Mit der steigenden Nachfrage nach künstlicher Intelligenz (KI) und der Verbesserung der Leistungsdichte stehen Rechenzentren vor beispiellosen Herausforderungen beim Wärmemanagement. Um Leistung und Effizienz zu optimieren und gleichzeitig eine Überhitzung zu verhindern, ist eine genaue Echtzeit-Temperaturüberwachung erforderlich. Diese Erkennungslösungen müssen präzise, reaktionsschnell und robust sein und in der Lage sein, schnell wechselnde thermische Belastungen hochempfindlicher Geräte zu bewältigen.
In diesem Artikel werden die Herausforderungen des Wärmemanagements untersucht, mit denen moderne KI-Rechenzentrumsdesigner konfrontiert sind, und eine detaillierte Analyse verschiedener Kühlsysteme, einschließlich Klimaanlagen, Tauchkühlung und Wärmemanagementlösungen, bereitgestellt. Stellen Sie anschließend die Thermistorlösungen mit negativem Temperaturkoeffizienten (NTC) von EPCOS (TDK) vor und erklären Sie, wie Sie diese Lösungen zur Bewältigung der Herausforderungen des Wärmemanagements nutzen können.
Warum werden KI-Rechenzentren neue Herausforderungen beim Wärmemanagement mit sich bringen?
KI-Hardware wie Grafikprozessoren (GPUs) und Tensorprozessoren (TPUs) verbrauchen typischerweise viel mehr Strom als herkömmliche Zentraleinheiten (CPUs). Daher verfügen Rechenzentren mit Fokus auf KI häufig über eine relativ hohe Leistungsdichte und konzentrierte Hotspots, was die Verwaltung mit herkömmlichen Kühlmethoden erschwert.
Noch schlimmer ist, dass die Arbeitsbelastung der KI oft stark schwankt und während des Verstärkungstrainings oder von Inferenzoperationen die thermische Belastung schnell ansteigen kann. Wenn kein ordnungsgemäßes Wärmemanagement durchgeführt wird, können diese Situationen zu Leistungseinbußen, ungeplanten Ausfallzeiten und einer Verschlechterung der Hardwarebeschleunigung führen.
Um diesen neuen Anforderungen gerecht zu werden, müssen fortschrittlichere Kühlmethoden für Rechenzentren eingeführt werden. Die direkte Chipkühlung ist eine gängige Kühlmethode. Diese Technologie richtet Kühlrohre, Kühlplatten oder Wärmetauscher direkt an Hochleistungsgeräten wie CPUs, GPUs und Speicher aus. Darüber hinaus kann auch die Tauchkühlungsmethode gewählt werden, bei der der gesamte Server in eine nicht leitende Flüssigkeit getaucht wird.
Auch die Klimaanlage wird derzeit mehrfach modernisiert. Beispielsweise können Reihenkühlgeräte und Einbaukühlgeräte in Schränken eine Zonenkühlung auf Basis der gesamten Computerraum-Klimaanlage ermöglichen, d. h. in Echtzeit auf lokale Überhitzungsprobleme reagieren.
Obwohl die spezifischen Bedingungen dieser Kühlsysteme unterschiedlich sind, steigern sie alle den Bedarf an Temperaturüberwachung mit breiterer Verteilung und schnellerer Reaktion. In diesem Artikel wird das direkt angeschlossene Chip-Kühlsystem als Beispiel verwendet. Jeder Zielchip muss mit einem Kühlkörpersensor ausgestattet sein, um sicherzustellen, dass die Temperaturstandards eingehalten werden. Es ist notwendig, den Kühlmittelzufluss durch in der Rohrleitung montierte Sensoren zu überwachen, und es müssen weitere Sensoren an der Kühlmittelverteilungsvorrichtung und am Wärmetauscher installiert werden, um einen effizienten Betrieb des Systems sicherzustellen.
Die Vorteile von NTC-Thermistorsensoren in Rechenzentrumsanwendungen
NTC-Thermistoren können alle diese Anforderungen erfüllen. Wie der Name schon sagt, nimmt der Widerstand von NTC-Sensoren mit steigender Temperatur ab. Bei NTC-Thermistoren wird dies durch ein kleines wärmeempfindliches Oxidkeramikelement erreicht, das in einem schützenden Metall- oder Epoxidharzgehäuse eingeschlossen ist.
Abbildung 1 zeigt die typische Temperaturwiderstandskurve eines Thermistors mit einem Nennwiderstand von 2–5 kΩ bei 25 °C. Wie in der Abbildung gezeigt, ist der Thermistor umso besser für Hochtemperaturanwendungen geeignet, je größer der Widerstand ist, da die Widerstandsänderung einfacher zu messen ist.
Typisches Diagramm der Temperaturwiderstandskurve
Abbildung 1: Die typische Temperaturwiderstandskurve eines Thermistors mit einem Nennwert von 2 kΩ bis 5 kΩ bei 25 °C. (Bildquelle: EPCOS (TDK))
Zu den Vorteilen, die NTC-Thermistoren für KI-Rechenzentren bringen, gehören:
Hohe Präzision und schnelle Reaktion: Extrem empfindlich gegenüber geringfügigen Temperaturänderungen und aufgrund der geringen thermischen Masse ist die Reaktionsgeschwindigkeit schnell. Diese Funktionen ermöglichen es NTC-Thermistoren, den schnell schwankenden thermischen Anforderungen von KI-Rechenzentren effektiv gerecht zu werden.
Haltbarkeit und Stabilität: Hergestellt aus robusten Materialien, bietet es eine hervorragende Langzeitzuverlässigkeit und minimale Widerstandsdrift im Laufe der Zeit. Diese Stabilität minimiert den Wartungsaufwand und reduziert das Risiko unerwarteter Ausfallzeiten weitestgehend.
Kompakte Größe und flexible Installation: Dank seiner geringen Größe lässt es sich problemlos in geräteintensive Rechenzentrumsumgebungen mit begrenztem Platz integrieren. Mit verschiedenen Formen kann es den unterschiedlichen Anforderungen von Kühlsystemen in Rechenzentren mit künstlicher Intelligenz gerecht werden.
Die NTC-Thermistorserie von EPCOS bringt diese Vorteile voll zum Ausdruck. Diese Produktreihe umfasst Lösungen zur Überwachung von Heizkörpern und Rohrleitungen, Tauchkühlsystemen und Lüftungsgeräten.
Überwachung von Hochleistungskomponenten mithilfe von auf Kühlkörpern installierten NTC-Thermistoren
Hochleistungsprozessoren wie GPUs und TPUs erfordern eine strenge thermische Überwachung, um die Leistung aufrechtzuerhalten und Überhitzung zu verhindern. B57703M0103G040 (Abbildung 2) wird für die direkte Montage auf dem Kühlkörper verwendet und eignet sich daher sehr gut für diese Aufgabe. Dieser schraubbare Sensor kapselt einen NTC-Thermistor in einem Metallschildgehäuse mit hervorstehenden Ringösen.
EPCOS B57703M0103G040 Schleifenklemmen-Thermistor
Abbildung 2: Der Ringverbindungsthermistor B57703M0103G040 ermöglicht eine präzise Temperaturüberwachung von Hochleistungsprozessor-Kühlkörpern. (Bildquelle: EPCOS (TDK))
Das Design von schraubfesten Sensoren ist sowohl praktisch als auch wichtig. Es gewährleistet eine gute thermische Kopplung mit der Oberfläche des Kühlkörpers und einen gleichmäßigen Kontaktdruck, wodurch der Wärmewiderstand verringert und die Messgenauigkeit bei schnellen Laständerungen verbessert wird.
Der Sensor hat einen Langzeitstabilitätstest von 10.000 Stunden bei einer Temperatur von +70 °C bestanden und kann unter Hochtemperaturbedingungen eingesetzt werden, die häufig in Arbeitslasten von KI-Rechenzentren vorkommen. Der Nennwiderstand des Sensors bei +25 °C beträgt 10 kΩ und bietet damit eine zuverlässige Grundlage für die Messung höherer Betriebstemperaturen und eine genaue Rückmeldung für das Temperaturregelsystem.