spreader / Cold Plate → Heat Sink → Sasis → Sistem Pendinginan

Setiap resistansi termal yang signifikan dalam jalur ini dapat memengaruhi suhu sistem akhir.

Inilah sebabnya mengapa teknologi TIM yang berbeda dapat bekerja sama dalam server yang sama.

Logam cair dapat mengurangi resistansi termal pada antarmuka chip berdaya tinggi.

Material perubahan fasa dapat memberikan antarmuka yang tipis dan dapat menyesuaikan diri.

Bantalan termal dapat mengakomodasi celah yang lebih besar sambil memberikan isolasi listrik.

Material berbasis grafena dapat menyebarkan panas secara lateral dan meningkatkan keseragaman suhu.

Bersama-sama, teknologi ini memberikan pendekatan yang lebih fleksibel untuk manajemen termal server AI berdensitas tinggi.

Strategi termal multi-material yang dirancang dengan baik dapat memberikan beberapa manfaat:

• Resistansi Termal Antarmuka Lebih Rendah

• Kompensasi Celah Lebih Baik

• Keamanan Listrik Lebih Baik

• Keseragaman Suhu Lebih Baik

• Fleksibilitas Desain Lebih Besar

Seiring server AI terus berkembang menuju kepadatan daya GPU yang lebih tinggi, arsitektur yang ringkas, dan sistem pendinginan canggih, material antarmuka termal akan memainkan peran yang semakin penting dalam menjaga kinerja komputasi dan keandalan sistem.

Kuncinya bukan hanya memilih TIM dengan konduktivitas termal tertinggi.

Solusi manajemen termal yang sukses harus mempertimbangkan kombinasi lengkap dari:

Konduktivitas Termal + Resistansi Termal + Celah + Kompresi + Isolasi Listrik + Proses Perakitan + Keandalan

Dalam proyek pelanggan ini, kombinasi TIM logam cair, material perubahan fasa, bantalan termal konduktivitas termal tinggi, dan material antarmuka termal berbasis grafena digunakan untuk mengatasi antarmuka termal yang berbeda di seluruh server AI berdensitas tinggi.

Pendekatan spesifik aplikasi ini menyediakan jalur yang fleksibel untuk mengelola hotspot tingkat chip dan distribusi panas tingkat sistem, mendukung pengembangan berkelanjutan infrastruktur komputasi AI berkinerja tinggi.

Tidak ada TIM terbaik universal. Untuk antarmuka GPU-ke-pendinginan berdaya tinggi, material resistansi termal rendah seperti logam cair dapat dipertimbangkan ketika aplikasi memenuhi kondisi listrik, mekanis, kompatibilitas, dan keandalan yang diperlukan.

Bantalan termal tetap berguna untuk antarmuka yang memerlukan pengisian celah, isolasi listrik, kepatuhan mekanis, dan perakitan yang nyaman. Mereka sangat cocok untuk aplikasi komponen PCB dan daya.

Material perubahan fasa dapat memberikan antarmuka tipis sambil meningkatkan kesesuaian dengan permukaan yang saling bersentuhan dalam kondisi operasi yang sesuai. Mereka dapat berguna untuk memori dan antarmuka komponen ringkas lainnya.

Material antarmuka termal berbasis grafena dapat digunakan untuk penyebaran panas lateral dan penyetaraan suhu. Konduktivitas termal di bidangnya yang tinggi membuatnya sangat menarik untuk manajemen hotspot dan distribusi termal tingkat sistem.

Ketebalan TIM harus didasarkan pada celah antarmuka aktual, toleransi komponen, kompresi yang diperlukan, dan rentang aplikasi yang direkomendasikan produsen. Terlalu sedikit material dapat meninggalkan celah udara, sementara ketebalan berlebihan dapat meningkatkan resistansi termal.

Ya. Komponen yang berbeda memiliki persyaratan termal dan mekanis yang berbeda. Strategi multi-TIM dapat menggabungkan logam cair, material perubahan fasa, bantalan termal, gel termal, dan material berbasis grafena di berbagai bagian arsitektur termal yang sama.

ZIITEK menyediakan berbagai teknologi antarmuka termal dan dapat mengevaluasi pemilihan TIM berdasarkan konduktivitas termal, resistansi termal, celah, kekerasan, isolasi listrik, proses perakitan, suhu operasi, dan persyaratan keandalan.