| مقياس الأداء | القيمة المستهدفة / الحالة |
|---|---|
| إجمالي طاقة الشريحة | 2700 واط لـ GB200 (وحدة معالجة مركزية Grace واحدة + وحدتا معالجة رسوميات B1) |
| كثافة تدفق الحرارة | تتجاوز 50 واط/سم²، وتصل إلى 150 واط/سم² في بعض الأماكن |
| حد ارتفاع درجة الحرارة (Tc) | أقل من 40 درجة مئوية للشريحة، وأقل من 30 درجة مئوية لوحدة معالجة الرسومات |
| المقاومة الحرارية المطلوبة | منخفضة للغاية، أقل من 0.03 درجة مئوية/وزن |
| مقاومة التدفق المطلوبة | لا يتجاوز 20 كيلو باسكال |
تدفع رقائق الذكاء الاصطناعي من الجيل التالي، مثل GB200 من NVIDIA، حدود الأداء إلى مستويات غير مسبوقة. لكن هذه القوة الهائلة تأتي بثمن باهظ: حرارة هائلة. إذ يمكن لرقاقة GB200 الواحدة أن تستهلك طاقة هائلة تصل إلى 2700 واط . ومع هذه الطاقة الكبيرة في حيز صغير، لم يعد التبريد الهوائي التقليدي كافيًا. والطريقة الوحيدة للحفاظ على برودة هذه الرقائق هي استخدام أنظمة التبريد السائل المتطورة.
دعونا نحلل التحديات الهندسية الدقيقة ونرى كيف تصمم شركة Kenfa Tech لوحة تبريد سائلة للتعامل مع الحرارة الشديدة لجهاز GB200.
الأرقام وراء تحدي التبريد في GB200
لفهم الحل، يجب علينا أولاً فهم المشكلة بالتفصيل. الحرارة المنبعثة من GB200 ليست عالية فحسب، بل هي أيضًا شديدة التركيز. وهذا ما يُسمى كثافة تدفق الحرارة.
تُنتج الشريحة تدفقًا حراريًا يزيد عن 50 واط/سم² ، أي ما يعادل 50 واط من الحرارة في مساحة بحجم ظفر الخنصر. في بعض المناطق الساخنة، قد يصل هذا التدفق إلى 150 واط/سم² . إذا لم تتم السيطرة على هذه الحرارة، فإنها ستتلف الشريحة بسرعة. لذا، يجب عمومًا إبقاء ارتفاع درجة حرارة الشريحة (Tc) أقل من 40 درجة مئوية ، بينما يتطلب معالج الرسوميات نفسه حدًا أدنى أكثر صرامة، وهو أقل من 30 درجة مئوية.
يتطلب تلبية هذه الأرقام نظام تبريد يتمتع بخاصيتين رئيسيتين:
- مقاومة حرارية منخفضة للغاية (أقل من 0.03 درجة مئوية/واط). وهذا يعني أن اللوحة الباردة تتمتع بكفاءة فائقة في سحب الحرارة بعيدًا عن الشريحة.
- مقاومة التدفق المنخفضة (لا تتجاوز 20 كيلو باسكال). ويضمن هذا أن سائل التبريد يمكن أن يتحرك عبر اللوحة بسهولة دون الحاجة إلى مضخة قوية تستهلك الكثير من الطاقة.
نحن لا ندير الحرارة فحسب، بل ندير أيضًا كثافة الحرارة الشديدة. الهدف هو إيجاد مسار للهروب الحراري بأسرع ما يمكن وبكفاءة عالية. كل نقطة عشرية في حساب المقاومة الحرارية مهمة لاستقرار أنظمة الذكاء الاصطناعي القوية هذه.
- مهندس حراري صناعي
داخل الصفيحة الباردة: فيزياء البنية والتدفق
لتحقيق هذه الأرقام المذهلة، يستخدم المهندسون تصميمًا محددًا يسمى لوحة التبريد ذات القنوات الدقيقة، والتي غالبًا ما يتم بناؤها باستخدام عملية الزعانف المشذبة.
هيكل القناة الدقيقة بواسطة الزعانف المتساقطة
تُصنع الصفيحة الباردة عادةً من النحاس، وهو مادة ممتازة لنقل الحرارة (بمعامل توصيل حراري يبلغ 385 واط/متر.كلفن ). ثم تقوم أداة خاصة بتشكيل زعانف رقيقة مباشرةً من قاعدة النحاس، مما يُنتج سلسلة من القنوات الصغيرة المتوازية.
- سمك الزعنفة (t) هو عمومًا ≤ شنومكسم.
- المسافة بين الزعانف (P) هي أيضًا ≤ شنومكسم.
- ارتفاع الزعنفة (L) عادة ما يكون ≥ 3mm.
تخلق هذه الأبعاد الصغيرة مساحة سطح داخلية ضخمة، وهو أمر حيوي لسحب الحرارة إلى سائل التبريد الذي يتدفق عبر القنوات.
بنية القنوات الدقيقة أساسية. العلاقة بين ارتفاع الزعانف (L) والمسافة (P) تُحدد كيفية تدفق السائل.
فهم التدفق الداخلي
طريقة تحرك السائل عبر هذه القنوات الدقيقة بالغة الأهمية. يُحلل المهندسون ذلك باستخدام بعض الصيغ الأساسية.
أولاً، يتم حساب القطر الهيدروليكي للقناة (Dh) ، والذي يمثل الحجم الفعال للقناة لتدفق السوائل. الصيغة هي:
Dh = 2(P*L)/(P+L)
نظرًا لأن ارتفاع الزعنفة (L) أكبر بكثير من المسافة (P)، مع نسبة L/P غالبًا ما تكون أكثر من 15، فإن هذه الصيغة يمكن تبسيطها إلى: Dh ≈ 2Pيخبرنا هذا أن حجم القناة الفعال يرتبط بشكل مباشر بالمسافة الصغيرة بين الزعانف.
بعد ذلك، يقوم المهندسون بتحديد نوع التدفق باستخدام رقم رينولدز (Re):
Re = ρ * V * Dh / μ
في هذه الصيغة، ρ هي كثافة المائع، وV هي السرعة، وμ هي اللزوجة. بالنسبة للوحة باردة نموذجية، تكون سرعة التدفق (V) عادةً أقل من 0.1 م/ث . عند حسابها، يكون عدد رينولدز (Re) أقل من 2000. وهذا يؤكد أن التدفق سلس ويمكن التنبؤ به، وهو ما يُعرف بالتدفق الصفائحي.
كيف يعمل المهندسون على تحسين أداء اللوحة الباردة
بناءً على هذا العلم، يعرف المهندسون بدقة ما يجب تعديله لتحسين أداء اللوحة الباردة. وهناك هدفان رئيسيان:
1. تقليل مقاومة التدفق
لتسهيل تدفق السائل، يمكن للمهندسين القيام بما يلي:
- تقليل سرعة التدفق (فولت) بين الزعانف.
- تقليل طول الزعانف في اتجاه التدفق.
2. زيادة انتقال الحرارة بالحمل الحراري
لتبريد اللوحة بفعالية أكبر، يجب زيادة معامل انتقال الحرارة (h). ومن الاكتشافات المثيرة للاهتمام أنه في هذا النوع من التدفق الصفحي، لا تؤثر السرعة (V) كثيرًا على معامل انتقال الحرارة (h). لذا، يتوفر خياران آخران:
- زيادة التوصيل الحراري للسائل (ك) عن طريق اختيار سائل تبريد أكثر فعالية.
- تقليل القطر الهيدروليكي المكافئ (Dh)، وهو ما يعني في الأساس جعل القنوات أصغر وأكثر إحكاما.
باستخدام هذه المبادئ والحسابات الدقيقة، يستطيع المهندسون تصميم وضبط صفيحة تبريد سائلة فعّالة. يُعدّ هذا العمل الدقيق أساسيًا لمستقبل الذكاء الاصطناعي، إذ يضمن عمل الرقائق القوية مثل GB200 بكامل طاقتها دون ارتفاع درجة حرارتها.
