خنک‌کاری جتی مستقیم روی چیپ (Impingement Jet Cooling) برای ماینرهای ASIC

خنک‌کاری جتی چیست و چرا برای ماینر مهم است؟

در Impingement، یک یا چند جت سیال (هوا یا مایع دی‌الکتریک) از نازل‌هایی با قطر مشخص و از فاصله کوتاه (Standoff Distance) مستقیماً به سطحِ داغ (IHS یا دای) برخورد می‌کند. این برخورد باعث اغتشاش موضعی و افزایش انتقال حرارت همرفت می‌شود. برای ماینرهای ASIC که در ترازهای توان بالا کار می‌کنند، این روش:

• کاهش چشمگیر دمای چیپ و یونیفرمیتی دما بین چیپ‌ها و ماژول‌ها را بهبود می‌دهد.

• Headroom فرکانسی/توان را برای اورکلاکِ امن افزایش می‌دهد.

• نویز آکوستیک را نسبت به فن‌های پرسرعت کاهش می‌دهد (در نسخه‌های مایع).

• استرس حرارتی قطعات پیرامونی مثل VRM و حافظه/بورد را کم می‌کند.

اجزای اصلی یک سیستم Impingement برای ASIC

1. نازل‌ها (Single یا Multi-Jet): قطر داخلی (مثلاً 0.6–1.2 mm)، الگوی آرایش (Grid/Array)، جنس مقاوم.

2. فاصله نازل تا سطح (Standoff): معمولاً چند میلی‌متر؛ تعیین‌کننده‌ی شدت برخورد و اتلاف فشار.

3. پمپ و مدار سیال: پمپ سانتریفیوژ/گیربکسی با دبی پایدار؛ فیلتر خطی برای جلوگیری از گرفتگی نازل.

4. مایع خنک‌کننده: برای مایع، ترجیحاً دی‌الکتریک (غیررسانا) با ویسکوزیته پایین و پایداری حرارتی بالا.

5. کولت پلیت/منیفولد: توزیع یکنواخت سیال به تمام نازل‌ها + مسیر برگشت با افت فشار کم.

6. مبدل حرارتی/رادیاتور: دفع گرما به محیط؛ در مقیاس فارم، امکان Heat Recovery برای گرمایش محیط.

7. سنسورها و کنترلر: دمای Junction، فشار/دبی، آلارم گرفتگی و قطع اضطراری.

پارامترهای طراحی که نتیجه را می‌سازند

• قطر نازل (d): هرچه کوچک‌تر، سرعت خروجی بالاتر و انتقال حرارت بهتر؛ اما ریسک گرفتگی و افت فشار هم زیاد می‌شود.

• دبی و سرعت (Q, v): با افزایش سرعت، ضریب جابجایی حرارتی (h) افزایش می‌یابد. به توان پمپ و نویز هیدرولیک توجه کن.

• عدد رینولدز (Re): برای رسیدن به رژیم توربولنت موضعی (بهتر برای انتقال حرارت).

• Standoff Distance (H): معمولاً 2–6 mm؛ خیلی کم → برخورد شدید/ریسک ارجاع جریان، خیلی زیاد → افت کارایی.

• الگوی نازلی (Array Pattern): پوشش کامل سطح‌ها/چیپ‌های موازی، جلوگیری از نقاط داغ.

• مدیریت بازگشت سیال: طراحی حوضچه/کانال برگشت برای جلوگیری از Re-Circulation روی سطح داغ.

مقایسه روش‌های خنک‌کاری

• هیت‌سینک + فن

  • مزایا: ارزان، ساده

  • معایب: نویز بالا، محدودیت دفع حرارت

  • مناسب برای: ریگ‌های کم‌هزینه

• ایمِرژن تک‌فاز

  • مزایا: خنک‌کاری یکنواخت، بی‌صدا

  • معایب: هزینه مایع بالا، نگهداری سخت، حجم زیاد

  • مناسب برای: فارم‌های بزرگ

• خنک‌کاری جتی (مایع)

  • مزایا: ضریب انتقال حرارت بسیار بالا، دمای پایین چیپ، نویز کم

  • معایب: نیازمند طراحی دقیق، ریسک گرفتگی نازل، نیاز به پمپ قوی

  • مناسب برای: تیونینگ حرفه‌ای ماینر و رک‌های High-Density

• خنک‌کاری جتی (هوا)

  • مزایا: هزینه کمتر از مایع

  • معایب: بازده حرارتی کمتر از مایع، نویز جریان بیشتر

  • مناسب برای: ستاپ‌های سفارشی کم‌ریسک

چک‌لیست اجرای عملی روی ماینر ASIC

1. ممیزی حرارتی: چیپ‌های داغ، VRM، نواحی گلوگاه را با ترموکوپل/ترمال کم بررسی کن.

2. انتخاب سیال: برای مایع، دی‌الکتریک پایدار (سازگار با PCB/اورینگ‌ها).

3. طراحی منیفولد و نازل: قطر، آرایش و H را برای پوشش کامل چیپ‌ها انتخاب کن.

4. محاسبه پمپ/افت فشار: مجموع افت خط، فیلتر، نازل‌ها → هد و دبی نامی پمپ را تعیین کن.

5. فیلتراسیون دوبل: پیش‌فیلتر + فیلتر ریز تا ریسک گرفتگی نازل حداقل شود.

6. مونتاژ تستی با Flow-Bench: چک یکنواختی دبی هر شاخه/نازل.

7. پایش زنده: لاگ دما، فشار، دبی؛ آلارم گرفتگی/نوسان دبی.

8. ایزولاسیون و ایمنی: نشت‌یابی، محافظت از کانکتورها، مسیر تخلیه امن.

9. بهینه‌سازی مرحله‌ای: بازی با H، دبی، الگوی نازل تا رسیدن به حداقل دمای پایدار و کمترین نویز پمپ.

10. سرویس دوره‌ای: تعویض فیلتر، شست‌وشوی منیفولد، نمونه‌برداری از سیال (رنگ/ذرات).

مزایا و ریسک‌ها

مزایا:

• کاهش محسوس Tj و ΔT بین چیپ‌ها

• افزایش پایداری و عمر قطعات، امکان Boost مطمئن

• نویز کمتر نسبت به فن‌های High-RPM (نسخه مایع)

• امکان Heat Recovery در رک/اتاقک

ریسک‌ها/چالش‌ها:

• گرفتگی نازل‌ها → الزام فیلتر و کیفیت سیال

• طراحی دقیق لازم برای توزیع یکنواخت

• هزینه اولیه برای پمپ/منیفولد/مبدل

• نیاز به مانیتورینگ حرفه‌ای

سناریوهای استفاده در تعمیر و تیونینگ

• دستگاه‌های با چیپ‌های داغِ مزمن که حتی با تعویض پد حرارتی حل نشدن.

• رک‌های High-Density که محدودیت جریان هوا دارند.

• کاهش نویز در اتاق‌های نزدیک به فضای اداری/مسکونی.

• آماده‌سازی برای اورکلاک ایمن با کنترل دقیق دما.

پرسش‌های پرتکرار (FAQ)

آیا می‌شود روی همه مدل‌های ASIC پیاده کرد؟
بله، اما نیاز به طراحی اختصاصی منیفولد/نازل مطابق چیدمان چیپ‌ها دارد.

هوا بهتر است یا مایع؟
برای حداکثر کارایی حرارتی، مایع دی‌الکتریک برتری دارد. نسخه هوایی ساده‌تر است اما به h مایع نمی‌رسد.

نگهداری سخت است؟
با فیلتراسیون درست و برنامه سرویس دوره‌ای، خیر. مهم‌ترین کار: جلوگیری از گرفتگی و نشت.

با ایمِرژن چه تفاوتی دارد؟
ایمرژن حجم زیاد مایع و یکنواختی حرارتی می‌دهد؛ Impingement انتقال حرارت نقطه‌ای قوی‌تر و امکان ستاپ‌های کامپکت‌تر را فراهم می‌کند.