Con una densità di potenza a rack singolo che supera i 30 kW e un flusso di calore del chip che supera i 1.500 W/cm² nei data center AI, il raffreddamento ad aria tradizionale (limite massimo del flusso di calore ~100 W/cm²) non è più in grado di soddisfare le esigenze di dissipazione del calore.
Le piastre fredde a microcanali espandono l'area di scambio termico di 10 volte e offrono un'efficienza di raffreddamento 3 volte superiore rispetto alle piastre fredde a liquido convenzionali, riducendo l'aumento della temperatura della GPU del 65%. Questa tecnologia può ridurre il PUE del data center al di sotto di 1,1 con una resistenza termica estremamente bassa fino a 0,009 ℃/W, supportando stabilmente GPU ad alta potenza da 1400 W. È diventata una soluzione di raffreddamento essenziale per l'hardware informatico ad alta densità.
Questo articolo classifica e confronta sistematicamente le piastre fredde a microcanali tradizionali distribuite nei data center in base a quattro dimensioni: struttura del canale, forma della sezione trasversale, livello di integrazione e processo di produzione. Forniamo inoltre una guida rapida alla selezione per l'implementazione tecnica.
| Tipo | Aspetto e caratteristiche visive | Struttura centrale | Processo di produzione | Scenari applicativi tipici |
|---|---|---|---|---|
| Microcanali diritti paralleli | Finitura metallica rame/alluminio, scanalature diritte uniformi equidistanti | Canali rettangolari diritti mono/multifila | Fresatura di precisione, smussatura, estrusione | CPU standard, GPU di potenza medio-bassa, server generici raffreddati a liquido, piastre fredde per rack |
| Microcanale serpentino/a forma di S | Finitura in metallo massiccio, canali continui piegati a forma di S/anello | Disposizione piegata alternativa a canale singolo/multicanale per estendere il percorso del flusso del fluido | Fresatura, brasatura, stampaggio lamiere | GPU ad alta potenza, schede di inferenza AI, rack ad alto calcolo a nodo singolo |
| Microcanale albero/frattale | Chiara struttura dei rami gerarchici, deviazione multistadio Y/H che imita i vasi sanguigni | Biforcazione del collettore Y/H multilivello per la distribuzione del flusso su tutta l'area | Fresatura di precisione, stampa 3D in metallo, diffusion bonding | Supercomputer, chip stacked 2.5D/3D, cluster di addestramento AI di fascia alta |
| Array Micro Pin-fin | Dense sporgenze cilindriche/ellittiche/diamantate sulla superficie con forte struttura concava-convessa | Substrato di base ricoperto da fitte pinne, flussi di fluido attorno ai pilastri | Fresatura, fotolitografia, stampa 3D, elettroformatura | Chip con flusso di calore ultraelevato (>400 W/cm²), memoria HBM, acceleratori di calcolo ad alte prestazioni |
| Microcanale ondulato/ondulato | Pareti laterali del canale a onda continua/zigzag invece di pareti piatte e diritte | Canali diritti modificati con pareti interne onda/dente per aumentare la turbolenza | Formatura fresatura, estrusione, stampaggio | Chip di potenza medio-alta, cold plates compatti, dispositivi di edge computing |
| Microcanale di tipo T/a divisione incrociata | Trama intrecciata a griglia con frequente suddivisione e fusione del flusso | Biforcazione periodica e convergenza dei canali principali per disturbare ripetutamente il fluido | Fresatura, brasatura lamiera multistrato | Moduli confezionati ad alta densità, piastre fredde integrate multi-chip |
| Tipo di sezione trasversale | Aspetto visivo | Caratteristiche strutturali | Prestazioni e applicabilità |
|---|---|---|---|
| Rettangolare | Tacche quadrate con spigoli vivi, design tradizionale del settore | Proporzioni regolabili, massima compatibilità di produzione | Prestazioni complessive equilibrate, universali per quasi tutte le piastre fredde commerciali |
| Trapezoidale | Parte superiore larga, fondo stretto, pareti laterali inclinate | Migliore adesione del fluido, perdita di carico leggermente inferiore rispetto ai canali rettangolari di uguali dimensioni | Piastre fredde per server standard che danno priorità alla bassa resistenza al flusso |
| Circolare/ellittica | Pareti interne lisce e arrotondate senza spigoli vivi | Resistenza al flusso minima, nessuna zona morta di vortici | Piastre fredde integrate con elevata portata e bassa perdita di carico con tubazioni |
| Esagonale | Pianta regolare e densa a nido d'ape | Massimo utilizzo dello spazio, forte rigidità strutturale | Moduli compatti, microcanali embedded |
| Profilo speciale rinforzato | Pareti interne con punti convessi, scanalature o archi aerodinamici | Miglioramento attivo della turbolenza per un migliore trasferimento di calore | Piastre fredde personalizzate dedicate all'hardware ad alta potenza |
| Livello di integrazione | Fattore di forma | Metodo di produzione | Grado di resistenza termica | Vantaggi fondamentali | Posizionamento delle applicazioni |
|---|---|---|---|---|---|
| Piastra fredda a microcanali esterna indipendente | Piastra metallica separata con porte di ingresso/uscita, hardware standard rimovibile | Lavorazioni CNC rame/alluminio, brasatura | Medio | Design modulare, facile manutenzione e sostituzione, tecnologia matura a basso costo | Retrofit di data center esistenti, server generali raffreddati a liquido |
| Coperchio a microcanale (MLCP/livello confezione) | Canali di flusso integrati integrati nel chip IHS, stesso profilo del coperchio termico standard originale | Lavorazione composita di precisione, incollaggio per diffusione | Basso | Elimina uno strato di materiale di interfaccia termica, percorso di trasferimento del calore accorciato | Packaging di raffreddamento a liquido di fabbrica GPU/CPU di nuova generazione, schede di elaborazione di fascia alta |
| Microcanale integrato nel chip | Microscanalature incise all'interno del wafer/substrato di silicio, minuscoli canali invisibili, aspetto generale come chip nudo | Fotolitografia di semiconduttori, incisione profonda del silicio | Ultra-basso | Percorso di trasferimento del calore più breve, contatto diretto con la fonte di calore, massime prestazioni di raffreddamento | Circuiti integrati 3D all'avanguardia, chip per supercomputer, chip di elaborazione di prossima generazione (prova in laboratorio e in piccoli lotti) |
| Tecnologia di fabbricazione | Materiale e colore della superficie | Struttura della superficie | Strutture di canali compatibili | Costi e capacità di produzione di massa |
|---|---|---|---|---|
| Fresatura/smussatura di precisione | Rame puro (tonalità rame rosso), alluminio (argentato metallizzato) | Superficie liscia, pareti del canale diritte, finitura industriale standard | Canali diritti, sezioni serpentine, trapezoidali/rettangolari | Basso costo, elevata produttività di massa, il processo industriale più diffuso |
| Brasatura/Legame per diffusione | Multistrato impilato rame/alluminio, tonalità grigio argento/rame rosso, giunzioni senza giunzioni | Superficie della piastra piana con cuciture di giunzione invisibili | Canali compositi multistrato, piastre fredde di grande formato | Costo medio, ideale per moduli integrati di ampia superficie |
| Stampa 3D in metallo | Rame/acciaio inossidabile, finitura metallica opaca, sottile trama di stampa a strati | Linee di strati di stampa visibili, formatura in un unico pezzo per geometrie complesse | Canali frattali, array pin-fin, percorsi di flusso contorti e irregolari | Costo elevato, limitato a prodotti personalizzati in piccoli lotti |
| Fotolitografia/acquaforte al silicio | Substrato siliconico, finitura a specchio argentato | Scanalature di precisione ultra lisce a livello di micron | Microcanali incorporati nel chip | Processo di wafer a semiconduttore, solo per applicazioni lungimiranti di fascia alta |
- Sala computer standard, priorità di costo: canali diritti paralleli + sezione trasversale rettangolare + processo di fresatura di precisione
- Server AI ad alta potenza, priorità uniformità della temperatura: microcanali serpentini/ondulati
- Scenari di supercalcolo a flusso di calore ultraelevato: microcanali frattali array pin-fin / albero
- Nuovo progetto di pianificazione del confezionamento di chip di nuova generazione: coperchio microcanale integrato MLCP
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Microcanali diritti paralleli (più comuni)
Aspetto: superficie metallica in rame/alluminio, scanalature diritte uniformi equidistanti
Vantaggi: fabbricazione semplice, bassa caduta di pressione, distribuzione uniforme del fluido
Applicazione: CPU standard, GPU normali, server generali con raffreddamento a liquido
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Microcanale serpentino/a forma di S
Aspetto: scanalature collegate a forma di S/ansa piegate in modo continuo
Vantaggi: Area di scambio termico più ampia, temperatura uniforme del truciolo; svantaggio: maggiore caduta di pressione
Applicazione: GPU ad alta potenza, schede acceleratrici di inferenza AI
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Albero / Microcanale frattale (design vascolare bionico)
Aspetto: struttura gerarchica ramificata Y/H multistadio
Vantaggi: distribuzione del flusso estremamente uniforme, pochi punti caldi, differenza di temperatura minima; svantaggio: produzione complessa
Applicazione: supercomputer, chip integrati impilati 2.5D/3D
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Array Micro Pin-fin (struttura porosa)
Aspetto: pilastri convessi cilindrici/diamantati densi con una forte superficie concavo-convessa
Vantaggi: Massima superficie specifica e massimo scambio termico; svantaggio: soggetto a intasamenti, elevata caduta di pressione
Applicazione: chip con flusso di calore ultraelevato (>400 W/cm²), memoria HBM, acceleratori AI ad alte prestazioni
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Microcanale ondulato/ondulato
Aspetto: pareti laterali del canale irregolari ondulate/zigzag
Vantaggi: maggiore turbolenza del fluido, trasferimento di calore potenziato del 20~40%; svantaggio: elevata caduta di pressione
Applicazione: Chip di potenza medio-alta, piastre fredde compatte di piccole dimensioni
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Microcanale di tipo T/a divisione incrociata
Aspetto: layout sfalsato a griglia con suddivisione e unione ripetute del flusso
Vantaggi: rompe ripetutamente lo strato limite termico per una bassa resistenza termica; svantaggio: resistenza al flusso locale irregolare
Applicazione: imballaggi ad alta densità, piastre fredde integrate multi-chip
- Rettangolare: tacche quadrate e taglienti, design tradizionale universale
- Trapezoidale: pareti laterali inclinate superiori larghe e inferiori strette, piastra fredda standard a bassa caduta di pressione
- Circolare/ellittica: parete interna liscia e arrotondata, bassa resistenza per sistemi a grande portata
- Esagonale: disposizione densa a nido d'ape, moduli integrati compatti
- Profilo rinforzato speciale: scanalature convesse interne e superfici curve aerodinamiche, raffreddamento personalizzato ad alta potenza
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Piastra fredda a microcanali esterna indipendente
Forma: piastra metallica indipendente con porte di ingresso/uscita, hardware modulare rimovibile
Vantaggi: Facile manutenzione, tecnologia matura a basso costo
Applicazione: retrofit di data center legacy, server generali di raffreddamento a liquido
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Coperchio microcanale a livello di pacchetto MLCP
Forma: canali di flusso integrati all'interno del dissipatore di calore del truciolo, profilo identico all'IHS standard
Vantaggi: rimozione di uno strato di interfaccia termica, minore resistenza termica, imballaggio integrato in fabbrica
Applicazione: GPU/CPU ad alta potenza di nuova generazione (ad es. serie NVIDIA Rubin)
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Microcanale integrato nel chip
Forma: scanalature incise su scala micron all'interno del wafer/substrato di silicio, invisibili a occhio nudo
Vantaggi: percorso di trasferimento del calore più breve, contatto diretto con la fonte di calore; svantaggio: produzione estremamente complessa
Applicazione: circuiti integrati 3D all'avanguardia, chip di supercomputer, futuro hardware di elaborazione ad alta densità
- Fresatura/smussatura di precisione: rame puro (tonalità rossa)/alluminio (argenteo), pareti del canale lisce e piatte
- Brasatura e incollaggio per diffusione: superficie piana composita multistrato in rame/alluminio, senza giunzioni
- Stampa 3D in metallo: finitura opaca in rame/acciaio inossidabile, struttura di stampa a strati visibile, formazione di canali complessi in un unico pezzo
- Incisione fotolitografica al silicio: superficie in silicio a specchio argentato, scanalature interne di precisione micron ultrafine
