3D打印冷卻系統(tǒng)用于下一代微處理器的散熱

魔猴君  行業(yè)資訊   2204天前

現(xiàn)代數(shù)據(jù)中心容納數(shù)千臺(tái)服務(wù)器，每臺(tái)服務(wù)器都有兩個(gè)或更多個(gè)發(fā)熱微處理器。微處理器每平方cm可以輕松產(chǎn)生超過(guò)40瓦的熱量，隨著半導(dǎo)體技術(shù)的不斷發(fā)展，未來(lái)的微處理器有望產(chǎn)生更高的熱通量，伴隨而來(lái)的難題就是這些微處理器的下一代冷卻系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)與制造。

正在進(jìn)化中的冷卻系統(tǒng)

總的來(lái)說(shuō)，數(shù)據(jù)中心內(nèi)所有服務(wù)器產(chǎn)生的熱量都很大。遺憾的是，使用傳統(tǒng)的空調(diào)系統(tǒng)從數(shù)據(jù)中心去除這些熱量是昂貴且低效的。在數(shù)據(jù)中心安裝空調(diào)需要大型計(jì)算機(jī)房空調(diào)（CRAC）單元，空氣處理設(shè)備和相關(guān)管道都需要大量的前期資本投入，另外維護(hù)CRAC單元的持續(xù)運(yùn)營(yíng)是另外一項(xiàng)不菲的開(kāi)支。除此之外，CRAC裝置的熱力學(xué)效率較差，這意味著數(shù)據(jù)中心每月的公用事業(yè)成本較高。為了降低運(yùn)營(yíng)數(shù)據(jù)中心的成本，從而降低依賴于數(shù)據(jù)中心的云計(jì)算服務(wù)的成本，迫切需要更有效地冷卻數(shù)據(jù)中心內(nèi)的服務(wù)器。

根據(jù)美國(guó)能源部的數(shù)據(jù)，美國(guó)近三成的電力用于為數(shù)據(jù)中心和計(jì)算機(jī)設(shè)施供電。大約一半的電力用于電力調(diào)節(jié)和冷卻。由于依賴于復(fù)雜電氣部件（包括電池，逆變器和電動(dòng)機(jī)）的混合動(dòng)力和電動(dòng)車(chē)輛的采用越來(lái)越多，因此運(yùn)輸系統(tǒng)中也需要更有效的冷卻系統(tǒng)，使得電氣部件產(chǎn)生的大量熱量得到有效消散量。

為了節(jié)約能量，企業(yè)在開(kāi)發(fā)新的冷卻系統(tǒng)，可以使微處理器在較低溫度下運(yùn)行，為微處理器提供始終如一的較低操作溫度還可以延長(zhǎng)其使用壽命，并且可以避免由于不安全的結(jié)溫導(dǎo)致的不必要的節(jié)流（動(dòng)態(tài)頻率縮放）或計(jì)算機(jī)的停機(jī)時(shí)間。

下一代微處理器的運(yùn)行速度將繼續(xù)增加，下一代微處理器產(chǎn)生的熱通量（定義為每單位面積的熱負(fù)荷）也將繼續(xù)增加。傳統(tǒng)的空氣冷卻系統(tǒng)很快就沒(méi)有辦法有效地冷卻這些下一代微處理器。因此，新的冷卻系統(tǒng)需要比現(xiàn)有的空氣冷卻系統(tǒng)明顯有效和高效，能夠管理由下一代微處理器產(chǎn)生的高熱通量。

泵送液體冷卻系統(tǒng)可以提供優(yōu)于傳統(tǒng)空氣冷卻系統(tǒng)的散熱性能。泵送液體冷卻系統(tǒng)通常包括通過(guò)管道連接的以下部分：連接到微處理器的散熱器，液體 – 空氣熱交換器，以及使液體冷卻劑循環(huán)通過(guò)系統(tǒng)的泵。當(dāng)液體冷卻劑通過(guò)散熱器中的通道時(shí)，來(lái)自微處理器的熱量通過(guò)導(dǎo)熱散熱器傳遞到冷卻劑，從而提高冷卻劑的溫度并將熱量從微處理器傳遞出去。散熱器通常設(shè)計(jì)成通過(guò)最大化液體通過(guò)的通道的表面積來(lái)最大化熱傳遞。散熱器可以是微通道散熱器，利用液體冷卻劑流過(guò)的細(xì)翅片通道。然后，離開(kāi)散熱器的液體冷卻劑循環(huán)通過(guò)液體 – 空氣熱交換器，在熱交換器中，熱量被排出到周?chē)目諝庵?，冷卻后的液體冷卻劑循環(huán)回到泵進(jìn)行另一次循環(huán)。

這種封閉式液體冷卻系統(tǒng)的使用正開(kāi)始從高性能計(jì)算機(jī)推廣到個(gè)人計(jì)算機(jī)。遺憾的是，現(xiàn)有的液體冷卻系統(tǒng)具有性能限制，這使得這種方法很難有效地冷卻下一代微處理器。這是因?yàn)槿绻谑褂盟蛩?– 乙二醇混合物的液體在冷卻系統(tǒng)中發(fā)生泄漏，水將破壞服務(wù)器并可能破壞整個(gè)機(jī)架的服務(wù)器。根據(jù)3D科學(xué)谷的市場(chǎng)研究，由于單個(gè)服務(wù)器的價(jià)格為數(shù)千美金甚至數(shù)萬(wàn)美金，許多數(shù)據(jù)中心運(yùn)營(yíng)商根本不愿意接受水基液體冷卻系統(tǒng)帶來(lái)的損失風(fēng)險(xiǎn)。

雖然比空氣冷卻更有效，封閉式液體冷卻系統(tǒng)需要顯著的液體冷卻劑流速，實(shí)現(xiàn)高流速通常需要高流體壓力。因此，設(shè)計(jì)用于冷卻現(xiàn)代微處理器的液體冷卻系統(tǒng)可能需要大型泵或位于整個(gè)液體冷卻系統(tǒng)中的一系列小型泵，以確保足夠的液體冷卻劑壓力和流速。操作大型泵或一系列小型泵會(huì)耗費(fèi)大量能量并降低冷卻系統(tǒng)的效率。除此之外，使用一系列小型泵會(huì)增加冷卻系統(tǒng)出現(xiàn)機(jī)械故障的可能性，從而導(dǎo)致不必要的設(shè)備停機(jī)。

3D打印將復(fù)雜的冷卻簡(jiǎn)單化

如果沒(méi)有冷卻系統(tǒng)領(lǐng)域的進(jìn)一步創(chuàng)新，下一代微處理器的實(shí)施將受到阻礙。

Ebullient LLC正在通過(guò)3D打印技術(shù)和其他技術(shù)的結(jié)合來(lái)提供下一代微處理器的冷卻解決方案。與水不同，介電冷卻劑可以與電子設(shè)備直接接觸而不會(huì)對(duì)其造成傷害。遺憾的是，介電冷卻劑的比熱比水低，因此它們不適合用于單相泵送液體冷卻系統(tǒng)。例如，一些電介質(zhì)冷卻劑，例如某些氫氟醚具有約1300J /（kg-K）的比熱，而水具有約4,181J /（kg-K）的比熱。這意味著通過(guò)合理地加熱介電冷卻劑流來(lái)冷卻微處理器將需要比用于通過(guò)合理地冷卻相同微處理器的水的流速高大約四倍的流速。這種較高的流速需要更多的泵功率，這意味著更低的冷卻系統(tǒng)效率。

圖片：通過(guò)3D打印冷卻裝置110

Ebullient LLC正在開(kāi)發(fā)的冷卻解決方案具有高效率、模塊化、靈活、快速連接、小尺寸和熱插拔性的特點(diǎn)，冷卻裝置可以制成適合于結(jié)合在汽車(chē)，飛機(jī)和其他車(chē)輛中的較小尺寸，這可以結(jié)合到需要冷卻的電池，逆變器和其他電子設(shè)備中，并且可以小型化以用于平板計(jì)算機(jī)以及手持移動(dòng)電子設(shè)備中。散熱器模塊*的冷卻劑通道可以通過(guò)3D打印技術(shù)直接形成在移動(dòng)設(shè)備的電路板上。當(dāng)然，3D打印還可以直接將冷卻劑通道打印在移動(dòng)設(shè)備的處理器，存儲(chǔ)器模塊或其他電子組件上。

來(lái)源：中國(guó)3D打印網(wǎng)