Модули активного и пассивного воздушного охлаждения процессоров

10 апреля

Елена Бударина (КОМПЭЛ)

Серверное оборудование неуклонно совершенствуется, и для его стабильной работы требуются надежные системы охлаждения. Их неотъемлемой частью являются радиаторы, тепловые трубки, испарительные камеры, вентиляторы а также модули активного и пассивного охлаждения. Подобные готовые решения выпускаются азиатской компанией KLS, а возможности кастомизации предлагают FCN и SUNON.

На протяжении многих лет спрос на обработку и хранение данных стремительно растет, что предъявляет и новые требования по повышению производительности и надежности аппаратных платформ. Одним из решающих факторов бесперебойной работы серверного оборудования и центров обработки данных является охлаждение установленного оборудования, поскольку высокопроизводительные серверы выделяют значительное количество тепла. Чрезмерное нагревание может привести к снижению производительности системы, сбоям в работе и даже к отказу. Особенно чувствительны к тепловой перегрузке процессоры, поэтому для ядра системы используются специальные радиаторы.

В системах воздушного охлаждения основной принцип заключается в поглощении тепла от встроенного распределителя (IHS), которым оснащено большинство процессоров, а затем – в его рассеивании через аппаратные компоненты (рисунок 1). Тепло, выделяемое процессором, передается распределителю (IHS) наверху процессора, а после идет на опорную пластину радиатора или модуля охлаждения.

Рис. 1. Элементы конструкции микропроцессора (а) и система отвода тепла от процессора (б)

Высококачественные радиаторы CPU обычно состоят из медного основания, которое опирается на процессор, и ребер охлаждения, изготовленных из алюминия для увеличения площади поверхности. Через эти ребра поглощенное тепло выделяется в окружающее пространство. Такая конструкция сочетает в себе превосходную теплопроводность меди и ценовую демократичность алюминия.

Для решения более сложных задач рекомендуется использовать модули охлаждения (рисунок 2). Они включают в себя такие компоненты, как радиаторы, тепловые трубки, испарительные камеры и вентиляторы. Их можно использовать индивидуально или комбинировать, образуя эффективную систему отвода тепла.

Рис. 2. Примеры модулей охлаждения

Тонкие медные тепловые трубки в основном используются для передачи тепла к ребрам охлаждения. Они заполнены жидкой рабочей средой, которая испаряется при поглощении тепла в области основания охладителя. По мере того как жидкость поднимается по тепловой трубе, температура передается ребрам, пар конденсируется, а жидкость поступает обратно к процессору.

Рис. 3. Тепловые трубки (а) и их применение в радиаторах (б, в)

Испарительная камера формально классифицируется как тепловая трубка, имеет аналогичный принцип работы и представляет собой плоский герметичный сосуд – камеру, заполненную небольшим количеством жидкого теплоносителя. Камера содержит фитильную структуру, которая способствует циркуляции рабочей жидкости. При воздействии тепла эта рабочая жидкость испаряется. Затем пар равномерно распространяется по камере, поглощая и рассеивая тепло, выделяемое электронными компонентами.

Таким образом, тепловая труба имеет одномерную линейную теплопроводность, то есть эффективно переносит тепло из одной точки в другую, в то время как испарительная камера рассматривается как двумерный теплопроводящий компонент, использующий двухточечную передачу по большей площади поверхности, поэтому обладает большей эффективностью.

Рис. 4. Испарительная камера (а) и радиатор с ней (б)

Правильно спроектированная камера в сочетании с радиатором может улучшить тепловые характеристики на 10…30% по сравнению с медными радиаторами и модулями на основе тепловых трубок. В критически важных приложениях это не только снижает температуру на несколько градусов, но иногда и устраняет необходимость установки вентилятора сверху радиатора, что повышает надежность системы и устраняет шум. Такие модули также идеально подходит для низкопрофильных приложений, где высота и производительность имеют решающее значение.

Воздушное охлаждение и его варианты

Чтобы обеспечить постоянное охлаждение процессора, тепло, поглощаемое радиатором CPU, должно надежно рассеиваться в окружающую среду. Существуют различные варианты охлаждения, которые можно использовать в зависимости от конструкции корпуса и производительности системы.

При пассивном охлаждении радиатор поглощает тепло процессора и медленно выпускает его в воздух без дополнительных манипуляций. Эта простейшая форма охлаждения, основанная на тепловой конвекции, не подходит для высокопроизводительных серверов и рабочих станций из-за своих физических ограничений.

Более высокая охлаждающая способность может быть достигнута при активном охлаждении. С помощью вентилятора, установленного на радиаторе процессора, создается сильный поток воздуха, который проходит непосредственно через ребра радиатора, что значительно улучшает передачу тепла в воздух. Таким образом можно охлаждать даже очень мощные процессоры.

Полупассивное охлаждение (рисунок 3) объединяет в себе оба варианта и широко применяется в серверном сегменте индустрии. В этом случае для охлаждения процессора используется уже существующий поток воздуха, который создается несколькими мощными вентиляторами корпуса в сервере. Радиатор располагается таким образом, что его ребра располагаются параллельно потоку воздуха и открыты ему. Для усиления этого эффекта в корпусе сервера часто устанавливают дополнительные воздухопроводящие элементы, которые направляют поток воздуха непосредственно к радиатору процессора.

Рис. 5. Пример серверного модуля с полупассивным охлаждением

Выбор оптимального терморегулирующего устройства

С развитием новых поколений процессоров их энергопотребление постоянно растет за счет увеличения тактовых частот и большего числа ядер процессора. Если система охлаждения имеет недостаточные размеры и, следовательно, процессор превышает заданную максимальную рабочую температуру, включаются встроенные механизмы защиты, уменьшающие его мощность для снижения температуры. Это помогает предотвратить повреждение системы из-за перегрева, но производительность при этом заметно снижается. Поэтому при выборе подходящего радиатора процессора необходимо учитывать несколько факторов:

• совместимость с типом сокета процессора;
• тепловые характеристики и эффективность охлаждения, значение TDP*;
• размеры и физические ограничения в корпусе системы;
• уровень шума вентиляторов (для модулей активного охлаждения)

* TDP (Thermal Design Power) – расчетная тепловая мощность, определяющая количество тепла, выделяемого компонентом во время работы, и охлаждающую способность, необходимую для поддержания приемлемой температуры. Это значение можно найти в технических характеристиках, что в свою очередь упрощает выбор подходящего решения для охлаждения соответствующего процессора.

КОМПЭЛ предлагает различные варианты терморегулирующих устройств производства нескольких азиатских производителей (таблица 1).

Таблица 1. Продукция азиатских компаний для охлаждения процессоров

Таблица 2. Основные характеристики модулей пассивного охлаждения производства компании SUNON

Наименование	Внешний вид	Применение	CPU Socket	Размеры, мм	TDP, Вт	Материалы
SM316-20001Y		1U Server	LGA4189	113x78x24,7	205	Aluminum, Copper, ADC10
SM420-20001Y		2U Server	LGA4189	113x78x64	300	Aluminum, Copper, ADC10
SM320-21001Y		1U Server	LGA4677	118x78x30,43	205	Aluminum, Copper, ADC10
SM421-21002Y		2U Server	LGA4677	118x78x64	350	Aluminum, Copper, ADC10
SM321-22001Y		1U Server	LGA 6096	92,4x118x25	300	Aluminum, Copper, ADC10
SM423-22001Y		2U Server	LGA 6096	92,4x118x64	400	Aluminum, Copper, ADC10

Таблица 3. Основные характеристики модулей пассивного охлаждения производства компании KLS

Наименование	Внешний вид	Применение	CPU Socket	Размеры, мм	TDP, Вт	Материалы
L-KLS21-SHK4189-1UA01		1U Server	LGA4189	113x79x25	205	AL6063 + CU1100 + 3PIPE
L-KLS21-SHK4189-1UA02		1U Server	LGA4189	113x79x25	230	VC + AL1100
L-KLS21-SHK4189-2UA01		2U Server	LGA4189	113x78x64,3	300	AL6063 + CU1100 + 5PIPE
L-KLS21-SHK2518-1UA01		1U Server	BGA2518	120x84x28,5	120	AL6063 + CU1100 + 3PIPE
L-KLS21-SHK4677-1UA01		1U Server	LGA4677	118x78x25,3	200	AL6063 + CU1100 + 3PIPE
L-KLS21-SHK4677-1UA04		1U Server	LGA4677	118x78x25	230	VC + AL1100
L-KLS21-SHK4677-2UA01		2U Server	LGA4677	118x78x63	250	AL6063 + CU1100 + 5PIPE
L-KLS21-SHK3647-1UA01		1U Server	LGA3647	108x78x25,5	165	AL6063 + CU1100 + 2PIPE
L-KLS21-SHK3647-1UA02		1U Server	LGA3647	108x78x25,5	145	VC + AL1100 + 3PIPE
L-KLS21-SHK3647-1UA07		1U Server	LGA3647	91x88x25,5	165	AL6063 + CU1100 + 2PIPE
L-KLS21-SHK3647-2UA01		2U Server	LGA3647	108x78x64	205	AL6063 + CU1100 + 4PIPE
L-KLS21-SHK3647-2UA03		2U Server	LGA3647	91x88x64	205	AL6063 + CU1100 + 4PIPE
L-KLS21-SHK1700-1UA03		1U Server	LGA1700	88x88x25	125	CU1100 + CU1100
L-KLS21-SHK1700-2UA01		2U Server	LGA1700	90x90x65	180	AL6063 + CU1100 + 4PIPE
L-KLS21-SHK1700-2UA10		2U Server	LGA1700	90x90x64,5	240	AL6063 + CU1100 + 5PIPE
L-KLS21-SHKSP3-1UB01		1U Server	AMD SP3	120x 80×26	205	AL6063 + CU1100 + 3PIPE
L-KLS21-SHKSP3-2UB01		2U Server	AMD SP3	117×78,9×64	280	AL6063 + CU1100 + 4PIPE
L-KLS21-SHKSP3-2UB04		2U Server	AMD SP3	115x80x64	300	AL6063 + CU1100 + 5PIPE
L-KLS21-SHKSP3-2UB05		2U Server	AMD SP3	115x78x64	300	AL6063 + CU1100 + 5PIPE
L-KLS21-SHKSP5-1UB01		1U Server	AMD SP5	118×92,4×25	260	AL6063 + CU1100 + 4PIPE
L-KLS21-SHKSP5-2UC01		2U Server	AMD SP5	118×92,4×64,5	350	AL6063 + CU1100 + 6PIPE

В модулях активного охлаждения, выпускаемых компанией KLS, используются вентиляторы постоянного тока на 12 В с шариковыми подшипниками (Double ball bearing), отличающиеся номинальными токами до 0,82 А и уровнем шума 28…57,5 dBa для разных моделей.

В состав модуля для серверов форм-фактора 1U входит центробежный вентилятор размера Ø80×13 мм, создающий воздушный поток 14,76 CFM при скорости вращения 5000 об/мин. Для серверов форм-фактора 2U применяются осевые вентиляторы размерами 60x60x25 или 80x80x20 мм со скоростью вращения 4300…8000 об/мин, создающие воздушный поток 32,49…47,20 CFM. Для форм-фактора 4U – вентиляторы 92,5×92,5×25 или 120x120x25 мм со скоростью вращения 2200…3800 об/мин и воздушными потоками 42,64…92,0 CFM.

Таблица 4. Основные характеристики модулей активного охлаждения KLS

Наименование	Внешний вид	Применение	CPU Socket	Размеры, ДхШхВ, мм	TDP, Вт	Материалы
L-KLS21-SH4189-1UA03		1U Server	LGA4189	113x80x27	205	Copper Heatsink with VC Base, Steel PWM Blower
L-KLS21-SHK4189-2UA02		2U Server	LGA4189	113x80x66,3	300	AL6063 + CU1100 + 5PIPE
L-KLS21-SHK4189-2UA03		2U Server	LGA4189	113x78x64,5	270	AL6063 + CU1100 + 4PIPE
L-KLS21-SHK4189-4UA01		4U Server	LGA4189	116,7×92,5×125,5	320	CU1100 + AL6063 + AL5052 + PIPE
L-KLS21-SHK4189-4UA02		4U Server	LGA4189	102×126,7×155	350	CU1100 + AL1100 + 5PIPE
L-KLS21-SHK7529-2UA01		2U Server	LGA7529	126,8×97,8×65	450	AL6063 + CU1100 + 6PIPE
L-KLS21-SHK4677-2UA02		2U Server	LGA4677	118x78x66	240	AL6063 + CU1100 + 5PIPE
L-KLS21-SHK4677-2UA03		2U Server	LGA4677	118x78x64,5	205	AL6063 + CU1100 + 4PIPE
L-KLS21-SHK4677-2UA05		2U Server	LGA4677	118x78x64,5	400	AL6063 + CU1100 + 5PIPE
L-KLS21-SHK4677-4UA01		4U Server	LGA4677	118x78x125,5	280	CU1100 + AL6063 + 6PIPE
L-KLS21-SHK4677-4UA02		4U Server	LGA4677	125x102x155	350	CU1100 + AL1100 + 5PIPE
L-KLS21-SHK4677-4UA03		4U Server	LGA4677	130x100x154	400	CU1100 + AL6063 + 6PIPE
L-KLS21-SHK4677-4UA04		4U Server	LGA4677	130x120x152,8	450	CU1100 + AL1100 + 5PIPE
L-KLS21-SHK3647-2UA02		2U Server	LGA3647	108x78x64,5	205	AL6063 + CU1100 + 3PIPE
L-KLS21-SHK3647-2UA05		2U Server	LGA3647	108x78x64,5	240	AL6063 + CU1100 + 4PIPE
L-KLS21-SHK3647-4UA01		4U Server	LGA3647	102x91x125,5	205	CU1100 + AL6063 + 5PIPE
L-KLS21-SHK3647-4UA03		4U Server	LGA3647	116,2×92,5×125,5	225	CU1100 + AL1100 + 6PIPE
L-KLS21-SHK3647-4UA04		4U Server	LGA3647	125x102x155	300	CU1100 + AL6063 + 5PIPE
L-KLS21-SHK3647-2UA04		2U Server	LGA3647	91x88x64,5	205	AL6063 + CU1100 + 4PIPE
L-KLS21-SHK3647-4UA02		4U Server	LGA3647	91x88x125,5	205	AL6063 + CU1100 + 5PIPE
L-KLS21-SHK1700-2UA04		2U Server	LGA1700	90x89x47	110	CU1100 + CU1100
L-KLS21-SHK1700-2UA06		2U Server	LGA1700	90x90x67	150	AL6063 + CU1100 + 4PIPE
L-KLS21-SHK1700-4UA01		4U Server	LGA1700	105×92,5×125,8	180	CU1100 + AL6063 + 5PIPE
L-KLS21-SHK1700-4UA04		4U Server	LGA1700	120x104x155	300	CU1100 + AL6063 + 6PIPE
L-KLS21-SHKSP3-2UB02		2U Server	AMD SP3	119,3×78,9×64,5	240	AL6063 + CU1100 + 4PIPE
L-KLS21-SHKSP3-2UB03		2U Server	AMD SP3	115x78x66,3	320	AL6063 + CU1100 + 5PIPE
L-KLS21-SHKSP3-4UB01		4U Server	AMD SP3	119,3×78,9×125,5	280	AL6063 + CU1100 + 5PIPE
L-KLS21-SHKSP3-4UB02		4U Server	AMD SP3	120×92,5×125,4	280	AL6063 + CU1100 + 6PIPE
L-KLS21-SHKSP3-4UB03		4U Server	AMD SP3	120x114x125,4	300	AL6063 + CU1100 + 6PIPE
L-KLS21-SHKSP3-4UB04		4U Server	AMD SP3	126,7x120x155	300	AL6063 + CU1100 + 6PIPE
L-KLS21-SHKSP3-4UB05		4U Server	AMD SP3	125x102x155	350	AL6063 + CU1100 + 5PIPE
L-KLS21-SHKSP5-2UC02		2U Server	AMD SP5	118×92,4×66,3	380	AL6063 + CU1100 + 6PIPE
L-KLS21-SHKSP5-4UC01		4U Server	AMD SP5	118×92,4×125	400	AL6063 + CU1100 + 6PIPE
L-KLS21-SHKSP5-4UC03		4U Server	AMD SP5	125x98x155	400	AL6063 + CU1100 + 5PIPE

Дополнительную информацию о продукции, ее применении и спецификациях можно получить, обратившись к менеджерам КОМПЭЛ.