Supervise las temperaturas del centro de datos de IA con termistores NTC

Los centros de datos se enfrentan a desafíos de gestión térmica sin precedentes a medida que se intensifican las demandas de inteligencia artificial (IA) y aumentan las densidades de potencia. Es necesario controlar la temperatura con precisión y en tiempo real para optimizar el rendimiento y la eficiencia, evitando al mismo tiempo el sobrecalentamiento. Estas soluciones de detección deben ser precisas, sensibles y resistentes para gestionar las cargas térmicas que varían rápidamente en equipos muy sensibles.

En este artículo se analizan los desafíos de gestión térmica a los que se enfrentan los diseñadores de los modernos centros de datos de IA, explorando diversos sistemas de refrigeración, como el aire acondicionado, la refrigeración por inmersión y las soluciones de tuberías de calor. A continuación, presenta las soluciones de termistores de coeficiente de temperatura negativo (NTC) de EPCOS (TDK) y muestra cómo pueden utilizarse para superar estos desafíos.

Por qué los centros de datos de IA plantean nuevos desafíos de gestión térmica

El hardware de IA, como las unidades de procesamiento gráfico (GPU) y las unidades de procesamiento tensorial (TPU), suele consumir mucha más energía que las unidades centrales de procesamiento (CPU) tradicionales. Como resultado, los centros de datos centrados en IA tienden a tener densidades de potencia considerablemente más altas con puntos calientes concentrados que son difíciles de gestionar con los enfoques de refrigeración convencionales.

Para empeorar las cosas, las cargas de trabajo de IA tienden a ser muy variables, con el potencial de una rápida escalada de las cargas térmicas durante las operaciones intensivas de formación o inferencia. Sin una gestión térmica adecuada, estas condiciones pueden provocar una ralentización del rendimiento, interrupciones imprevistas y una degradación acelerada del hardware.

En respuesta a estas demandas emergentes, los centros de datos están adoptando métodos de refrigeración más avanzados. La refrigeración directa al chip es una opción muy popular. Esta técnica coloca tubos de refrigeración, placas frías o intercambiadores de calor directamente contra componentes de alta potencia como CPU, GPU y memoria. La refrigeración por inmersión es otra opción; en este caso, servidores enteros se sumergen en un líquido no conductor.

El aire acondicionado también está recibiendo diversas mejoras. Por ejemplo, las unidades en fila y en rack complementan el aire acondicionado de toda la instalación con refrigeración localizada que puede responder a los puntos calientes en tiempo real.

Aunque los detalles de estos sistemas de refrigeración varían, todos están impulsando la demanda de un control de la temperatura más distribuido y con mayor capacidad de respuesta. Tomemos como ejemplo los sistemas "directo a chip". Se necesitan sensores montados en disipadores térmicos en cada chip objetivo para garantizar que se mantienen los estándares de temperatura. Los sensores montados en tuberías son necesarios para controlar el flujo entrante de refrigerante, y los sensores adicionales son necesarios para las unidades de distribución de refrigerante y los intercambiadores de calor para verificar que el sistema está funcionando de manera eficiente.

Ventajas de los sensores de termistor NTC para aplicaciones de centros de datos

Los termistores NTC se adaptan bien a todos estos requisitos. Como su nombre indica, un sensor NTC muestra una disminución predecible de la resistencia eléctrica a medida que aumenta la temperatura. En el caso de los termistores NTC, esto se consigue con un pequeño elemento cerámico oxidado sensible al calor encerrado en una carcasa protectora de metal o epoxi.

La figura 1 muestra curvas típicas de temperatura frente a resistencia para termistores con valores nominales de 2 a 5 kilohmios (kΩ) a 25 °C. Como ilustra este gráfico, los termistores con resistencias más altas son mejores para aplicaciones de alta temperatura porque el cambio en la resistencia es más fácil de medir.

Figura 1: Se muestran curvas típicas de temperatura frente a resistencia para termistores con valores nominales de 2 kΩ a 5 kΩ a 25 °C. (Fuente de la imagen: EPCOS (TDK))

Las ventajas de los termistores NTC para los centros de datos de IA incluyen:

• Alta precisión y tiempo de respuesta rápido: Los termistores NTC son extremadamente sensibles a los pequeños cambios de temperatura y pueden responder rápidamente debido a su pequeña masa térmica. Estos factores hacen que los termistores NTC se adapten bien a las demandas térmicas rápidamente fluctuantes de los centros de datos de IA.
• Durabilidad y estabilidad: Los termistores NTC están fabricados con materiales resistentes y ofrecen una excelente fiabilidad a largo plazo, con una desviación mínima de la resistencia con el paso del tiempo. Esta estabilidad minimiza las necesidades de mantenimiento y reduce el riesgo de paradas imprevistas.
• Tamaño compacto y montaje flexible: Su reducido tamaño permite integrarlos fácilmente en entornos de centros de datos abarrotados donde el espacio es escaso. Están disponibles en una amplia variedad de factores de forma, lo que les permite abordar toda la gama de sistemas de refrigeración de centros de datos de IA.

La familia EPCOS de termistores NTC ilustra estas ventajas. La gama incluye soluciones para controlar disipadores y tuberías, sistemas de refrigeración por inmersión y unidades de tratamiento de aire.

Supervisión de componentes de alta potencia con termistores NTC montados en disipadores térmicos

Los procesadores de alta potencia, como las GPU y las TPU, requieren una estrecha vigilancia térmica para mantener el rendimiento y evitar el sobrecalentamiento. El B57703M0103G040 (Figura 2) está diseñado para fijarse directamente a disipadores térmicos, lo que lo hace idóneo para esta tarea. Este sensor enroscable encapsula un termistor NTC en una carcasa metálica con un saliente anular.

Figura 2: El termistor de anilla B57703M0103G040 permite controlar con precisión la temperatura en disipadores térmicos para procesadores de alta potencia. (Fuente de la imagen: EPCOS (TDK))

El diseño del sensor atornillado es práctico e importante para garantizar un buen acoplamiento térmico y una presión de contacto constante con la superficie del disipador térmico, lo que reduce la resistencia térmica y mejora la precisión de la medición durante los cambios rápidos de carga.

El sensor ha sido sometido a pruebas de estabilidad a largo plazo de más de 10,000 horas a +70 °C, lo que respalda su uso en las condiciones de temperatura elevada habituales en las cargas de trabajo de los centros de datos de IA. Su valor nominal de 10 kΩ a +25 °C proporciona una base fiable para medir temperaturas de funcionamiento más altas, lo que permite una retroalimentación precisa para los sistemas de control de temperatura.

Control de tuberías de refrigeración líquida con termistores NTC

Los sistemas de refrigeración líquida dependen de un suministro constante de refrigerante a la temperatura adecuada. El B58100A0506A000 (Figura 3) es un termistor NTC de 10 kΩ diseñado para su rápida instalación en tuberías, lo que lo convierte en una buena opción para supervisar las líneas de suministro de refrigerante. Este conjunto moldeado se sujeta directamente a tuberías con diámetros de 18 mm a 19 mm, con otros tamaños disponibles para diferentes instalaciones. Las lengüetas de contacto integradas proporcionan una conexión directa a los equipos de supervisión.

Figura 3: El termistor de clip B58100A0506A000 mide la temperatura del refrigerante en sistemas de refrigeración líquida. (Fuente de la imagen: EPCOS (TDK))

La monitorización de la temperatura de la tubería externa proporciona una forma precisa y de fácil mantenimiento de controlar el rendimiento del refrigerante sin sumergir el sensor directamente en el líquido. Este enfoque minimiza la complejidad de la instalación, reduce el riesgo de fugas y permite sustituir rápidamente los sensores en caso necesario.

Un parámetro de rendimiento clave para los sensores de temperatura es la constante de tiempo térmica, también conocida como tiempo de respuesta térmica, que refleja la rapidez con la que cambia la resistencia de un termistor NTC en respuesta a las fluctuaciones de temperatura externas. En este parámetro influyen el diseño del sensor, la configuración de montaje y el entorno circundante.

Por ejemplo, el B58100A0506A000 utiliza una carcasa de cobre para acoplar térmicamente el sensor con la tubería y lograr una constante de tiempo térmica inferior a 5 segundos (s), medida en la tubería. Este rápido tiempo de respuesta ayuda a garantizar un suministro fiable de refrigerante.

Control de los sistemas de distribución de refrigerante con termistores NTC

Además de supervisar las fuentes de calor y las líneas de suministro de refrigerante, los sistemas de refrigeración líquida requieren la detección de la temperatura en la unidad de distribución de refrigerante, el intercambiador de calor y otros componentes centrales. El B57800K0103A001 (Figura 4) es idóneo para esta función. Su carcasa cilíndrica de cobre proporciona una excelente conductividad térmica, lo que permite medir con precisión la temperatura de los fluidos en los puntos críticos del sistema.

Figura 4: El termistor de sonda cilíndrica B57800K0103A001 controla las temperaturas del refrigerante en los sistemas de distribución. (Fuente de la imagen: EPCOS (TDK))

Con una capacidad de temperatura de funcionamiento de +150 °C, este sensor de 10 kΩ puede colocarse en ubicaciones del lado caliente sin riesgo de sobrecalentamiento. Tiene una constante de tiempo térmica de unos 8 s en el agua, lo que le permite seguir los cambios de temperatura del refrigerante con suficiente rapidez para el control y la protección del sistema.

La instalación de sensores tanto a la entrada como a la salida de estos componentes permite a los operadores controlar las diferencias de temperatura en los intercambiadores térmicos o los circuitos de distribución. Las desviaciones significativas pueden indicar problemas como la reducción del caudal de refrigerante, bloqueos parciales o superficies sucias del intercambiador térmicos, lo que requiere un mantenimiento preventivo antes de que se vea afectado el rendimiento del sistema.

Control de sistemas de refrigeración por inmersión con termistores NTC

Los sistemas de refrigeración por inmersión, que sumergen los servidores en un líquido no conductor como el aceite dieléctrico, requieren sensores que resistan la posible corrosión. El B57504K0103A009 (Figura 5) es un sensor de 10 kΩ diseñado especialmente para este tipo de entornos. Su carcasa de acero inoxidable proporciona durabilidad en presencia de corrosivos suaves, al tiempo que garantiza un acoplamiento térmico eficaz con el elemento sensor.

Figura 5: El termistor de sonda de acero inoxidable B57504K0103A009 controla la temperatura del refrigerante en sistemas de refrigeración por inmersión. (Fuente de la imagen: EPCOS (TDK))

Este sensor tiene una constante de tiempo térmica inferior a 2 s en el agua, lo que permite un seguimiento preciso de los cambios de temperatura dentro del baño de inmersión.

Control del aire acondicionado con termistores NTC

Por último, considere el B57500M0103A005 (Figura 6). Este dispositivo de 10 kΩ utiliza un encapsulado epoxi simple para lograr un factor de forma compacto que se acopla con cables de 470 mm para opciones de enrutamiento flexibles. Por ejemplo, el pequeño tamaño y los cables largos permiten la instalación cerca de las bobinas del evaporador o dentro de los canales de flujo de aire, donde la detección rápida de los cambios de temperatura ayuda a mantener un control estable del clima.

Figura 6: El termistor encapsulado en epoxi B57500M0103A005 puede monitorizar sistemas de aire acondicionado. (Fuente de la imagen: EPCOS (TDK))

Entre otras ventajas, este sensor ha sido validado para resistir vibraciones, ciclos rápidos de temperatura y otros riesgos habituales en los sistemas de corriente alterna sin sufrir daños físicos ni afectar significativamente a la precisión de las mediciones.

Conclusión

Las cargas de trabajo de IA están creando una necesidad urgente de supervisión distribuida de la temperatura en el centro de datos. Con opciones para disipadores térmicos, tuberías de refrigerante, baños de inmersión, unidades de tratamiento de aire, etc., la familia de termistores NTC de EPCOS (TDK) permite un funcionamiento fiable y sensible en entornos exigentes.