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数ブラウズ：2 著者：サイトエディタ 公開された： 2025-12-16 起源：パワード
コンピューティング能力に対する需要は膨大です。先進的な GPU や CPU などの AI チップは、今や限界を押し広げています。熱設計能力 (TDP) は非常に高いです。多くの場合、チップあたり 700 ワットを超えます。場合によっては1000ワット近くになることもあります。従来の空冷システムでは、この熱負荷に対処できません。このような電力密度では空冷は完全に機能しません。
直接液体冷却 (DTC) は、現在必要なソリューションです。 DTC では、コールド プレートをチップ上に直接配置します。これが現代のデータセンターの主な傾向です。しかし、液体冷却プレートには非常に効率的な熱インターフェースが必要です。このインターフェースは、小さなホットチップを大きなコールドプレートに接続する必要があります。
ここで ヒート パイプ モジュールが 登場します。このモジュールには、標準のヒート パイプとベイパー チャンバー (VC) が含まれています。これはコアの熱拡散コンポーネントとして機能します。チップと最終的な液体冷却プレートの間に配置されます。
この記事では、これらのヒート パイプ モジュールの重要な役割について説明します。どのように利用しているかを示しています 相変化熱伝達を。この移転により、2 つの主な問題が解決されます。これによりが高いという問題が解決されます 、局所的な熱流束密度。また、 の問題も解決します。 AI チップの 不均一な発熱
ヒートパイプモジュールは優れた熱伝達デバイスです。相変化を利用して熱を移動させます。これにより、固体金属導体よりもはるかに効率的になります。
ヒートパイプは、単純な連続サイクルを通じて機能します。真空チューブの中に作動流体が封入されています。
蒸発 (加熱ゾーン): AI チップからの熱により流体が蒸発します。これにより、多量の熱エネルギー（潜熱）が吸収される。
輸送: 蒸気はチューブを通って冷却ゾーンまで急速に移動します。
凝縮 (冷却ゾーン): 蒸気は冷却されて液体に戻ります。これにより、潜熱がコールドプレートに放出されます。
リターン: 液体はウィック構造 (毛細管現象) を通って加熱ゾーンに戻ります。
プロセス全体が非常に高速です。この相変化サイクルはヒートパイプに特別な利点をもたらします。ヒートパイプの実効熱伝導率 (keff) は銅よりもはるかに高くなります。 5～100倍にもなる可能性があります。
ベイパー チャンバー (VC) は特殊な形式のヒート パイプです。フラットかつ二次元になるようにデザインされています。
VC はヒートパイプと同じ原理で動作します。ただし、熱は線ではなく面に広がります。 AIチップには欠かせない機能です。これらのチップには発熱点が集中しています。 VC はこれらの点からの熱をすぐに捕らえます。次に、熱を上面全体に均一に分散させます。この動作により、次の冷却段階に向けて熱が準備されます。
VC は、熱が熱源に残らないようにします。この機能により、最新の GPU 冷却アセンブリには不可欠なものとなります。
AI チップの熱設計は 2 つの主な物理的課題に直面しています。ヒート パイプ モジュールは、両方の課題に効果的に対処できるように特別に設計されています。
GPU と CPU のダイは均等に加熱されません。メインのコンピューティング コアなどの特定の機能ブロックは、局所的に激しい熱を生成します。
これらのコア領域の熱流束密度 (W/cm^2) は極端です。それは1平方センチメートルあたり数百ワットになる場合があります。標準的なコールド プレートをその上に直接置くと、熱が十分に早く広がりません。これにより、局所的なジャンクション温度 (Tj) が急速に上昇します。 Tj が高いと、パフォーマンスの低下につながります。また、材料の劣化の原因にもなります。
ベイパーチャンバーはこの問題を即座に解決します。 VC ベース プレートがチップに接触します。ホットスポットからの強烈な熱を瞬時に捕らえます。この熱をチャンバー内で蒸気に変換します。この蒸気は、VC 表面の低温領域全体で急速に凝縮します。このプロセスにより、 熱流束が効果的に均一化されます。 VC の上面全体がほぼ等温になります。これにより、危険な局所的な過熱が防止されます。
熱は最終的に液体冷却剤に到達する必要があります。ヒート パイプ モジュールは、この転送において重要な橋渡し役として機能します。
液体冷却プレートは通常、大きなコンポーネントです。効率的な熱交換のためには大きな接触面積が必要です。 AIチップ自体は小さいです。ヒート パイプ モジュールは、これら 2 つのサイズ間の最適なインターフェイスです。小さなチップから高熱束の熱を受け取ります。次に、その熱が液体冷却プレートのより広い表面全体に効率的に広がります。
熱が等温 VC を介して伝達されると、2 つのことが起こります。まず、液体冷却プレートへの熱入力が均一になります。第 2 に、液体冷却プレートはそれ自体の効率を最大化できます。すべての内部チャネルとフィンを完全に活用できます。これにより、流体への可能な限り最高の対流熱伝達が保証されます。 VC やヒート パイプがなければ、液体冷却プレートはチップのコアの真上でのみ効率的に機能します。
エンジニアは適切なタイプの相変化デバイスを選択する必要があります。この選択は、チップのレイアウトとシステムの形状によって異なります。
ヒートパイプとVCはどちらも同じ原理を使用します。しかし、その幾何学的形状がその最良の使用法を決定します。
| パラメータ | ベイパーチャンバー (VC) | ヒートパイプ (HP) | 最適なアプリケーションシナリオ |
|---|---|---|---|
| 拡散/等温能力 | 優れた（面内分散が速い） | 中 (方向性のある輸送に適しています) | 高磁束チップコアと直接接触します。 |
| 構造の柔軟性 | 低い（ほぼ横ばいを維持する必要がある） | 高（曲げ可能、障害物を回避できる形状） | 遠隔のヒートシンクまで熱を長距離移動します。 |
| 料金 | 上位（複雑な内部構造） | 下部（標準化されたチューブ製造） | |
| 適用熱流束 | エクストリーム ($>500 ext{W}/ ext{cm}^2$) | 中程度から高 |
VC は、ダイレクト チップ インターフェイスとしては優れた選択肢です。極端な不均一な磁束を最適に処理します。ヒートパイプはとしてよく使用されます 導管。広がった熱を離れた液体冷却プレートまたは熱交換器に移動させます。
典型的な AI 冷却ソリューションはハイブリッド モジュールです。チップを DTC システムにリンクします。
熱は特定の材料の積み重ねを通過する必要があります。スタックには以下が含まれます。
設計では、2 つの TIM インターフェイスでの熱抵抗を最小限に抑えることに重点を置く必要があります。 VC は優れた平坦性を備えている必要があります。この平坦度は、チップとコールド プレートの両方と完全に嵌合するために必要です。 VC は完全な 等温装置として機能します。複雑な熱源を液体冷却プレート用のシンプルで均一な熱源に変えます。
ヒートパイプモジュールは単なる熱移動手段ではありません。これらは、システムのパフォーマンスを向上させ、長期的な信頼性を確保するための重要なコンポーネントです。
ヒート パイプ モジュールの高効率はチップに直接的なメリットをもたらします。
モジュールの熱抵抗が低いということは、チップがより低温で動作することを意味します。これは、チップ ジャンクション温度 (T_j) の低下に直接つながります。 $Tj が低いことが重要です。これにより、AI チップがより高いクロック速度で動作できるようになります。これにより、ブースト期間を長くすることができます。これにより、計算スループットが最大化されます。
ヒートパイプモジュールは優れた熱均一性を提供します。ホットスポットを効果的に除去します。この除去により、チップ表面全体の最大温度差 (DeltaT_max) が減少します。温度サイクルと温度勾配が減少すると、熱ストレスのリスクが大幅に減少します。このアクションにより、AI ハードウェアの全体的な寿命と信頼性が大幅に向上します。
相変化デバイスの設計と製造は複雑です。
重力の影響: 標準的なヒート パイプは重力の影響を受ける可能性があります。重力に対して適切な方向を向いていない場合、パフォーマンスは低下します。サーバーの設計では、信頼性を確保するためにヒート パイプの最適な動作角度を考慮する必要があります。
密閉性と清潔さ: ヒート パイプと VC には、完全な内部密閉性が必要です。作動流体と芯の構造は非常に清浄でなければなりません。非凝縮性ガスがあると効率が大幅に低下します。これには、高精度のスタンピングと熟練したろう付けまたは溶接 (Winshare Thermal が習得したプロセス) が必要です。
高圧の完全性: VC は、高温での高い内部圧力に対処する必要があります。構造は堅牢でなければなりません。
TDPは今後も上昇し続けます。業界はハイブリッド ソリューションに向かって進んでいます。これらのソリューションには、非常に厚い VC や、VC の真上に配置されたマイクロチャネル液体冷却プレートも含まれます。熱拡散コンポーネントの役割は、今後も AI 冷却ソリューションの中心となります。
ヒート パイプ モジュールは、中核となる熱管理コンポーネントです。これは、現代の AI サーバー冷却チェーンに不可欠です。局所的なホットスポットと困難な熱輸送という根本的な問題を効率的に解決します。
モジュールは等温面を提供します。この表面は、最終的な液体冷却プレートが最高の効率で動作するために必要です。 TDP が上昇し続けるにつれて、VC とヒート パイプの熱拡散能力が重要な基盤になります。これは、直接液体冷却の潜在的なパフォーマンスを最大限に引き出す鍵となります。
Winshare Thermal はエンドツーエンドの機能を提供します。当社は、VC、カスタム ヒート パイプ モジュール、高性能液体コールド プレートを設計および製造しています。当社は、最も要求の厳しい AI アプリケーション向けに統合された熱ソリューションを提供します。 AI サーバーの熱アーキテクチャを最適化するには、お問い合わせください。
