Überwachung der Temperaturen in KI-Rechenzentren mit NTC-Thermistoren

Rechenzentren stehen vor nie dagewesenen Herausforderungen im Wärmemanagement, da die Anforderungen an die künstliche Intelligenz (KI) steigen und die Leistungsdichte zunimmt. Eine präzise Temperaturüberwachung in Echtzeit ist erforderlich, um Performance und Effizienz zu optimieren und gleichzeitig eine Überhitzung zu vermeiden. Diese Sensorlösungen müssen genau, reaktionsschnell und robust sein, um schnell wechselnde thermische Belastungen bei hochempfindlichen Geräten zu bewältigen.

In diesem Artikel werden die Herausforderungen für das Wärmemanagement untersucht, mit denen die Entwickler moderner KI-Rechenzentren konfrontiert sind, und es werden verschiedene Kühlsysteme untersucht, darunter Klimatisierung, Tauchkühlung und Wärmerohr-Lösungen. Anschließend werden Thermistorlösungen mit negativem Temperaturkoeffizienten (NTC) von EPCOS (TDK) vorgestellt und gezeigt, wie sie zur Bewältigung dieser Herausforderungen eingesetzt werden können.

Warum KI-Rechenzentren neue Herausforderungen für das Wärmemanagement darstellen

KI-Hardware wie Grafikprozessoren (GPUs) und Tensor-Prozessoren (TPUs) verbrauchen in der Regel deutlich mehr Strom als herkömmliche Zentraleinheiten (CPUs). Infolgedessen weisen KI-fokussierte Rechenzentren in der Regel eine wesentlich höhere Leistungsdichte mit konzentrierten Hotspots auf, die mit herkömmlichen Kühlungsansätzen nur schwer zu bewältigen sind.

Erschwerend kommt hinzu, dass KI-Workloads in der Regel sehr variabel sind und die thermische Belastung während intensiver Trainings- oder Inferenzvorgänge schnell eskalieren kann. Ohne ein angemessenes Wärmemanagement können diese Bedingungen zu Leistungseinbußen, ungeplanten Ausfällen und beschleunigtem Hardwareverschleiß führen.

Als Reaktion auf diese neuen Anforderungen werden in Rechenzentren fortschrittlichere Kühlmethoden eingesetzt. Die direkte Kühlung der Chips ist eine beliebte Wahl. Bei dieser Technik werden Kühlrohre, Kühlplatten oder Wärmetauscher direkt an Hochleistungskomponenten wie CPUs, GPUs und Speicher angebracht. Eine weitere Möglichkeit ist die Tauchkühlung, bei der der gesamte Server in eine nicht leitende Flüssigkeit getaucht wird.

Auch die Klimaanlagen werden auf vielfältige Weise verbessert. So ergänzen beispielsweise In-Row- und In-Rack-Einheiten die gebäudeweite Klimatisierung durch eine lokale Kühlung, die in Echtzeit auf Hotspots reagieren kann.

Auch wenn die Besonderheiten dieser Kühlsysteme unterschiedlich sind, treiben sie alle die Nachfrage nach einer besser verteilten und reaktionsschnellen Temperaturüberwachung voran. Nehmen wir als Beispiel die direkte Kühlung der Chips. Am Kühlkörper montierte Sensoren sind an jedem Zielchip erforderlich, um sicherzustellen, dass die Temperaturstandards eingehalten werden. An den Rohren angebrachte Sensoren sind erforderlich, um den einströmenden Kühlmittelstrom zu überwachen, und zusätzliche Sensoren sind für Kühlmittelverteiler und Wärmetauscher erforderlich, um zu überprüfen, ob das System effizient arbeitet.

Vorteile von NTC-Thermistor-Sensoren für Anwendungen in Rechenzentren

NTC-Thermistoren sind für all diese Anforderungen gut geeignet. Wie der Name schon sagt, zeigt ein NTC-Sensor eine vorhersehbare Abnahme des elektrischen Widerstands bei steigender Temperatur. Bei NTC-Thermistoren wird dies durch ein kleines, wärmeempfindliches oxidiertes Keramikelement erreicht, das von einem schützenden Metall- oder Epoxidgehäuse umgeben ist.

Abbildung 1 zeigt typische Temperatur-Widerstands-Kurven für Thermistoren mit Nennwerten von 2 bis 5 Kiloohm (kΩ) bei 25°C. Wie dieses Diagramm zeigt, sind Thermistoren mit höheren Widerständen besser für Hochtemperaturanwendungen geeignet, da die Widerstandsänderung leichter zu messen ist.

Abbildung 1: Dargestellt sind typische Temperatur-Widerstands-Kurven für Thermistoren mit Nennwerten von 2 kΩ bis 5 kΩ bei 25°C. (Bildquelle: EPCOS (TDK))

Zu den Vorteilen von NTC-Thermistoren für KI-Rechenzentren gehören:

• Hohe Genauigkeit und schnelle Reaktionszeit: NTC-Thermistoren reagieren äußerst empfindlich auf geringe Temperaturänderungen und können aufgrund ihrer geringen thermischen Masse schnell reagieren. Aufgrund dieser Faktoren sind NTC-Thermistoren gut auf die schnell schwankenden thermischen Anforderungen von KI-Rechenzentren abgestimmt.
• Langlebigkeit und Stabilität: NTC-Thermistoren sind aus robusten Materialien gefertigt und bieten eine hervorragende Langzeitzuverlässigkeit mit minimaler Widerstandsdrift im Laufe der Zeit. Diese Stabilität minimiert den Wartungsbedarf und verringert das Risiko unerwarteter Ausfallzeiten.
• Kompakte Größe und flexible Montage: Ihre geringe Größe ermöglicht eine einfache Integration in überfüllte Rechenzentrumsumgebungen, in denen der Platz knapp ist. Sie sind in einer Vielzahl von Formfaktoren erhältlich, so dass sie das gesamte Spektrum der Kühlsysteme für KI-Rechenzentren abdecken.

Die NTC-Thermistoren der EPCOS-Familie veranschaulichen diese Vorteile. Die Produktpalette umfasst Lösungen zur Überwachung von Kühlkörpern und -rohren, Eintauchkühlsystemen und Lüftungsanlagen.

Überwachung von Hochleistungskomponenten mit auf dem Kühlkörper montierten NTC-Thermistoren

Hochleistungsprozessoren wie GPUs und TPUs erfordern eine genaue thermische Überwachung, um die Performance aufrechtzuerhalten und Überhitzung zu vermeiden. Der B57703M0103G040 (Abbildung 2) ist für die direkte Befestigung an Kühlkörpern ausgelegt und eignet sich daher gut für diese Aufgabe. Dieser für die Schraubmontage ausgelegte Sensor enthält einen NTC-Thermistor in einem Metallgehäuse mit einer vorstehenden Ringöse.

Abbildung 2: Der Ringfahnen-Thermistor B57703M0103G040 ermöglicht eine genaue Temperaturüberwachung von Kühlkörpern für Hochleistungsprozessoren. (Bildquelle: EPCOS (TDK))

Der für die Schraubmontage ausgelegte Sensor ist sowohl praktisch als auch wichtig, um eine gute thermische Kopplung und einen gleichmäßigen Kontaktdruck mit der Kühlkörperoberfläche zu gewährleisten, was den thermischen Widerstand reduziert und die Messgenauigkeit bei schnellen Lastwechseln verbessert.

Der Sensor wurde auf Langzeitstabilität über 10.000 Stunden bei +70°C getestet, was seinen Einsatz unter den erhöhten Temperaturbedingungen unterstützt, die bei KI-Arbeitslasten in Rechenzentren üblich sind. Sein Nennwert von 10 kΩ bei +25°C bietet eine zuverlässige Grundlage für die Messung höherer Betriebstemperaturen und ermöglicht eine genaue Rückmeldung für Temperaturregelsysteme.

Überwachung von Flüssigkeitskühlleitungen mit NTC-Thermistoren

Flüssigkeitskühlsysteme sind auf eine konstante Zufuhr von Kühlmittel mit der richtigen Temperatur angewiesen. Der B58100A0506A000 (Abbildung 3) ist ein 10 kΩ NTC-Thermistor, der für eine schnelle Installation an Rohren konzipiert ist und sich daher gut für die Überwachung von Kühlmittelzufuhrleitungen eignet. Diese vergossene Baugruppe wird direkt auf Rohre mit einem Durchmesser von 18 mm bis 19 mm geklemmt, wobei auch andere Größen für verschiedene Installationen erhältlich sind. Eingebaute Kontaktzungen ermöglichen einen einfachen Anschluss an Überwachungsgeräte.

Abbildung 3: Der aufsteckbare Thermistor B58100A0506A000 misst die Kühlmitteltemperatur in Flüssigkeitskühlsystemen. (Bildquelle: EPCOS (TDK))

Die Überwachung der Außentemperatur der Rohrleitung bietet eine genaue und wartungsfreundliche Möglichkeit, die Leistung des Kühlmittels zu verfolgen, ohne dass der Sensor direkt in die Flüssigkeit eingetaucht werden muss. Dieser Ansatz minimiert die Komplexität der Installation, verringert das Risiko von Leckagen und ermöglicht bei Bedarf einen schnellen Austausch der Sensoren.

Ein wichtiger Leistungsparameter für Temperatursensoren ist die thermische Zeitkonstante, auch bekannt als thermische Ansprechzeit, die angibt, wie schnell sich der Widerstand eines NTC-Thermistors als Reaktion auf externe Temperaturschwankungen ändert. Dieser Parameter wird durch das Design des Sensors, die Montagekonfiguration und die Umgebung beeinflusst.

Der B58100A0506A000 beispielsweise verwendet ein Kupfergehäuse, um den Sensor thermisch mit dem Rohr zu koppeln und eine thermische Zeitkonstante von weniger als 5 Sekunden (s), gemessen am Rohr, zu erreichen. Diese schnelle Reaktionszeit trägt dazu bei, eine zuverlässige Kühlmittelversorgung zu gewährleisten.

Überwachung von Kühlmittelverteilungssystemen mit NTC-Thermistoren

Neben der Überwachung von Wärmequellen und Kühlmittelzufuhrleitungen erfordern Flüssigkeitskühlsysteme eine Temperaturerfassung an der Kühlmittelverteilungseinheit, dem Wärmetauscher und anderen zentralen Komponenten. Der B57800K0103A001 (Abbildung 4) ist für diese Aufgabe gut geeignet. Sein zylindrisches Kupfergehäuse bietet eine hervorragende Wärmeleitfähigkeit und ermöglicht die genaue Messung von Flüssigkeitstemperaturen an kritischen Punkten des Systems.

Abbildung 4: Die zylindrische Thermistorsonde B57800K0103A001 überwacht die Kühlmitteltemperaturen in Verteilungssystemen. (Bildquelle: EPCOS (TDK))

Mit einer Betriebstemperatur von +150°C kann dieser 10kΩ-Sensor ohne Überhitzungsgefahr an heißen Stellen angebracht werden. Er hat eine thermische Zeitkonstante von etwa 8 s in Wasser, so dass es Änderungen der Kühlmitteltemperatur mit ausreichender Geschwindigkeit für die Kontrolle und den Schutz auf Systemebene verfolgen kann.

Durch den Einsatz von Sensoren am Ein- und Ausgang dieser Komponenten können die Betreiber Temperaturunterschiede in Wärmetauschern oder Verteilerkreisen verfolgen. Signifikante Abweichungen können auf Probleme wie reduzierten Kühlmitteldurchfluss, partielle Verstopfungen oder verschmutzte Wärmetauscheroberflächen hinweisen und eine vorbeugende Wartung erforderlich machen, bevor die Systemleistung beeinträchtigt wird.

Überwachung von Eintauchkühlsystemen mit NTC-Thermistoren

Tauchkühlsysteme, bei denen die Server in eine nichtleitende Flüssigkeit wie dielektrisches Öl getaucht werden, erfordern Sensoren, die potenzieller Korrosion widerstehen können. Der B57504K0103A009 (Abbildung 5) ist ein 10kΩ-Sensor, der speziell für solche Umgebungen entwickelt wurde. Das Edelstahlgehäuse sorgt für Beständigkeit in Gegenwart von milden korrosiven Stoffen und gewährleistet gleichzeitig eine effektive thermische Kopplung mit dem Sensorelement.

Abbildung 5: Die Thermistorsonde B57504K0103A009 aus Edelstahl überwacht die Kühlmitteltemperatur in Tauchkühlsystemen. (Bildquelle: EPCOS (TDK))

Dieser Sensor hat eine thermische Zeitkonstante von weniger als 2 s in Wasser, was eine präzise Verfolgung von Temperaturänderungen innerhalb des Tauchbads ermöglicht.

Überwachung von Klimaanlagen mit NTC-Thermistoren

Betrachten wir schließlich den B57500M0103A005 (Abbildung 6). Dieser 10kΩ-Baustein verwendet eine einfache Epoxid-Verkapselung, um einen kompakten Formfaktor zu erreichen, der mit 470 mm langen Kabeln für flexible Routing-Optionen verbunden ist. Die geringe Größe und die langen Leitungen ermöglichen beispielsweise die Installation in der Nähe von Verdampferschlangen oder innerhalb von Luftströmungskanälen, wo eine schnelle Erkennung von Temperaturänderungen zur Aufrechterhaltung einer stabilen Klimaregelung beiträgt.

Abbildung 6: Der epoxidgekapselte Thermistor B57500M0103A005 kann Klimaanlagen überwachen. (Bildquelle: EPCOS (TDK))

Neben anderen Vorteilen ist dieser Sensor validiert worden, um Vibrationen, schnellen Temperaturwechseln und anderen Gefahren, die in Wechselstromsystemen üblich sind, ohne physische Schäden oder signifikante Auswirkungen auf die Messgenauigkeit zu widerstehen.

Fazit

KI-Workloads schaffen einen dringenden Bedarf an verteilter Temperaturüberwachung im Rechenzentrum. Die Familie der NTC-Thermistoren von EPCOS (TDK) bietet Optionen für Kühlkörper, Kühlmittelleitungen, Tauchbäder, Lüftungsanlagen und vieles mehr und unterstützt damit den zuverlässigen, reaktionsschnellen Betrieb in anspruchsvollen Umgebungen.