近年，伴隨著人工智能、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，高功率密度的超算設備成為服務器廠家紛紛布局的產(chǎn)品。目前高（功率）密度服務器中的單顆CPUTDP（ThermalDesignPower，散熱設計功耗）200W起步，例如intelXeon處理器；GPU、NPU、TPU等專業(yè)處理器的功耗更大，例如英偉達GPUTeslaV100的TDP達到300W。另一方面，由于高密度服務器內(nèi)集成的內(nèi)存數(shù)量、傳輸速率較之前都有數(shù)量級的提升，伴隨而來的內(nèi)存散熱問題也越來越得到重視。此外，SSD、I/O設備、VRD等設備功耗的增加也迫使服務器廠家不斷優(yōu)化散熱設計。

圖1某品牌高密度服務器

傳統(tǒng)服務器的散熱方式是強迫風冷，該方式的散熱能力取決于換熱系數(shù)、換熱面積及換熱溫差。通常的做法有：

1.給高功耗的處理器加裝散熱翅片，以增大風冷散熱面積；

2.配置變頻調(diào)速的大風量風機，優(yōu)化服務器內(nèi)的流場布局，一方面增大了換熱系數(shù)，另外也通過大風量實現(xiàn)小溫差傳熱，把處理器的溫度控制在合理范圍內(nèi)。

強迫風冷散熱方式屬于氣體強制對流換熱方式范疇，因此該種散熱能力的理論上限為20-100W/(m2?????????K)。此外，由于高密度服務器的結(jié)構(gòu)緊湊，可供風道設計的尺寸減小，空氣側(cè)的流場阻力隨之增大，風機所能提供的風量由此減小。因此無論從理論上還是工程上，傳統(tǒng)強迫風冷的方式已逐漸無法滿足高密度服務器的散熱要求。

通過CPU強迫風冷傳熱熱阻與CPU散熱風扇轉(zhuǎn)速的關(guān)系曲線，可以使我們對風冷散熱方式的能力上限有一個更直觀的認識（見圖2）。

圖2服務器CPU散熱熱阻與風機轉(zhuǎn)速關(guān)系

在風機轉(zhuǎn)速從1000r/min提高到4000r/min的過程中，CPU散熱中對流占主導，空氣流速增加會使強制對流換熱系數(shù)顯著增加，即風機轉(zhuǎn)速的增加可以顯著的改善CPU的散熱性能；在風機轉(zhuǎn)速超過4000r/min后，傳熱熱阻下降比較平緩，因為此過程中對流換熱能力已經(jīng)逼近極限，風機轉(zhuǎn)速的增加只能改善與空氣的導熱傳熱，即此過程對CPU的散熱性能影響減弱了。

傳統(tǒng)風冷散熱方案已不能滿足高密度服務器的散熱要求，液冷散熱方式成為必然選擇。由于液態(tài)載冷劑的比熱容、換熱系數(shù)都遠高于空氣，因此更滿足高密度服務器的散熱要求。

通過幾種常見換熱方式的換熱能力對比（圖3），液相單相強制對流換熱能力比空氣強制對流高2個數(shù)量級，可滿足高能耗處理器的散熱要求。以XeonPlatinum8180芯片為例，芯片封裝后的尺寸是75mm×55mm，TDP是205W，如果采用空氣強制對流換熱方式，取換熱溫差40℃、對應最大熱流密度3W/cm2，則最大換熱能力為124W，不能滿足散熱要求。如采用液相單相強制對流換熱方式，取換熱溫差10℃、對應最大熱流密度為30W/cm2，則最大換熱能力是1240W，遠大于處理器的散熱要求，此外還可以實現(xiàn)更小換熱溫差的傳熱。

圖3幾種換熱形式熱流密度與換熱溫差的關(guān)系

處理器的電功耗主要分三部分：空載功耗、靜態(tài)功耗、動態(tài)功耗，其中靜態(tài)功耗與處理器的溫度息息相關(guān)。芯片溫度升高，處理器內(nèi)晶體管的泄漏電流增大，進而增大了處理器的靜態(tài)功耗。Zapater用指數(shù)形式擬合了靜態(tài)功耗Ps與處理器溫度的關(guān)系：

c2、c3——經(jīng)驗系數(shù)

Ps——處理器靜態(tài)功耗

Td——處理器壁面溫度

液冷方案中實現(xiàn)更小的溫差傳熱，使處理器壁面處于更低的溫度，進而減少了處理器的靜態(tài)功耗，即減小了散熱設備的負荷，同時還提高了IT設備的電能利用效率。

綜上所述，高密度服務器的散熱方式必然從傳統(tǒng)風冷向液冷轉(zhuǎn)變。

本文標題：淺析高密度服務器散熱的發(fā)展趨勢

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