NTC 서비스터를 사용하여 AI 데이터센터 온도 모니터링

데이터센터는 인공 지능(AI) 요구가 심화되고 전력 밀도가 증가함에 따라 전례 없는 열 관리 문제에 직면하고 있습니다. 과열을 방지하면서 성능 및 효율성을 최적화하려면 정밀한 실시간 온도 모니터링이 필요합니다. 이러한 감지 솔루션은 고도로 민감한 장치에 대한 급변하는 열 부하를 처리하기 위해 정확하고 즉각 반응해야 하며 견고해야 합니다.

이 기사에서는 최신 AI 데이터센터 설계자가 직면하는 열 관리 과제를 검토하고 냉방, 침지 냉각, 열 파이프 솔루션을 비롯한 다양한 냉각 시스템을 살펴봅니다. 그런 다음 EPCOS(TDK)의 반비례 온도 계수(NTC) 서미스터 솔루션을 소개하고 이 솔루션을 사용하여 이러한 과제를 해결하는 방법을 소개합니다.

AI 데이터센터가 새로운 열 관리 문제를 야기하는 이유

그래픽 처리 장치(GPU) 및 텐서 처리 장치(TPU)와 같은 AI 하드웨어는 대개 전통적인 중앙 처리 장치(CPU)보다 훨씬 더 많은 전력을 소비합니다. 결과적으로, AI 중심 데이터센터는 기존의 냉각 접근 방식으로는 관리가 어려운 핫스폿이 집중되어 있어 상당히 높은 전력 밀도를 갖는 경향이 있습니다.

설상가상으로, AI 작업 부하는 대개 변동성이 크며 집중적인 훈련 또는 추론 작업 중에 열 부하가 급속하게 증가할 수 있습니다. 적절한 열 관리가 없다면 이러한 조건은 성능 저하, 불시 정전, 하드웨어 노화 가속화를 일으킬 수 있습니다.

이러한 새로운 요구 사항에 대응하여 데이터센터는 고급 냉각 방법을 도입하고 있습니다. 칩 직접 냉각은 널리 채택되는 냉각 방식 중 하나입니다. 이 기법은 냉각 파이프, 냉각판 또는 열교환기를 CPU, GPU, 메모리와 같은 고전력 부품에 직접 배치합니다. 침지 냉각은 또 다른 옵션으로, 전체 서버를 비전도성 액체에 담급니다.

에어컨도 다양하게 업그레이드되고 있습니다. 예를 들어, 열 내(in-row) 및 랙 내(in-rack) 장치는 핫스폿에 실시간으로 대응할 수 있는 국소 냉각 기능을 통해 시설 전체의 에어컨을 보완합니다.

이러한 냉각 시스템들의 세부 사항은 다양하지만 모두 보다 분산되고 신속한 온도 모니터링에 대한 수요를 주도합니다. 한 예로 칩 직접 냉각 시스템을 고려해 보겠습니다. 온도 표준을 유지할 수 있으려면 각각의 대상 칩에 대해 방열판에 실장된 센서를 사용해야 합니다. 들어오는 냉매 흐름을 모니터링하려면 파이프에 실장된 센서가 필요하고, 시스템이 효율적으로 작동 중임을 검증하려면 냉각 분배 장치 및 열교환기에 추가적인 센서가 필요합니다.

데이터센터 응용 분야에서 NTC 서미스터 센서의 이점

NTC 서미스터는 이러한 모든 요구 사항에 적합합니다. 이름에서 알 수 있듯이, NTC 센서는 온도 상승 시 전기 저항이 예측 가능하게 감소함을 나타냅니다. NTC 서미스터의 경우, 이는 보호 금속 또는 에폭시 하우징으로 둘러싸인, 열에 민감한 소형 산화 세라믹 소자를 통해 구현됩니다.

그림 1은 2kΩ ~ 5kΩ(25°C 기준) 정격 서미스터의 일반적인 온도 대 저항 곡선을 보여줍니다. 이 차트에서 알 수 있듯이, 서미스터는 저항이 높을수록 고온 응용 제품에 적합합니다.

그림 1: 2kΩ ~ 5kΩ(25°C 기준) 정격 서미스터의 일반적인 온도 대 저항 곡선을 보여줍니다(이미지 출처: EPCOS(TDK)).

AI 데이터센터에서 NTC 서미스터가 제공하는 이점에는 다음이 포함됩니다.

• 높은 정확도 및 빠른 응답 시간: NTC 서미스터는 약간의 온도 변화에도 매우 민감하며 열 질량이 작아 신속하게 응답할 수 있습니다. 이러한 특성 덕분에 NTC 서미스터는 AI 데이터센터의 빠르게 변동하는 열 수요에 매우 적합합니다.
• 내구성 및 안정성: NTC 서미스터는 견고한 금속으로 제작되었으며 시간이 지나도 최소한의 저항 변동을 나타내므로 뛰어난 장기적 신뢰성을 제공합니다. 이러한 안정성은 유지 보수 요구 사항을 최소화하며 예기치 못한 다운타임의 위험을 줄여줍니다.
• 콤팩트한 크기와 유연한 실장: 크기가 작아 공간이 협소한 데이터센터 환경에도 손쉽게 통합할 수 있습니다. 다양한 폼 팩터로 제공되므로, 모든 범위의 AI 데이터센터 냉각 시스템을 처리할 수 있습니다.

EPCOS NTC 서미스터 제품군은 이러한 장점을 잘 보여줍니다. 이 라인업에는 방열판 및 파이프, 침지 냉각 시스템, 공기 정화 장치 모니터링을 위한 솔루션이 포함됩니다.

방열판 실장 NTC 서미스터를 통해 고전력 부품 모니터링

GPU 및 TPU 같은 고성능 프로세서는 성능을 유지하고 과열을 방지하기 위해 세밀한 열 모니터링이 필요합니다. B57703M0103G040(그림 2)은 방열판에 직접 부착하도록 설계되어 이러한 작업에 매우 적합합니다. 이러한 나사형 센서는 돌출 링 러그가 있는 금속 태그 케이스에 NTC 서미스터를 내장하고 있습니다.

그림 2: B57703M0103G040 링 러그 서미스터는 고성능 프로세스의 방열판에서 정확한 온도 모니터링을 가능하게 합니다(이미지 출처: EPCOS(TDK)).

이 나사형 센서 설계는 방열판 표면과의 우수한 열 결합 및 일정한 접촉 압력을 보장하는데 편리하고 중요한 요소입니다. 이를 통해 열 저항을 줄이고, 급격한 부하 변화에도 측정 정확도를 향상시킬 수 있습니다.

이 센서는 +70°C에서 10,000시간 이상 장기적 안정성이 테스트되었으므로 AI 데이터센터 작업 부하에서 일반적인 고온 조건에서도 사용할 수 있습니다. 이 센서의 10kΩ 정격(+25°C 기준)을 통해 더 높은 작동 온도를 안정적으로 측정할 수 있으며 온도 제어 시스템에 정확한 피드백을 제공합니다.

NTC 서미스터를 통해 액체 냉각 파이프 모니터링

액체 냉각 시스템은 적절한 온도의 냉각수가 연속적으로 공급되어야 합니다. B58100A0506A000(그림 3)은 파이프에 빠르게 설치할 수 있도록 설계된 10kΩ NTC 서미스터로, 냉각수 공급 라인을 모니터링하는 데 적합합니다. 이 성형 조립품은 18mm ~ 19mm 지름의 파이프에 직접 고정되며, 다양한 설치에 적합하도록 다른 크기도 제공됩니다. 내장된 접점 탭은 모니터링 장비에 대한 손쉬운 연결을 제공합니다.

그림 3: B58100A0506A000 클립온 서미스터는 액체 냉각 시스템의 냉각수 온도를 측정합니다(이미지 출처: EPCOS(TDK)).

외부 파이프 온도를 모니터링은 액체에 센서를 직접 담그지 않고도 냉각수 성능을 손쉽고 정확하게 추적할 수 있는 방법입니다. 이 접근 방식은 설치 복잡성과 누출 위험을 줄이고, 필요한 경우 신속하게 센서를 교체할 수 있습니다.

온도 센서의 핵심 성능 파라미터는 열 응답 시간이라고도 하는 열 시간 상수입니다. 이는 외부 온도 변동에 대해 NTC 서미스터의 저항이 얼마나 빠르게 변하는지를 반영합니다. 이 파라미터는 센서의 형태, 실장 구성, 주변 환경의 영향을 받습니다.

예를 들어, B58100A0506A000은 구리 하우징을 통해 센서와 파이프를 열적으로 결합하여 파이프에서 측정된 열 시간 상수가 5초(s) 미만이 되도록 합니다. 이렇게 빠른 응답 시간은 신뢰할 수 있는 냉각수 공급을 보장하는 데 도움이 됩니다.

NTC 서미스터를 통해 냉각수 분배 시스템 모니터링

열원 및 냉각수 공급 라인을 모니터링하는 것 이외에, 액체 냉각 시스템은 냉각수 분배 장치, 열교환기 및 기타 주요 부품에서 온도를 감지해야 합니다. B57800K0103A001(그림4)은 이러한 역할에 매우 적합합니다. 원통형의 구리 케이스는 뛰어난 열 전도율을 제공하여, 시스템의 중요 지점에서 유체 온도를 정확하게 측정할 수 있습니다.

그림 4: B57800K0103A001 원통형 프로브 서미스터는 분배 시스템의 냉각수 온도를 모니터링합니다(이미지 출처: EPCOS(TDK)).

+150°C의 작동 온도 성능을 가진 이 10kΩ 센서는 과열의 위험 없이 방열부 위치에 배치할 수 있습니다. 수중에서 약 8s의 열 시간 상수를 가지므로 시스템 수준의 제어 및 보호를 위해 충분한 속도로 냉각수 온도의 변화를 추적할 수 있습니다.

이러한 부품의 인렛과 아웃렛에 센서를 배치하면, 작업자가 열교환기나 분배 루프에서 온도 차이를 추적할 수 있습니다. 편차가 큰 경우 냉각수 유량 감소, 부분적인 막힘 또는 열교환기 표면 오염과 같은 문제를 나타낼 수 있으며, 이는 시스템 성능에 영향을 주기 전에 예방적 유지 보수를 수행할 수 있도록 합니다.

NTC 서미스터를 통해 침지 냉각 시스템 모니터링

서버를 유전체 오일과 같은 비전도성 액체에 담그는 침지 냉각 시스템에는 잠재적 부식을 견딜 수 있는 센서가 필요합니다. B57504K0103A009(그림 5)는 이러한 환경용으로 제작된 10kΩ 센서입니다. 스테인리스강 케이스는 감지 소자에 대한 효과적인 열 결합을 보장하면서 가벼운 부식 요인에 대한 내구성을 제공합니다.

그림 5: B57504K0103A009 스테인리스강 프로브 서미스터는 침지 냉각 시스템의 냉각수 온도를 모니터링합니다(이미지 출처: EPCOS(TDK)).

이 센서는 수중에서 2s 미만의 열 시간 상수를 가지므로 액체 담금 욕조 내의 온도 변화를 정밀하게 추적할 수 있습니다.

NTC 서미스터를 통해 에어컨 모니터링

마지막으로 B57500M0103A005(그림 6)를 고려해 보겠습니다. 이 10kΩ 장치는 단순한 에폭시 캡슐화를 사용하여 콤팩트한 폼 팩터를 달성하며, 470mm 리드선이 함께 제공되어 유연한 라우팅 옵션을 지원합니다. 예를 들어, 작은 크기와 긴 리드선 덕분에 증발기 코일 근처나 공기 흐름 채널 내부에 설치할 수 있으며, 이 경우 온도 변화를 신속하게 감지하여 안정적인 공조 제어를 유지하는 데 도움이 됩니다.

그림 6: B57500M0103A005 에폭시 캡슐화 서미스터는 에어컨 시스템을 모니터링할 수 있습니다(이미지 출처: EPCOS(TDK)).

추가적인 장점으로, 이 센서는 진동, 급격한 온도 변화, AC 시스템에서 흔히 발생하는 기타 위험 요인들을 견딜 수 있음이 검증되었으며, 물리적 손상이나 측정 정확도에 중대한 영향을 주지 않습니다.

결론

AI 작업 부하는 데이터센터 내 분산 온도 모니터링의 필요성을 가속화하고 있습니다. 방열판, 냉각 파이프, 액체 담금 욕조, 공기 조화 장치 등의 옵션을 통해 EPCOS(TDK) NTC 서미스터 제품군은 까다로운 환경에서 신뢰할 수 있는 신속한 작동을 지원합니다.