Surveiller la température des data centers d'IA avec des thermistances CTN

Les data centers sont confrontés à des défis de gestion thermique sans précédent à mesure que les demandes en matière d'intelligence artificielle (IA) s'intensifient et que les densités de puissance augmentent. Une surveillance en temps réel précise de la température est nécessaire pour optimiser les performances et le rendement tout en évitant la surchauffe. Ces solutions de détection doivent être précises, réactives et robustes pour gérer des charges thermiques à variation rapide sur des équipements hautement sensibles.

Cet article examine les défis de gestion thermique auxquels sont confrontés les concepteurs de data centers d'IA modernes, et explore divers systèmes de refroidissement, notamment la climatisation, le refroidissement par immersion et les caloducs. Il présente ensuite des solutions de thermistances à coefficient de température négatif (CTN) d'EPCOS (TDK) et montre comment elles peuvent être utilisées pour relever ces défis.

Pourquoi les data centers d'IA présentent de nouveaux défis de gestion thermique

Le matériel d'IA, tel que les processeurs graphiques (GPU) et les unités de traitement tensoriel (TPU), consomme généralement beaucoup plus d'énergie que les processeurs (CPU) traditionnels. Par conséquent, les data centers axés sur l'IA ont tendance à présenter des densités de puissance considérablement plus élevées, avec des points chauds concentrés difficiles à gérer avec les approches de refroidissement conventionnelles.

Pour ne rien arranger, les charges de travail d'IA ont tendance à être très variables, avec un potentiel d'escalade rapide des charges thermiques lors d'opérations intensives d'entraînement ou d'inférence. Sans une gestion thermique appropriée, ces conditions peuvent affecter les performances, conduire à des pannes imprévues et accélérer la dégradation du matériel.

En réponse à ces nouveaux besoins, les data centers adoptent des méthodes de refroidissement plus avancées. Le refroidissement direct sur puce (Direct-to-chip) constitue un choix populaire. Cette technique positionne les tuyaux de refroidissement, les plaques de refroidissement ou les échangeurs thermiques directement contre les composants haute puissance tels que les processeurs, les GPU et la mémoire. Le refroidissement par immersion est une autre option où des serveurs entiers sont immergés dans un liquide non conducteur.

La climatisation bénéficie également de diverses améliorations. Par exemple, les unités en rangée et en rack complètent la climatisation de l'ensemble de l'installation avec un refroidissement localisé capable de réagir aux points chauds en temps réel.

Les spécificités de ces systèmes de refroidissement varient, mais la demande pour une surveillance de la température plus distribuée et plus réactive est généralisée. Prenons l'exemple des systèmes directs sur puce. Des capteurs montés sur les dissipateurs thermiques sont nécessaires sur chaque puce ciblée pour garantir le respect des normes de température. Des capteurs montés sur les tuyaux sont requis pour surveiller le flux entrant de liquide de refroidissement, et des capteurs supplémentaires sont nécessaires pour les unités de distribution de liquide de refroidissement et les échangeurs thermiques afin de vérifier que le système fonctionne efficacement.

Avantages des capteurs à thermistance CTN pour les applications de data centers

Les thermistances CTN répondent parfaitement à toutes ces exigences. Comme son nom l'indique, un capteur CTN présente une diminution prévisible de la résistance électrique à mesure que la température augmente. Dans le cas des thermistances CTN, ce résultat est obtenu grâce à une petite pièce en céramique oxydée thermosensible, contenue dans un logement de protection en métal ou en époxy.

La Figure 1 montre les courbes typiques de température par rapport à la résistance pour des thermistances de 2 kΩ à 5 kΩ à 25°C. Comme illustré dans ce graphique, les thermistances avec des résistances plus élevées conviennent mieux aux applications à haute température, car la variation de résistance est plus facile à mesurer.

Figure 1 : Courbes typiques de température par rapport à la résistance pour des thermistances de 2 kΩ à 5 kΩ à 25°C. (Source de l'image : EPCOS (TDK))

Les avantages des thermistances CTN pour les data centers d'IA incluent les suivants :

• Haute précision et temps de réponse rapide : les thermistances CTN sont extrêmement sensibles aux légères variations de température et peuvent réagir rapidement en raison de leur faible masse thermique. Grâce à ces facteurs, les thermistances CTN sont parfaitement adaptées aux exigences thermiques à fluctuation rapide des data centers d'IA.
• Durabilité et stabilité : les thermistances CTN sont fabriquées à partir de matériaux robustes et offrent une excellente fiabilité à long terme avec une dérive de résistance minimale au fil du temps. Cette stabilité minimise les besoins de maintenance et réduit le risque de temps d'arrêt imprévus.
• Format compact et montage flexible : leur petite taille permet l'intégration aisée dans les environnements de data centers encombrés où l'espace est limité. Elles sont disponibles dans une grande variété de facteurs de forme, ce qui leur permet de s'adapter à la gamme complète de systèmes de refroidissement de data centers d'IA.

La gamme de thermistances CTN d'EPCOS reflète ces avantages. La ligne de produits inclut des solutions pour la surveillance des conduits et des dissipateurs thermiques, des systèmes de refroidissement par immersion et des unités de traitement d'air.

Surveillance des composants haute puissance avec des thermistances CTN montées sur dissipateur thermique

Les processeurs haute puissance tels que les GPU et les TPU requièrent une surveillance thermique étroite pour maintenir les performances et éviter la surchauffe. Le B57703M0103G040 (Figure 2) est conçu pour la fixation directe sur les dissipateurs thermiques et convient donc parfaitement à cette tâche. Ce capteur à visser contient une thermistance CTN encapsulée dans un logement métallique avec une cosse à anneau saillante.

Figure 2 : La thermistance à cosse à anneau B57703M0103G040 permet la surveillance précise de la température sur les dissipateurs thermiques pour les processeurs haute puissance. (Source de l'image : EPCOS (TDK))

La conception du capteur à visser est à la fois pratique et importante pour garantir un couplage thermique correct et une pression de contact constante avec la surface du dissipateur thermique, réduisant ainsi la résistance thermique et améliorant la précision des mesures lors des variations rapides de charge.

Le capteur a été testé pour la stabilité à long terme pendant plus de 10 000 heures à +70°C, ce qui favorise son utilisation dans les conditions de température élevée typiques des charges de travail des data centers d'IA. Sa valeur nominale de 10 kΩ à +25°C fournit une base fiable pour mesurer des températures de fonctionnement plus élevées, permettant un retour d'informations précis pour les systèmes de contrôle de température.

Surveillance des conduits de refroidissement par liquide avec des thermistances CTN

Les systèmes de refroidissement par liquide dépendent d'un approvisionnement constant en liquide de refroidissement à la température appropriée. Le B58100A0506A000 (Figure 3) est une thermistance CTN de 10 kΩ conçue pour une installation rapide sur les tuyaux, ce qui en fait un bon choix pour la surveillance des conduits d'alimentation en liquide de refroidissement. Cet assemblage moulé se clipse directement sur des tuyaux de 18 mm à 19 mm de diamètre, d'autres tailles étant disponibles pour différentes installations. Les languettes de contact intégrées permettent la connexion directe à l'équipement de surveillance.

Figure 3 : La thermistance à clipser B58100A0506A000 mesure la température du liquide de refroidissement dans les systèmes de refroidissement par liquide. (Source de l'image : EPCOS (TDK))

La surveillance de la température externe du tuyau fournit un moyen pratique et précis de contrôler les performances du liquide de refroidissement sans immerger le capteur directement dans le liquide. Cette approche minimise la complexité de l'installation, réduit les risques de fuite et permet le remplacement rapide du capteur si nécessaire.

Un paramètre de performances clé pour les capteurs de température est la constante de temps thermique, également appelée temps de réponse thermique, qui reflète la rapidité avec laquelle la résistance d'une thermistance CTN change en réponse aux fluctuations de températures externes. Ce paramètre est influencé par la conception, la configuration de montage et l'environnement du capteur.

Par exemple, le B58100A0506A000 utilise un boîtier en cuivre pour coupler thermiquement le capteur avec le tuyau afin d'obtenir une constante de temps thermique inférieure à 5 secondes, mesurée sur le tuyau. Ce temps de réponse rapide contribue à garantir un approvisionnement fiable en liquide de refroidissement.

Surveillance des systèmes de distribution de liquide de refroidissement avec des thermistances CTN

Outre la surveillance des sources de chaleur et des conduits d'alimentation en liquide de refroidissement, les systèmes de refroidissement par liquide requièrent une détection de la température au niveau de l'unité de distribution du liquide de refroidissement, de l'échangeur thermique et d'autres composants centraux. Le B57800K0103A001 (Figure 4) est adapté à ce rôle. Son boîtier cylindrique en cuivre offre une excellente conductivité thermique, permettant la mesure précise de la température des fluides aux points critiques du système.

Figure 4 : La thermistance à sonde cylindrique B57800K0103A001 surveille la température du liquide de refroidissement dans les systèmes de distribution. (Source de l'image : EPCOS (TDK))

Avec une capacité de température de fonctionnement de +150°C, ce capteur de 10 kΩ peut être placé dans des endroits chauds sans risque de surchauffe. Il présente une constante de temps thermique d'environ 8 s dans l'eau, ce qui lui permet de suivre les variations de température du liquide de refroidissement avec une vitesse suffisante pour le contrôle et la protection au niveau du système.

Le déploiement de capteurs à l'entrée et à la sortie de ces composants permet aux opérateurs de surveiller les différentiels de température dans les échangeurs thermiques ou les boucles de distribution. Des écarts importants peuvent indiquer des problèmes tels qu'un débit de liquide de refroidissement réduit, des blocages partiels ou des surfaces d'échangeurs thermiques encrassées, déclenchant une maintenance préventive avant que les performances du système ne soient affectées.

Surveillance des systèmes de refroidissement par immersion avec des thermistances CTN

Les systèmes de refroidissement par immersion, qui plongent les serveurs dans un liquide non conducteur tel que l'huile diélectrique, requièrent des capteurs capables de résister à une potentielle corrosion. Le B57504K0103A009 (Figure 5) est un capteur de 10 kΩ spécialement conçu pour de tels environnements. Son boîtier en acier inoxydable assure la durabilité en présence de produits légèrement corrosifs tout en garantissant un couplage thermique efficace avec l'élément de détection.

Figure 5 : La thermistance à sonde en acier inoxydable B57504K0103A009 surveille la température du liquide de refroidissement dans les systèmes de refroidissement par immersion. (Source de l'image : EPCOS (TDK))

Ce capteur présente une constante de temps thermique inférieure à 2 s dans l'eau, permettant un suivi précis des variations de température dans le bain d'immersion.

Surveillance de la climatisation avec des thermistances CTN

Enfin, examinons le B57500M0103A005 (Figure 6). Ce dispositif de 10 kΩ utilise une encapsulation époxy simple pour atteindre un facteur de forme compact couplé à des fils de 470 mm pour des options de routage flexibles. Par exemple, grâce à sa petite taille et à ses longs fils, il peut être installé à proximité de l'évaporateur ou dans les canaux de circulation d'air, où la détection rapide des variations de température contribue à maintenir une régulation climatique stable.

Figure 6 : La thermistance encapsulée dans de l'époxy B57500M0103A005 permet de surveiller les systèmes de climatisation. (Source de l'image : EPCOS (TDK))

Entre autres avantages, ce capteur a été testé pour résister aux vibrations, aux cycles de température rapides et à d'autres risques fréquents dans les systèmes CA, sans présenter de dommages physiques ni d'impacts significatifs sur la précision des mesures.

Conclusion

Les charges de travail d'IA créent un besoin impérieux de surveillance de la température distribuée dans les data centers. Avec des options pour les dissipateurs thermiques, les conduits de liquide de refroidissement, les bains d'immersion, les unités de traitement d'air et plus encore, la gamme de thermistances CTN d'EPCOS (TDK) permet un fonctionnement fiable et réactif dans les environnements exigeants.