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Kühlen direkt am Chip Was ist eine Cold Plate?

Autor / Redakteur: lic.rer.publ. Ariane Rüdiger / Julia Schmidt

Intensives Rechnen erzeugt Hitze am Chip, die abgeführt werden muss. Eine mögliche Methode zur Kühlung sind sogenannte Cold Plates.

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Cold Plates kühlen einzelne Systemkomponenten, etwa den Prozessor.
Cold Plates kühlen einzelne Systemkomponenten, etwa den Prozessor.
(Bild: © djama - stock.adob.com)

Wenn grafische Beschleuniger, Leistungshalbleiter wie IGBTs (Insulated-gate bipolar transistor) oder CPUs mit Hochdruck rechnen, wird es schnell sehr heiß. Und diese Hitze gefährdet das Überleben der teuren, hochkomplexen Bauteile. Nicht immer ist in solchen Fällen gleich das ganze System intensiv kühlungsbedürftig. Doch kann die Luftkühlung punktuell gelegentlich nicht mehr ausreichen, um so mehr, als die Leistung von CPUs und speziell GPUs tendenziell weiter zunimmt.

Datenanalyse: Ein heißes Thema

Das gilt besonders in analytischen Subsystemen oder beim Anlernen von neuronalen Netzen. Beides wird in Zukunft dringend benötigt, um mit den Massen an Daten fertig zu werden, die analysiert werden müssen.

Mit anderen Worten: bessere Kühltechniken müssen her. Eine solche ist die Cold Plate, zu deutsch: Flüssigkühlkörper. Sie besteht aus einem höchst leitfähigen Material, das von einer Kühlflüssigkeit in mäandernden Rohrleitungsbahnen oder miteinander verbundenen Mikrokanälen durchströmt wird.

Selektiv kühlen im geschlossenen System

Die Kühlflüssigkeit fließt zu einem Wärmetauscher, der sich beispielsweise in der Rücktür des Elektronik-Racks oder aber in einem Einschub befinden kann und wird dort an einen sekundären Kühlkreislauf, der auch auf Luft basieren kann, abgegeben.

Die Kühlflüssigkeit der Cold Plate befindet sich im geschlossenen Kreislauf.
Die Kühlflüssigkeit der Cold Plate befindet sich im geschlossenen Kreislauf.
(Bild: ATS)

Das primäre Kühlmittel bewegt sich in einem geschlossenen Kühlkreislauf und gibt die Hitze über einen Wärmetauscher ans sekundäre Kühlmittel ab. Das kann auch Luft sein. Daher benötigen Systeme mit Cold Plate nicht unbedingt einen Wasseranschluss im Rechenzentrum. Als primäres Kühlmittel kommen neben Wasser und Wasser-Glykol-Gemischen auch ein Dielektrikum oder herstellerspezifische Kühlmittel in Frage.

Cold-Plate: ODSA arbeitet an Standards

Die Cold Plate wird entweder direkt in den Chip integriert, auf ihn aufgesetzt oder aber befindet sich auf einem selbständigen Träger, der mit einer unter dem Chip befindlichen Platte verschraubt wird. Die rechnende Einheit und Hitzequelle wird sozusagen sandwichartig eingepackt.

EIn Cold-Plate-Design von ATS.
EIn Cold-Plate-Design von ATS.
(Bild: ATS)

Standards gibt es für diese Komponenten noch nicht. Letzteres Design ist aber das, was die ODSA (Open Domain-Specific Architecture), ein Subprojekt von OCP (Open Compute Project) voraussichtlich bevorzugt spezifizieren wird, um das Überhitzen von Chips in hochleistungsfähigen Beschleunigersystemen zur Datenanalyse zu verhindern.

Der Chip im Sandwich

Eine Sandwich-Lösung hat gleich mehrere Vorteile: Erstens bleibt die Kühlflüssigkeit mechanisch getrennt vom Chip, das heißt, dessen Fertigungstechnik ist dieselbe wie bisher. Zweitens kann die Kühltechnik unabhängig von den Chipherstellern entwickelt und angeboten werden, eventuell auch zum Nachrüsten. Damit wird die ohnehin mächtige Marktposition der Chiphersteller nicht weiter zementiert. Es kann mehr Wettbewerb entstehen. Drittens lassen sich die Kühler unter Umständen auch nach einem Austausch des betreffenden Chips weiter verwenden.

OCP Summit 2020: Rittal und Zutacore zeigen marktreifes Cold-Plate-Design

Auf dem virtuellen OCP Summit 2020 stellten Zutacore und Rittal gemeinsam eine Cold-Plate-Lösung für die nachträgliche Integration in bereits befüllte Racks beziehungsweise in bestehenden Rechenzentren vor. Das Design folgte der von ODSA bevorzugten Sandwich-Montage.

Weitere Anbieter von Cold Plates sind beispielsweise AMS Technologies AG, Advanced Thermal Solutions, ACT, Boyd Corporation, CoolTec und DfR Solutions.

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Über den Autor

lic.rer.publ. Ariane Rüdiger

lic.rer.publ. Ariane Rüdiger

Freie Journalistin, Redaktionsbüro Rüdiger