נטר טמפרטורות של מרכזי נתונים AI עם תרמיסטורי NTC

מרכזי נתונים מתמודדים עם אתגרי ניהול תרמי חסרי-תקדים ככל שדרישות בינה מלאכותית (AI)מתעצמות וצפיפויות הספק גדלות. ניטור טמפרטורה מדויק, בזמן-אמת, נחוץ כדי למטב ביצועים ונצילות תוך כדי מניעת התחממות-יתר. פתרונות חישה אלה חייבים להיות‏ מדויקים, רספונסיביים ואיתנים כדי לטפל במהירות בעומסים תרמיים משתנים בציוד עם רגישות גבוהה.

מאמר זה בוחן את אתגרי הניהול התרמי העומדים בפני מתכננים של מרכזי נתונים AI מודרניים, תוך בחינת מערכות קירור שונות, כולל מיזוג אוויר, קירור בטבילה ופתרונות צינור חום (heat pipe). אחר כך הוא מציג פתרונות תרמיסטור מקדם טמפרטורה שלילי (NTC) מבית EPCOS‏ (TDK) ומראה כיצד ניתן להשתמש בהם כדי לעמוד באתגרים אלה.

מדוע מרכזי נתונים AI מציבים אתגרי ניהול תרמי חדשים

חומרת AI, כמו יחידות עיבוד גרפיקה (GPUs) ויחידות עיבוד טנסור (TPUs), מושכת בדרך כלל משמעותית יותר הספק מיחידות עיבוד מרכזיות מסורתיות (CPUs). כתוצאה מכך, מרכזי נתונים ממוקדי-AI נוטים להיות בעלי צפיפויות הספק גבוהות יותר במידה ניכרת עם נקודות חמות מרוכזות שקשה לנהל בגישות קירור קונבנציונליות.

כדי להחמיר את המצב, עומסי עבודה AI נוטים להיות‏ משתנים מאוד, עם הפוטנציאל להסלמה מהירה בעומסים תרמיים במהלך אימונים אינטנסיביים או פעולות הסקה. ללא ניהול תרמי נכון, תנאים אלה עלולים להוביל להאטה בביצועים, הפסקות פעילות לא מתוכננות והתדרדרות חומרה מואצת.

כתגובה לדרישות עולות אלו, מרכזי נתונים מאמצים שיטות קירור מתקדמות יותר. קירור ישיר לשבב הוא בחירה נפוצה אחת. טכניקה זו ממקמת צינורות קירור, לוחות קרים או ממירי חום ישירות סמוך רכיבים בעלי הספק גבוה כגון יחידות CPU,‏ GPU וזיכרון. קירור על ידי טבילה הוא אפשרות אחרת; כאן, שרתים שלמים שקועים בנוזל לא מוליך.

מיזוג אוויר גם כן מקבל מגוון שדרוגים. לדוגמה, יחידות בשורה ובכונן משלימות את מיזוג האוויר של המתקן עם קירור מקומי שיכול להגיב לנקודות חמות בזמן אמת.

למרות שהפרטים של מערכות קירור אלה משתנים, הם כולם מעלים את הביקוש לניטור טמפרטורה מבוזר ומגיב יותר. קח מערכות ישירות-לשבב כדוגמה. חיישנים מורכבים על גופי-קירור נחוצים בכל שבב מטרה כדי להבטיח שתקני הטמפרטורה נשמרים. חיישנים מורכבים על צינור נדרשים לנטר את זרם נוזל הקירור הנכנס, וחיישנים נוספים נחוצים ליחידות חלוקת נוזל הקירור וממירי החום כדי לוודא שהמערכת פועלת ביעילות.

יתרונות חיישני תרמיסטור NTC‏ עבור יישומי מרכז נתונים

תרמיסטורי NTC‏ מתאימים היטב לכל הדרישות הללו. כפי שהשם מרמז, חיישן‏ NTC‏ מציג ירידה צפויה בהתנגדות החשמלית ככל שהטמפרטורה עולה. במקרה של‏‏ תרמיסטורי NTC, זה מושג עם אלמנט קרמי מחומצן קטן, רגיש לחום, סגור במעטפת מתכת או אפוקסי מגן.

איור 1‏ מציג עקומות טמפרטורה אופייניות כנגד התנגדות עבור תרמיסטורים עם דירוגים של‏ 2 עד 5 קילו-אוהם (kΩ‏) ב-25°C‏. כפי שתרשים זה ממחיש, תרמיסטורים עם התנגדויות גבוהות יותר הם טובים יותר עבור יישומי טמפרטורה גבוהה כי השינוי בהתנגדות קל יותר למדידה.

איור 1:‏ מוצגות עקומות טמפרטורה אופייניות כנגד התנגדות עבור תרמיסטורים עם דירוגים של ‎2 kΩ עד ‎5 kΩ ב-25°C‏. (מקור תמונה: EPCOS‏ (TDK))

היתרונות של תרמיסטורי‏ NTC‏ עבור מרכזי נתונים AI כוללים:

• דיוק גבוה וזמן תגובה מהיר: תרמיסטורי NTC הם רגישים ביותר לשינויי טמפרטורה קטנים ויכולים להגיב במהירות הודות למסה התרמית הקטנה שלהם. גורמים אלה עושים את תרמיסטורי ה-NTC לתואמים היטב לדרישות התרמיות המשתנות במהירות של מרכזי נתונים AI.
• עמידות ויציבות: תרמיסטורי NTC בנויים מחומרים איתנים ומציעים אמינות ארוכת-טווח מצוינת עם סחיפת התנגדות מינימלית עם הזמן. יציבות זו מקטינה למינימום דרישות תחזוקה ומפחיתה את הסיכון לזמן דמימה‏ בלתי-צפוי.
• גודל קומפקטי והרכבה גמישה: גודלם הקטן מאפשר אינטגרציה קלה לתוך סביבות מרכזי נתונים צפופות היכן שהמקום הוא פרמיום. הם זמינים במגוון רחב של‏ גורמי צורה, מה שמאפשר להם לתת מענה למגוון המלא של מערכות קירור מרכזי נתונים AI.

משפחת ה-EPCOS‏ של‏ תרמיסטורי NTC מדגימה יתרונות אלה. המערך כולל פתרונות לניטור גופי-קירור וצינורות, מערכות קירור בטבילה ויחידות לטיפול באוויר.

ניטור רכיבי הספק-גבוה עם תרמיסטורי NTC המורכבים על גופי-קירור

מעבדי הספק-גבוה כגון יחידות GPU ו-TPU דורשים ניטור תרמי קרוב כדי לשמור על ביצועים ולמנוע התחממות-יתר. ה-B57703M0103G040 (איור 2‏)‏ מתוכנן לחיבור ישיר לגופי-קירור, מה שעושה אותו מתאים היטב למשימה. חיישן הברגה זה עוטף תרמיסטור NTC במארז תג-מתכת עם בליטה טבעתית מזדקרת‏.

איור 2‏: תרמיסטור נעל-הכבל הטבעתי B57703M0103G040 מאפשר ניטור טמפרטורה מדויק על גופי-קירור עבור מעבדי הספק-גבוה. (מקור תמונה:: EPCOS‏ (TDK))

תכן החיישן המוברג הוא נוח כמו גם חשוב להבטחת צימוד תרמי טוב ולחץ‏ מגע עקבי למשטח גוף-הקירור, להקטנת ההתנגדות התרמית ולשיפור דיוק המדידה במהלך שינויי עומס מהירים.

החיישן נבדק ליציבות ארוכת טווח של מעל 10,000 שעות ב-‎70°C+, לתמיכה בשימוש בו בתנאי הטמפרטורה הגבוהים הנפוצים בעומסי עבודה של מרכזי נתונים AI. דירוג ה-‎10 kΩ‏ שלו ב-25‎°C+ מספק‏ בסיס אמין עבור מדידת טמפרטורות עבודה גבוהות יותר, מאפשר משוב מדויק עבור מערכות בקרת טמפרטורה.

ניטור צינורות קירור נוזל באמצעות‏ תרמיסטורי NTC

מערכות קירור נוזל תלויות‏ באספקה עקבית של נוזל קירור בטמפרטורה מתאימה. ה-B58100A0506A000 (איור 3‏) הוא תרמיסטור ‎10 kΩ NTC המתוכנן להתקנה מהירה על צינורות, מה שעושה אותו לבחירה טובה עבור ניטור קווי אספקה של נוזל קירור. מכלול יצוק זה מתהדק ישירות לצינורות בעלי קטרים של‏ 18‏ מ"מ עד 19‏ מ"מ, עם גדלים אחרים זמינים להתקנות שונות. לשוניות מגע מובנות מספקות חיבור פשוט לציוד ניטור.

איור 3‏: התרמיסטור המתהדק B58100A0506A000 מודד את טמפרטורת נוזל הקירור במערכות קירור נוזל. (מקור תמונה:: EPCOS‏ (TDK))

ניטור טמפרטורת הצינור החיצוני‏ מספק דרך‏ מדויקת וידידותית לתחזוקה לעקוב אחר ביצועי נוזל הקירור מבלי להטביע את החיישן ישירות בנוזל. גישה זו מצמצמת למינימום את מורכבות ההתקנה, מפחיתה סיכוני דליפה ומאפשרת החלפת חיישן מהירה במקרה הצורך.

‏פרמטר ביצועים חשוב של חיישני טמפרטורה הוא קבוע הזמן התרמי, הידוע גם כזמן תגובה תרמי, מה שמשקף את מהירות שינוי ההתנגדות של תרמיסטור NTC בתגובה לתנודות טמפרטורה חיצוניות. הפרמטר‏ מושפע על ידי התכן של החיישן, תצורת ההרכבה והסביבה הסובבת.

לדוגמה, ה-B58100A0506A000 משתמש במארז‏ נחושת לצימוד תרמי של החיישן לצינור כדי להשיג קבוע זמן תרמי נמוך מ-5 שניות (s‏), נמדד על הצינור‏. זמן תגובה מהיר זה עוזר להבטיח אספקת נוזל קירור‏ אמינה.

ניטור מערכות חלוקת נוזל קירור באמצעות‏ תרמיסטורי NTC

בנוסף לניטור מקורות חום וקווי אספקת נוזל קירור, מערכות קירור נוזל דורשות חישת טמפרטורה ביחידת החלוקה של נוזל הקירור, ממיר החום ורכיבים מרכזיים אחרים. ה-B57800K0103A001 (איור 4‏)‏ מתאים היטב לתפקיד זה. מארז הנחושת הגלילי שלו מספק מוליכות תרמית מצוינת, מאפשר מדידה מדויקת של טמפרטורות נוזל בנקודות קריטיות של המערכת.

איור 4‏: תרמיסטור הבחון הגלילי B57800K0103A001 מנטר טמפרטורות נוזל קירור במערכות חלוקה. (מקור תמונה:: EPCOS‏ (TDK))

עם יכולת טמפרטורת עבודה של ‎150°C+, חיישן ‎10 kΩ זה ניתן למקם במקומות חמים ללא סיכון להתחממות יתר. יש לו קבוע זמן תרמי במים של בערך ‎8 s, מה שמאפשר לו לעקוב אחר שינויים בטמפרטורת נוזל הקירור במהירות מספקת עבור בקרה והגנה ברמת מערכת.

פריסת חיישנים הן בכניסה והן ביציאה של רכיבים אלה מאפשר למפעילים לעקוב אחר הפרשי טמפרטורה בין ממירי חום או חוגי חלוקה. סטיות משמעותיות יכולות להצביע על בעיות כמו זרימת נוזל קירור מופחתת, סתימה חלקית או משטחי מחליף-חום פגומים, ליזום תחזוקה מונעת לפני שביצועי המערכת מושפעים.

ניטור מערכות קירור בטבילה באמצעות‏ תרמיסטורי NTC

מערכות קירור בטבילה, שטובלות שרתים בנוזל לא מוליך כמו שמן דיאלקטרי, דורשות חיישנים שיכולים לעמוד בפני קורוזיה אפשרית. ה-B57504K0103A009 (איור 5‏) הוא חיישן ‎10 kΩ הבנוי במיוחד עבור סביבות מסוג זה. מארז פלדת האל-חלד שלו מספק עמידות בנוכחות חומרים קורוזיביים קלים, תוך הבטחת צימוד תרמי יעיל לאלמנט החישה.

איור 5‏: תרמיסטור הבחון מפלדת אל-חלד B57504K0103A009 מנטר טמפרטורת נוזל קירור במערכות קירור בטבילה. (מקור תמונה:: EPCOS‏ (TDK))

לחיישן זה יש קבוע זמן תרמי במים קטן מ-‎2 s,‏ ובכך מאפשר מעקב מדויק של שינויי‏ טמפרטורה באמבט הטבילה.

ניטור מיזוג אוויר באמצעות תרמיסטורי NTC

לבסוף, הבא בחשבון את ה-B57500M0103A005 (איור 6‏)‏. התקן ‎10 kΩ זה‏ משתמש במעטפת פשוטה של אפוקסי כדי להשיג גורם צורה קומפקטי המזווג עם 470 מ"מ חוטים מוליכים עבור אפשרויות ניתוב גמישות. לדוגמה, הגודל הקטן והחוטים המוליכים הארוכים מאפשרים התקנה קרוב לסלילי מאייד או בתוך תעלות זרימת אוויר, כשזיהוי מהיר של שינויי טמפרטורה מסייע בשמירה על בקרת אקלים יציבה.

איור 6‏: התרמיסטור במעטפת אפוקסי B57500M0103A005 יכול לנטר מערכות מיזוג אוויר. (מקור תמונה:: EPCOS‏ (TDK))

בין שאר יתרונותיו, חיישן זה אומת כעמיד בפני רעידות, מחזורי טמפרטורה מהירים וסכנות אחרות הנפוצות במערכות מיזוג אוויר, ללא נזק פיזי או השפעה משמעותית על דיוק המדידה.

סיכום

עומסי עבודה AI יוצרים צורך דחוף בניטור טמפרטורה מבוזר במרכז הנתונים. באמצעות האופציות של גופי-קירור, צינורות נוזל קירור, אמבטיות טבילה, יחידות טיפול באוויר ועוד, משפחת ה-EPCOS‏ (TDK) של תרמיסטורי‏ NTC‏ תומכת בפעולה אמינה ורספונסיבית בסביבות תובעניות.