3D打印冷卻系統用于下一代微處理器的散熱

魔猴君  行業資訊   2139天前

現代數據中心容納數千臺服務器，每臺服務器都有兩個或更多個發熱微處理器。微處理器每平方cm可以輕松產生超過40瓦的熱量，隨著半導體技術的不斷發展，未來的微處理器有望產生更高的熱通量，伴隨而來的難題就是這些微處理器的下一代冷卻系統的開發與制造。

正在進化中的冷卻系統

總的來說，數據中心內所有服務器產生的熱量都很大。遺憾的是，使用傳統的空調系統從數據中心去除這些熱量是昂貴且低效的。在數據中心安裝空調需要大型計算機房空調（CRAC）單元，空氣處理設備和相關管道都需要大量的前期資本投入，另外維護CRAC單元的持續運營是另外一項不菲的開支。除此之外，CRAC裝置的熱力學效率較差，這意味著數據中心每月的公用事業成本較高。為了降低運營數據中心的成本，從而降低依賴于數據中心的云計算服務的成本，迫切需要更有效地冷卻數據中心內的服務器。

根據美國能源部的數據，美國近三成的電力用于為數據中心和計算機設施供電。大約一半的電力用于電力調節和冷卻。由于依賴于復雜電氣部件（包括電池，逆變器和電動機）的混合動力和電動車輛的采用越來越多，因此運輸系統中也需要更有效的冷卻系統，使得電氣部件產生的大量熱量得到有效消散量。

為了節約能量，企業在開發新的冷卻系統，可以使微處理器在較低溫度下運行，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溫導致的不必要的節流（動態頻率縮放）或計算機的停機時間。

下一代微處理器的運行速度將繼續增加，下一代微處理器產生的熱通量（定義為每單位面積的熱負荷）也將繼續增加。傳統的空氣冷卻系統很快就沒有辦法有效地冷卻這些下一代微處理器。因此，新的冷卻系統需要比現有的空氣冷卻系統明顯有效和高效，能夠管理由下一代微處理器產生的高熱通量。

泵送液體冷卻系統可以提供優于傳統空氣冷卻系統的散熱性能。泵送液體冷卻系統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通過系統的泵。當液體冷卻劑通過散熱器中的通道時，來自微處理器的熱量通過導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。散熱器通常設計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翅片通道。然后，離開散熱器的液體冷卻劑循環通過液體 – 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回到泵進行另一次循環。

這種封閉式液體冷卻系統的使用正開始從高性能計算機推廣到個人計算機。遺憾的是，現有的液體冷卻系統具有性能限制，這使得這種方法很難有效地冷卻下一代微處理器。這是因為如果在使用水或水 – 乙二醇混合物的液體在冷卻系統中發生泄漏，水將破壞服務器并可能破壞整個機架的服務器。根據3D科學谷的市場研究，由于單個服務器的價格為數千美金甚至數萬美金，許多數據中心運營商根本不愿意接受水基液體冷卻系統帶來的損失風險。

雖然比空氣冷卻更有效，封閉式液體冷卻系統需要顯著的液體冷卻劑流速，實現高流速通常需要高流體壓力。因此，設計用于冷卻現代微處理器的液體冷卻系統可能需要大型泵或位于整個液體冷卻系統中的一系列小型泵，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大量能量并降低冷卻系統的效率。除此之外，使用一系列小型泵會增加冷卻系統出現機械故障的可能性，從而導致不必要的設備停機。

3D打印將復雜的冷卻簡單化

如果沒有冷卻系統領域的進一步創新，下一代微處理器的實施將受到阻礙。

Ebullient LLC正在通過3D打印技術和其他技術的結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。例如，一些電介質冷卻劑，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效率。

圖片：通過3D打印冷卻裝置110

Ebullient LLC正在開發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，冷卻裝置可以制成適合于結合在汽車，飛機和其他車輛中的較小尺寸，這可以結合到需要冷卻的電池，逆變器和其他電子設備中，并且可以小型化以用于平板計算機以及手持移動電子設備中。散熱器模塊*的冷卻劑通道可以通過3D打印技術直接形成在移動設備的電路板上。當然，3D打印還可以直接將冷卻劑通道打印在移動設備的處理器，存儲器模塊或其他電子組件上。

來源：中國3D打印網