設(shè)備過(guò)熱是數(shù)據(jù)中心行業(yè)面臨的大敵。產(chǎn)生、存儲(chǔ)和分析大量信息需要更快速、密集度更高的處理能力。在實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)(IoT)必不可少的計(jì)算周期中同樣也會(huì)相應(yīng)產(chǎn)生巨大的熱量，必須 想辦法消除。2013年，僅美國(guó)的數(shù)據(jù)中心就消耗了860億 kWh來(lái)冷卻服務(wù)器——這相當(dāng)于760萬(wàn)個(gè)家庭的用電量。在全球范圍內(nèi)，數(shù)據(jù)中心服務(wù)器的耗電量約占每年發(fā)電量的1.5%。

    為了減少巨大的行業(yè)電力需求，許多數(shù)據(jù)中心越來(lái)越多地利用液體冷卻法來(lái)補(bǔ)充甚至替代空氣冷卻系統(tǒng)。丹麥的Asetek公司是一家為數(shù)據(jù)中心計(jì)算設(shè)備提供液體循環(huán)冷卻系統(tǒng)的業(yè)界領(lǐng)先廠商。為響應(yīng)市場(chǎng)對(duì)于高密度和高度定制化服務(wù)器機(jī)架的需求，Asetek不斷創(chuàng)新，研發(fā)出的冷卻系統(tǒng)由若干個(gè)構(gòu)建模塊組成，能根據(jù)各種數(shù)據(jù)中心的需求進(jìn)行靈活配置。公司整個(gè)設(shè)計(jì)流程的一大重要環(huán)節(jié)就是利用ANSYS Icepak計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)軟件進(jìn)行熱仿真，這已成為優(yōu)化冷卻系統(tǒng)組件至關(guān)重要的工具。

液體循環(huán)冷卻系統(tǒng)

    水是Asetek液體循環(huán)系統(tǒng)中的主要冷卻液。該系統(tǒng)直接“鎖定”服務(wù)器中熱流最高的區(qū)域。這樣的區(qū)域主要是CPU、GPU和存儲(chǔ)器模塊，其工作溫度范圍介于70℃至95℃(158 F至203 F)之間。每個(gè)機(jī)架冷卻設(shè)備的重要部件包括：金屬冷卻板、泵、防漏水快速連接器、液體入口管和出口管。冷卻板安裝在目標(biāo)區(qū)域的上面，負(fù)責(zé)將熱量從芯片傳遞給冷卻液，冷卻液隨后被泵抽出服務(wù)器機(jī)架，再流入機(jī)架的冷卻劑分配裝置。熱的冷卻劑流過(guò)液–液熱交換器，被設(shè)備中的涼水冷卻，然后重新流回服務(wù)器機(jī)架。

    這種直接冷卻熱點(diǎn)區(qū)域的過(guò)程需要最大限度地提高系統(tǒng)的熱交換效率，才能冷卻特定的處理器或其他模塊。對(duì)于Asetek工程師來(lái)說(shuō)，這意味著需要優(yōu)化冷卻板的表面積，冷卻板在該過(guò)程中負(fù)責(zé)將熱量傳遞給液體。冷卻板包含一系列微通道，冷卻液從這些微通道中流過(guò)。借助Icepak，Asetek團(tuán)隊(duì)可實(shí)現(xiàn)微通道的設(shè)計(jì)與配置，以便分析不同芯片的冷卻需求。

圖1 CPU冷卻板的Icepak模型，其中固體區(qū)域?yàn)樽厣�，液體區(qū)域?yàn)樗{(lán)色

冷卻板仿真

    Asetek開(kāi)始設(shè)計(jì)冷卻板之前，芯片制造商首先提供需要進(jìn)行冷卻的特定板卡或模塊的相關(guān)幾何數(shù)據(jù)和散熱要求。然后，Asetek工程師根據(jù)組件的復(fù)雜程度，導(dǎo)入3-D CAD幾何結(jié)構(gòu)或直接在Icepak中構(gòu)建板卡或模塊的幾何結(jié)構(gòu)。此外，工程師團(tuán)隊(duì)還需要在使用Icepak執(zhí)行整體熱分析之前，構(gòu)建冷卻板的幾何結(jié)構(gòu)。流體區(qū)域常用的網(wǎng)格尺寸介于100萬(wàn)到300萬(wàn)個(gè)單元之間。利用四個(gè)處理器進(jìn)行這種規(guī)模的仿真需要10到30分鐘。

    這套系統(tǒng)可處理極端情況，即持續(xù)超頻、處于服務(wù)器指定的最高液體供應(yīng)溫度的芯片向冷卻液傳遞最大的熱量。此外，工程師必須創(chuàng)建更緊湊的設(shè)計(jì)，以增大服務(wù)器機(jī)架內(nèi)的處理器密度。與此同時(shí)，系統(tǒng)的總熱阻必須將冷 卻劑的溫度保持在最大值60℃(140 F)以下。有些芯片設(shè)計(jì) 需要更高的冷卻劑流速，才能耗散更多熱量。

    通常情況下，Asetek團(tuán)隊(duì)會(huì)對(duì)新的冷卻板設(shè)計(jì)運(yùn)行30到40次的仿真，以此作為參數(shù)研究的一部分。他們會(huì)改變?cè)S多參數(shù)，例如微通道翅片的寬度、高度和間距、板厚度，以及冷卻液的流速和入口溫度。經(jīng)過(guò)實(shí)踐驗(yàn)證，Icepak是快速完成此類(lèi)參數(shù)研究的最佳工具。通常在兩周之內(nèi)即可完成從芯片幾何結(jié)構(gòu)到最終冷卻板設(shè)計(jì)的整個(gè)過(guò)程。

圖2 銅冷卻板和液體流線上的溫度等高線顯示，液體在流經(jīng)冷卻單元的過(guò)程中溫度上升

有效節(jié)省材料和能量

    利用Icepak優(yōu)化冷卻板設(shè)計(jì)，不僅可加快設(shè)計(jì)周期，還能讓Asetek工程師根據(jù)具體冷卻需求將材料從銅轉(zhuǎn)變成鋁。盡管銅具有出色的導(dǎo)熱性，但是采用鋁板制作的微通道設(shè)計(jì)在一些特定應(yīng)用環(huán)境中卻能遠(yuǎn)超原有的銅制散熱片，例如具有較低散熱密度的應(yīng)用環(huán)境就是其中之一。用鋁替代銅可將冷卻板的原材料成本銳減大約40%，從而實(shí)現(xiàn)更低成本的冷卻解決方案。

    在數(shù)據(jù)中心安裝液體冷卻系統(tǒng)后，可以減少對(duì)成本高昂的排風(fēng)機(jī)和空調(diào)系統(tǒng)的需求，并將冷卻所需的總電量減少50%。能耗方面的顯著節(jié)省使公司在一年內(nèi)就能收回液體冷卻系統(tǒng)的投資成本。利用系統(tǒng)熱交換器，

    可回收利用服務(wù)器機(jī)架中流出的60℃(140 F)冷卻液，用于為水、民用與商業(yè)建筑提供熱量。事實(shí)表明，回收利用這些本將排到大氣中的熱量大有裨益，特別是在寒冷氣候中尤為如此。Tromso大學(xué)地處挪威的北極圈，而該校容納12,000名學(xué)生和教職員工的教學(xué)設(shè)施長(zhǎng)年溫暖如春，依靠的正是Asetek液體循環(huán)系統(tǒng)從大學(xué)數(shù)據(jù)中心中采集的熱量。

圖3 顯卡冷卻板上的溫度等高線

    正如在Tromso大學(xué)以及全世界的數(shù)據(jù)中心所表現(xiàn)的那樣，Asetek的產(chǎn)品在實(shí)現(xiàn)大規(guī)模節(jié)能方面始終遙遙領(lǐng)先。利用Icepak進(jìn)行熱分析使得Asetek能夠不斷提供市場(chǎng)領(lǐng)先的冷卻功能，從而為那些開(kāi)發(fā)物聯(lián)網(wǎng)解決方案、讓數(shù)以?xún)|計(jì)的人和機(jī)器保持互聯(lián)的公司提供更優(yōu)質(zhì)的服務(wù)。不僅如此，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)也正在研究使用仿真來(lái)優(yōu)化冷卻液驅(qū)動(dòng)泵以及經(jīng)過(guò)整個(gè)服務(wù)器機(jī)架的空氣流動(dòng)過(guò)程，從而確保所有組件都能得到充分的冷卻。所有這些工作只有一個(gè)偉大的目標(biāo)，那就是讓數(shù)據(jù)中心“冷酷到底”。

圖4 冷卻板和微通道的溫度等高線(左)以及圖形卡和熱間隙襯墊條上的溫度等高線(右)

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