Com a crescente procura por inteligência artificial (IA) e a melhoria da densidade de energia, os data centers enfrentam desafios de gestão térmica sem precedentes. O monitoramento preciso da temperatura em tempo real é necessário para otimizar o desempenho e a eficiência, evitando o superaquecimento. Essas soluções de detecção devem ser precisas, responsivas, robustas e capazes de lidar com cargas térmicas que mudam rapidamente em dispositivos de alta sensibilidade.
Este artigo explorará os desafios de gerenciamento térmico enfrentados pelos projetistas modernos de data centers de IA e fornecerá uma análise detalhada de vários sistemas de resfriamento, incluindo ar condicionado, resfriamento por imersão e soluções de gerenciamento térmico. Em seguida, apresente as soluções de termistores de coeficiente de temperatura negativo (NTC) do EPCOS (TDK) e explique como utilizar essas soluções para enfrentar os desafios de gerenciamento térmico.
Por que os data centers de IA trarão novos desafios de gerenciamento térmico?
Hardware de IA, como unidades de processamento gráfico (GPUs) e unidades de processamento de tensor (TPUs), normalmente consomem muito mais energia do que unidades de processamento central (CPUs) tradicionais. Portanto, os data centers com foco em IA geralmente têm densidade de energia relativamente alta e pontos de acesso concentrados, dificultando o gerenciamento usando métodos tradicionais de resfriamento.
Pior ainda, as cargas de trabalho de IA muitas vezes variam muito e, durante o treinamento de reforço ou operações de inferência, as cargas térmicas podem aumentar rapidamente. Se o gerenciamento térmico adequado não for realizado, essas situações poderão levar à degradação do desempenho, tempo de inatividade não planejado e degradação da aceleração do hardware.
Para atender a essas demandas emergentes, métodos de resfriamento mais avançados precisam ser adotados para data centers. O resfriamento direto de chips é um método de resfriamento comum. Essa tecnologia alinha tubos de resfriamento, placas frias ou trocadores de calor diretamente com dispositivos de alta potência, como CPUs, GPUs e memória. Além disso, também pode ser escolhido o método de resfriamento por imersão, que envolve a imersão de todo o servidor em um líquido não condutor.
O ar condicionado também está passando por várias atualizações. Por exemplo, unidades de resfriamento entre fileiras e unidades de resfriamento embutidas em gabinetes podem fornecer resfriamento de zona com base no sistema geral de ar condicionado da sala de computadores, ou seja, responder em tempo real a problemas de superaquecimento local.
Embora as condições específicas destes sistemas de refrigeração variem, todas elas impulsionam a procura de monitorização da temperatura com distribuição mais ampla e resposta mais rápida. Este artigo toma como exemplo o sistema de resfriamento de chip conectado diretamente. Cada chip alvo precisa ser equipado com um sensor de dissipador de calor para garantir que os padrões de temperatura sejam mantidos. É necessário monitorar o fluxo de refrigerante através de sensores montados na tubulação, e outros sensores precisam ser instalados no dispositivo de distribuição de refrigerante e no trocador de calor para garantir a operação eficiente do sistema.
As vantagens dos sensores termistores NTC em aplicações de data center
Os termistores NTC podem atender a todos esses requisitos. Como o nome sugere, a resistência dos sensores NTC diminui com o aumento da temperatura. Quanto aos termistores NTC, isso é conseguido através de um pequeno elemento cerâmico de óxido termossensível encerrado em um invólucro protetor de metal ou resina epóxi.
A Figura 1 mostra a curva típica de resistência à temperatura de um termistor com resistência nominal de 2-5 k Ω a 25 ° C. Conforme mostrado na figura, quanto maior a resistência, mais adequado é o termistor para aplicações de alta temperatura porque a mudança na resistência é mais fácil de medir.
Gráfico típico da curva de resistência à temperatura
Figura 1: A curva típica de resistência à temperatura de um termistor com valor nominal de 2 k Ω a 5 k Ω a 25 ° C. (Fonte da imagem: EPCOS (TDK))
As vantagens que os termistores NTC trazem para os data centers de IA incluem
Alta precisão e resposta rápida: extremamente sensível a pequenas mudanças de temperatura e, devido à pequena massa térmica, a velocidade de resposta é rápida. Esses recursos permitem que os termistores NTC atendam com eficácia às demandas térmicas em rápida flutuação dos data centers de IA.
Durabilidade e estabilidade: Feito de materiais resistentes, possui excelente confiabilidade a longo prazo e resistência mínima ao desvio ao longo do tempo. Esta estabilidade minimiza os requisitos de manutenção e reduz ao máximo o risco de tempos de inatividade inesperados.
Tamanho compacto e instalação flexível: Com seu tamanho pequeno, ele pode ser facilmente integrado em ambientes de data center com uso intenso de dispositivos e espaço limitado. Apresentando diversos formatos, pode atender às diversas necessidades de sistemas de refrigeração em data centers de inteligência artificial.
A série de termistores EPCOS NTC incorpora totalmente essas vantagens. Esta série de produtos inclui soluções para monitoramento de radiadores e tubulações, sistemas de resfriamento submersos e unidades de tratamento de ar.
Monitoramento de componentes de alta potência usando termistores NTC instalados em dissipadores de calor
Processadores de alta potência, como GPUs e TPUs, exigem monitoramento térmico rigoroso para manter o desempenho e evitar superaquecimento. O B57703M0103G040 (Figura 2) é utilizado para instalação direta no dissipador de calor, tornando-o muito adequado para esta tarefa. Este sensor fixo por parafuso encapsula um termistor NTC em um invólucro de metal com orelhas salientes.
Termistor de terminal de loop EPCOS B57703M0103G040
Figura 2: O termistor de junção em anel B57703M0103G040 pode obter monitoramento preciso da temperatura de dissipadores de calor do processador de alta potência. (Fonte da imagem: EPCOS (TDK))
O design dos sensores fixos por parafuso é conveniente e importante, garantindo um bom acoplamento térmico com a superfície do dissipador de calor e uma pressão de contato consistente, reduzindo assim a resistência térmica e melhorando a precisão da medição quando a carga muda rapidamente.
O sensor passou em um teste de estabilidade de longo prazo de 10.000 horas a uma temperatura de +70°C e pode ser usado em condições de alta temperatura comumente encontradas em cargas de trabalho de data centers de IA. A resistência nominal do sensor a +25 °C é de 10 k Ω, fornecendo uma base confiável para medir temperaturas operacionais mais altas e feedback preciso para o sistema de controle de temperatura.
Monitoramento de tubulações de refrigeração líquida usando termistores NTC
Os sistemas de refrigeração líquida dependem de um fornecimento contínuo de líquido refrigerante a uma temperatura adequada. B58100A0506A000 (Figura 3) é um termistor NTC de 10 k Ω que pode ser instalado rapidamente em tubulações e é a escolha ideal para monitorar linhas de fornecimento de refrigerante. Este componente moldado pode ser fixado diretamente em tubos com diâmetro de 18 mm a 19 mm, ou pode ser adaptado a outros tamanhos de tubos de acordo com diferentes situações de instalação. Os contatos convexos integrados podem ser conectados diretamente ao equipamento de monitoramento.