Datacenters 5x goedkoper te koelen met vloeistofstraalcontactkoeling

Geplaatst op 04 maart 2019 om 12:27 uur
Datacenters 5x goedkoper te koelen met vloeistofstraalcontactkoeling
Aan het koelen van elektronica in grote datacenters hangt een stevig prijskaartje. Naar schatting is bijna de helft van de elektriciteitsrekening bestemd voor het voeden van de ventilatoren voor luchtkoeling. Bovendien bereikt luchtkoeling al snel zijn capaciteitslimiet bij toenemende energie-intensieve applicaties en serverdichtheden en hebben serverruimtes onvoldoende plaats voor de grote ventilatoren. Vloeibare koelmiddelen winnen daardoor aan belang om tegemoet te komen aan almaar groeiende koel- en plaatsnood.

Veel grote datacenters maken de sprong van lucht- naar vloeistofkoeling. En hoewel de overgang nu al een aanzienlijke verbetering van de koelingsefficiëntie betekent, is er nog veel te winnen in het ontwerp van de koeler.

 

Koude platen

De meest gangbare methode van vloeistofkoeling is via het gebruik van 'koude platen'. Deze metalen platen met stroombanen geleiden vloeistoffen en worden direct op de chip gelijmd. Nadelen hiervan zijn de aanwezigheid van de lijm als thermisch interfacemateriaal (Tim), waardoor een vaste thermische weerstand wordt gecreëerd, en de vorming van een temperatuurgradiënt over het chipoppervlak. Vooral de lijmlaag vormt een echt thermisch knelpunt voor de warmteafvoer dat niet kan worden verholpen door verdere optimalisatie van de koeler zelf.

 

Vloeistofstraalcontactkoeling

Vloeistofstraalcontactkoeling (‘liquid jet impingement cooling') kan een oplossing zijn. Door de achterkant van de chip te openen en direct contact tussen het vloeibare koelmiddel en de chip mogelijk te maken, wordt de Tim-thermische weerstand vermeden. Bovendien zorgt het verticale contact ervoor dat alle vloeistof die het chipoppervlak raakt, dezelfde inlaattemperatuur heeft.


De matrix van sproeiers bestaat uit inlaten en uitlaten verdeeld over de sproeierplaat. De inlaatbuizen in het inlaatplenum voeden de vloeistof in de individuele inlaatsproeiers, terwijl de uitlaatbuizen in de bovenstaande laag de uitstroom opvangen. De interactie tussen inlaat- en uitlaatstromen vindt plaats in het holtegebied waar de vloeistof in contact is met de chip.


Contactkoeloplossingen werden al met succes geïmplementeerd in grote (30-50cm) modules voor vermogenselektronica die kilowatts genereren. Voor de integratie op chip- of verpakkingsniveau zijn veel oplossingen voorgesteld voor onverpakte chips (‘bare die'), voornamelijk gebaseerd op dure siliciumverwerkingstechnieken. Imec presenteert een goedkoop alternatief op basis van 3D-printtechnieken. Hoewel de techniek de resolutie van siliciumsproeiers niet kan bereiken, is dit volgens het onderzoeksinstituut wellicht niet nodig. ‘Het is waar dat de thermische prestatie van kleinere openingen groter is, maar de noodzaak voor een hogere pompdruk om de koelvloeistof door de sproeiers te geleiden, maakt de totale opbrengst beperkt. Bovendien tonen Imecs simulaties en metingen aan dat een vergelijkbare prestatie kan worden bereikt met sproeiers van mm-formaat tegen gereduceerde kosten.'

 

Hoeveel sproeikoppen heb je nodig om een chip te koelen?

Om het optimale aantal sproeiers, de sproeierafstand en sproeierdiameter te bepalen, hebben onderzoekers simulaties uitgevoerd voor een 8x8 mm2 testchip. Ze toonden aan dat hoe meer sproeiers er geïntroduceerd worden, hoe meer de temperatuur daalt en hoe uniformer het temperatuurprofiel. En ook: hoe meer sproeiers er nodig zijn, hoe kleiner ze worden voor een bepaald chipoppervlak. Een groter aantal sproeiers met een kleine diameter kan inderdaad een betere thermische prestatie leveren - of een afname in thermische weerstand - maar gaat ten koste van het vereiste pompvermogen.


Evenzo kan het verhogen van de stroomsnelheid resulteren in een verdere toename in thermische prestatie, maar dit vereist opnieuw een hogere druk. Rekening houdend met deze afweging tussen thermische prestaties (in termen van thermische weerstand) en pompvermogen, tonen de simulaties aan dat het minder energie-efficiënt wordt om meer dan 1 sproeier per mm2 te gebruiken. Bijgevolg is de diameter van de sproeier voor een cel van mm2 bij verzadigde prestatie in het bereik van enkele honderden μm. De simulatieresultaten werden bevestigd met een testcontactkoeler, gemaakt voor de 8x8mm2 testchip.

2Voor een constant pompvermogen (Wp) verzadigt de thermische prestatie voor matrices met meer dan 8-bij-8 sproeiers.

 

Een koeler materiaal

De keuze van het aantal sproeiers en de sproeierdiameter heeft invloed op de vereiste fabricagetechnologie, waarbij fijnere sproeierdiameters duurdere verwerkingsopties vragen. Voor de 8x8 mm2 testchip en bijbehorende sproeierdiameters is 3D-printen een haalbare optie. Recente verbeteringen in de techniek maken het mogelijk om structuren af te drukken met diameters tussen 100μm en 1mm. Siliciumverwerking heeft het voordeel dat het gaatjes met een diameter onder 10 μm kan fabriceren met behulp van de Deep Reactive Ion Etching (Drie). De kosten van siliciumverwerking liggen echter een stuk hoger dan bij de andere fabricagemethoden. Bovendien toonden de imec-simulaties aan dat verdere verkleining van de sproeierdiameter niet noodzakelijk is, aangezien de thermische prestatie dan verzadigt.


Polymeerfabricage kan dan wel goedkoper zijn dan siliciumverwerkingstechnieken, maar voldoet het aan dezelfde prestatienormen? Polymeren hebben immers een veel lagere thermische geleidbaarheid in vergelijking met silicium, wat resulteert in een hogere thermische weerstand voor thermische geleiding. Goede warmtegeleiders zoals koper of aluminium worden daarom meestal gebruikt voor koellichamen in tegenstelling tot isolatoren zoals polymeren. De simulatieresultaten tonen inderdaad aan dat een polymeerkoeler dezelfde prestaties heeft als een silicium- of koperkoeler, omdat de warmteafvoer in dit geval wordt gedomineerd door geforceerde convectie in het koelmiddel. Dit opent mogelijkheden voor het gebruik van polymeergebaseerde goedkopere productiemogelijkheden.

3 (Links) De vloeistofstraalcontactkoeler van imec bevestigd aan de chip. (Rechts) De sproeiermatrix spuit koelvloeistof rechtstreeks op de open achterkant van de chip.

 

Hoe cool is de chipkoeler?

Om de koeler in het juiste perspectief te plaatsen, werd deze vergeleken met gepubliceerde data van andere contactkoelers in termen van thermische weerstand en pompvermogen. Imec-onderzoekers keken naar koelers gefabriceerd in verschillende materialen: silicium, keramiek, metaal en kunststof. De imec-koeler vertoont een zeer goede thermische prestatie van 0,13cm2K/W voor de 8x8 sproeiermatrix bij een debiet van 1000ml/minuut en een drukval van 0,3bar tussen de inlaat en de uitlaat van de koeler. Met deze koeler zal de chip slechts 13°C opwarmen voor elke 100W/cm2, de typische vermogensdichtheid voor een standaardprocessor, waarbij de limiet rond de 100°C ligt. Met deze prestaties zou koeling van 500W/cm2 haalbaar zijn, waardoor het een van de beste koelingsprestaties in de literatuur is.


Alleen siliciumgebaseerde koelers met μ-afstand sproeiers presteren beter dan de imec-koeler. Die koelers hebben echter tot vijf keer meer pompvermogen nodig en zijn aanzienlijk duurder.

 
© Engineersonline.nl