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   2144天前

現(xiàn)代數(shù)據(jù)中心容納數(shù)千臺服務(wù)器，每臺服務(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40瓦的熱量，隨著半導(dǎo)體技術(shù)的不斷發(fā)展，未來的微處理器有望產(chǎn)生更高的熱通量，伴隨而來的難題就是這些微處理器的下一代冷卻系統(tǒng)的開發(fā)與制造。

正在進(jìn)化中的冷卻系統(tǒng)

總的來說，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)營是另外一項(xiàng)不菲的開支。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)美國能源部的數(shù)據(jù)，美國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，逆變器和電動機(jī)）的混合動力和電動車輛的采用越來越多，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)通過系統(tǒng)的泵。當(dāng)液體冷卻劑通過散熱器中的通道時(shí)，來自微處理器的熱量通過導(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)成通過最大化液體通過的通道的表面積來最大化熱傳遞。散熱器可以是微通道散熱器，利用液體冷卻劑流過的細(xì)翅片通道。然后，離開散熱器的液體冷卻劑循環(huán)通過液體 – 空氣熱交換器，在熱交換器中，熱量被排出到周圍的空氣中，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)萬美金，許多數(shù)據(jù)中心運(yùn)營商根本不愿意接受水基液體冷卻系統(tǒng)帶來的損失風(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)雜的冷卻簡單化

如果沒有冷卻系統(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3D打印技術(shù)和其他技術(shù)的結(jié)合來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)備直接接觸而不會對其造成傷害。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。這意味著通過合理地加熱介電冷卻劑流來冷卻微處理器將需要比用于通過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3D打印冷卻裝置110

Ebullient LLC正在開發(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，飛機(jī)和其他車輛中的較小尺寸，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)以及手持移動電子設(shè)備中。散熱器模塊*的冷卻劑通道可以通過3D打印技術(shù)直接形成在移動設(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設(shè)備的處理器，存儲器模塊或其他電子組件上。

來源：中國3D打印網(wǎng)