Почему охлаждение является одной из самых больших проблем для центров космических данных

Поскольку искусственный интеллект продолжает увеличивать спрос на компьютеры, интерес к космическим-центрам обработки данных быстро растет. Несколько аэрокосмических компаний и технологических организаций уже изучают орбитальные вычислительные платформы, которые могли бы обрабатывать данные непосредственно в космосе, вместо того, чтобы полностью полагаться на земную-инфраструктуру.

Одним из самых больших преимуществ космических центров обработки данных является доступность энергии. На орбите спутники могут непрерывно собирать солнечную энергию, не завися от традиционных энергосетей. Это может значительно снизить долгосрочные-затраты на электроэнергию для крупномасштабных-компьютерных систем.

Однако построить космический центр обработки данных гораздо сложнее, чем просто вывести серверы на орбиту.

Высокие затраты на запуск, ограниченный срок службы спутников, сложное обслуживание, радиационное воздействие и управление температурным режимом — все это основные инженерные проблемы.

Среди них охлаждение может стать одним из наиболее важных ограничений для будущих орбитальных вычислительных систем.

В космосе холодно -, но охлаждение в космосе чрезвычайно затруднено

Многие люди полагают, что охлаждение оборудования в космосе должно быть простым, потому что само космическое пространство очень холодное.

На самом деле отвод тепла в космосе гораздо сложнее, чем на Земле.

Традиционные центры обработки данных в основном используют системы воздушной конвекции и принудительного-воздушного охлаждения. Вентиляторы перемещают воздух через процессоры, графические процессоры и ускорители искусственного интеллекта для отвода тепла, выделяющегося во время работы.

Но в космосе нет ни атмосферы, ни движения воздуха.

Без воздуха конвекционное охлаждение становится невозможным.

Это означает:

* Традиционное вентиляторное охлаждение не работает.

* Радиаторы с воздушным-охлаждением становятся неэффективными.

* Тепло не может естественным образом рассеиваться в окружающей среде.

Поскольку плотность мощности чипов искусственного интеллекта продолжает увеличиваться, управление температурным режимом становится одной из крупнейших инженерных задач в орбитальных вычислительных системах.

Без эффективного охлаждения высокопроизводительные-процессоры могут быстро перегреться, что приведет к снижению надежности или даже к необратимому повреждению.

Как центры космических данных управляют теплом

Поскольку конвекционное охлаждение не может функционировать в вакууме, системы управления температурным режимом в основном основаны на трех этапах:

* Сбор тепла на уровне чипа

* Внутренняя теплопередача через системы терморегулирования.

* Окончательный отвод тепла посредством излучения в глубокий космос.

Этот тип многоуровневой тепловой архитектуры уже широко используется на спутниках, космических кораблях и космических станциях.

Чип-Термальная коллекция уровня

Первый шаг — отвод тепла непосредственно от самого чипа.

Современные процессоры искусственного интеллекта и высокопроизводительные-компьютерные чипы могут генерировать чрезвычайно высокий тепловой поток, иногда достигающий сотен ватт на квадратный сантиметр.

Если это тепло не будет быстро отведено, температура чипа может быстро вырасти и повредить чувствительные электронные компоненты.

Чтобы снизить тепловое сопротивление между чипом и охлаждающей структурой, в аэрокосмических тепловых системах часто используются высокоэффективные-термоинтерфейсные материалы (TIM), в том числе:

- материалы на основе графита-

- соединения жидких металлов

- термопрокладки из нитрида бора

- тепловые материалы из углеродного волокна

Эти материалы помогают заполнить микроскопические зазоры между электронными компонентами и модулями охлаждения, улучшая теплопроводность.

Во многих аэрокосмических приложениях паровые камеры также используются для быстрого отвода тепла от локализованных горячих точек.

Aпаровая камераработает за счет фазового-переноса тепла, позволяя теплу распространяться гораздо быстрее, чем традиционная проводимость твердого металла.

Для применений с чрезвычайно высокой плотностью тепла встроенный микроканал.жидкостное охлаждениетакже можно использовать. В этой конструкции охлаждающая жидкость течет по миниатюрным внутренним каналам для непосредственного отвода тепла от источника тепла.

Однако,жидкостное охлаждениев космосе создает дополнительные инженерные проблемы:

* охлаждающая жидкость замерзает при низких температурах

* поведение жидкости в условиях микрогравитации

* надежность уплотнения

* расширение материала, вызванное резкими перепадами температур

Эти факторы требуют гораздо более строгого теплового и структурного проектирования по сравнению с наземными системами охлаждения.

Внутренние системы теплопередачи

После того, как тепло собрано с электронных компонентов, его необходимо эффективно передать к внешним радиаторам.

Для передачи тепла на средние и большие-расстояния внутри космических кораблей одними из наиболее широко используемых технологий являются тепловые трубки и петлевые тепловые трубки (КТТ).

Тепловые трубкииспользовать фазовый переход рабочего тела - испарение и конденсацию - для передачи тепла с чрезвычайно высокой эффективностью.

По сравнению с обычной цельнометаллической проводимостью тепловые трубки обеспечивают:

* отличная способность к термопереносу

* перенос тепла на-дальние расстояния.

* хорошая однородность температуры

* пассивная работа без дополнительного энергопотребления

Петлевые тепловые трубы особенно важны в аэрокосмической отрасли, поскольку они могут передавать большие тепловые нагрузки на большие расстояния, оставаясь при этом очень надежными.

Еще одной передовой технологией является тепловая труба с переменной проводимостью (VCHP), которая вводит в систему не-неконденсирующийся газ для автоматического регулирования тепловых характеристик при изменении тепловых условий.

Однако одного только пассивного термоконтроля обычно недостаточно для крупномасштабных космических вычислительных систем.

Поскольку тепловые нагрузки продолжают расти, становятся необходимыми технологии активного охлаждения.

Одним из наиболее зрелых решений по активному управлению температурным режимом является гидравлический контур механического насоса (MPFL).

В системе MPFL механические насосы обеспечивают циркуляцию охлаждающей жидкости через охлаждающие пластины, прикрепленные к электронному оборудованию. Охлаждающая жидкость поглощает тепло от распределенных источников тепла и передает его во внешние радиаторные системы.

Эта технология уже использовалась во многих аэрокосмических программах из-за ее высокой управляемости и стабильных тепловых характеристик.

Радиационное охлаждение: последний шаг

В космосе финальная стадия рассеивания тепла полностью зависит от теплового излучения.

В отличие от земных-систем охлаждения космический корабль не может выделять тепло в окружающий воздух. Вместо этого тепло должно излучаться в глубокий космос в виде инфракрасного излучения.

Вот почему панели радиаторов являются важнейшими компонентами систем терморегулирования космических кораблей.

Космический радиатор по внешнему виду чем-то похож на солнечную панель, но вместо сбора солнечной энергии он выделяет тепловую энергию.

Эффективность охлаждения радиатора в основном зависит от:

* площадь поверхности радиатора

* температура поверхности

* излучательная способность покрытия

* характеристики поглощения солнечной энергии

Чтобы повысить эффективность теплового излучения, в аэрокосмических радиаторах часто используются покрытия с высоким-излучательным коэффициентом и материалы с низким поглощением солнечной энергии.

Некоторые современные материалы, изучаемые в настоящее время, включают:

* покрытия из углеродных нанотрубок

* фотонно-кристаллические пленки

* материалы второй-зеркал поверхности

Эти технологии помогают радиаторам эффективно излучать тепло, одновременно уменьшая нежелательное солнечное нагревание.

Поскольку большие поверхности радиатора обеспечивают более высокую охлаждающую способность, обычно используются раздвижные конструкции радиаторов. Во время запуска радиатор остается сложенным для экономии места. Попав на орбиту, он расширяется, увеличивая площадь отвода тепла.

Однако термоконтроль в космосе не всегда прост.

Когда космический корабль сталкивается с прямыми солнечными лучами, панели радиаторов могут поглощать тепло, а не отводить его. В затененных регионах температура может резко упасть.

В результате аэрокосмические тепловые системы должны тщательно контролировать ориентацию радиатора, конструкцию изоляции и стратегии терморегулирования для поддержания стабильных рабочих температур.

Некоторые современные космические корабли даже используют адаптивные радиаторные системы с подвижными жалюзи или «умные» материалы, которые автоматически регулируют тепловое излучение при изменении условий окружающей среды.

Тепловое проектирование в аэрокосмической отрасли требует прецизионного производства

В AWIND мы также участвовали в проектах по управлению температурным режимом,-связанных с аэрокосмической отраслью, включающих алюминиевые охлаждающие конструкции в сочетании сТехнология паровой камеры.

В регионах с высокими тепловыми потокамипаровые камерырасположены непосредственно рядом с источником тепла для быстрого поглощения и распространения тепла по конструкции.

Вместо того, чтобы полагаться на одинпаровая камераВ тепловую конструкцию можно интегрировать несколько паровых камер, что позволяет одновременно охлаждать несколько источников тепла.

Алюминиевая базовая конструкция изготавливается с помощью прецизионной механической обработки на станке с ЧПУ и вторичной обработки, что обеспечивает плоскостность, структурную стабильность и качество теплового контакта.

Для аэрокосмической отрасли точность размеров чрезвычайно важна, поскольку даже небольшие отклонения могут повлиять на термическое сопротивление и долгосрочную-надежность.

Для обеспечения точности изготовления критические размеры проверяются с помощью контрольно-измерительного оборудования КИМ на протяжении всего производственного процесса.

Поскольку плотность вычислений как в наземных, так и в орбитальных системах продолжает расти, передовые технологии управления температурным режимом, такие как паровые камеры, охлаждающие пластины, тепловые трубки и системы жидкостного охлаждения, будут становиться все более важными в будущей аэрокосмической инфраструктуре.

Заключение

Космические центры обработки данных могут в конечном итоге стать частью будущей индустрии вычислений на базе искусственного интеллекта, особенно учитывая, что глобальный спрос на вычислительную мощность продолжает расти.

Хотя солнечная энергия обеспечивает потенциальное решение для производства электроэнергии на орбите, управление температурным режимом остается одним из самых больших инженерных барьеров.

Поскольку конвекционное охлаждение невозможно в условиях вакуума, будущие космические вычислительные системы будут в значительной степени полагаться на усовершенствованную теплопроводность, жидкостное охлаждение, технологию тепловых трубок и системы радиационного термоконтроля.

По мере того как аэрокосмическая электроника продолжает развиваться в сторону более высокой удельной мощности и меньших форм-факторов, теплотехника будет играть все более важную роль в обеспечении надежности, стабильности и долгосрочной-долговременной работы в космических средах.